CN108121844A - 水力波及半径的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水力波及半径的获得方法，包括：步骤a.根据钻完井的地质参数建立压裂注水过程有限元模型；步骤b.根据生产井和注汽井的施工参数，得到所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井排量；步骤c.根据所述有限元模型、所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井的排量进行计算，得到不同施工阶段的水力波及半径。本发明有效地解决了现有技术中的超稠油SAGD井压裂过程水力波及半径的有效分析的问题。

Description

水力波及半径的获得方法

技术领域

本发明涉及石油开采的技术领域，具体而言，涉及一种水力波及半径的获得方法。

背景技术

蒸汽辅助重力泄油(SAGD)技术被广泛应用于超稠油、油砂热采开发，其技术基础在于通过SAGD注汽水平井、生产水平井注蒸汽循环预热实现上下水平井有效连通。由于该循环预热方式预热时间很大程度上受油藏的物性(孔隙度、渗透率、原油粘度)等因素影响，存在较大差异，预热周期为3-10个月不等。为了缩短预热周期，降低该阶段注蒸汽能耗，提前建产，提出了在SAGD水平井井储层进行小型压裂使其形成一定规模微裂隙及改造区域，实现上下水平井快速连通，提高启动效率目的。

如图1所示，为采用传统的水力波及半径的获得方法的数据采集信息，但是其信息量过于简单，不能形成有效地对微压裂水力波及半径进行描述。如何评价微压裂水力波及半径，改造区域物性变化特征对于指导施工参数设计、优化以及施工效果评价至关重要，但是目前国内外尚无相关技术方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水力波及半径的获得方法，以解决现有技术中的超稠油SAGD井压裂过程水力波及半径的有效分析的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水力波及半径的获得方法，包括：步骤a.根据钻完井的地质参数建立压裂注水过程有限元模型；步骤b.根据生产井和注汽井的施工参数，得到所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井排量；步骤c.根据所述有限元模型、所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井的排量进行计算，得到不同施工阶段的水力波及半径。

进一步地，所述压裂注水过程有限元模型包括物理模型，所述物理模型包括：根据注入所述生产井和所述注汽井内的压力以及地应力得到井壁区域的张性扩容、张性微裂缝以及强烈剪胀。

进一步地，根据地应力测试数据、小型压裂数据及Kaiser声发射数据得到所述地应力。

进一步地，所述压裂注水过程有限元模型包括力学模型，所述力学模型采用Drucker-Prager力学本构模型。

进一步地，所述力学模型参数包括不同井组和不同储层类型下的弹性参数、塑性参数、硬化或软化性状参数以及物性参数。

进一步地，所述压裂注水过程有限元模型包括渗透率模型，所述述渗透率模型采用Kozeny-Poiseuille渗透率模型。

进一步地，所述钻完井的地质参数包括：储层类型、水平长度、储层渗透率、孔隙度、渗流各向异性、储层厚度、P井距底部距离、夹层位置、夹层渗透率、注液温度、储层埋深、杨氏模量以及泊松比。

进一步地，所述步骤a的所述钻完井的地质参数包括井眼直径、筛管外径、筛管内径、筛管弹性模量以及套管泊松比。

进一步地，在步骤b中包括压裂注压过程，所述生产井和所述注汽井的施工参数在所述压裂注压过程中获得，所述压裂注压过程依次包括以下步骤：重力加载—钻井过程—第一次提压—第一次稳压—第二次提压—第二次稳压—卸压—第三次稳压。

进一步地，所述重力加载包括使储层地质处于沉积状态，钻井过程模拟实际钻井过程的井眼周围储层的地应力变化，所述第二次稳压步骤包括判断所述注汽井和所述生产井是否处于建立水力连通的测试阶段。

进一步地，所述施工参数包括注压时间以及所述注汽井和所述生产井的注入压力。

应用本发明的技术方案，首先，获取钻完井的地质参数，建立压裂注水过程有限元模型，然后获取注汽井和生产井施工参数中的技术数据，再将上述的技术数据输入至有限元软件中。通过有限元软件的计算得出需要的水力波及半径的相关曲线和状态图等。本发明的水力波及半径的获得方法有效地解决了现有技术中的超稠油SAGD井压裂过程水力波及半径的有效分析的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术的水力波及半径的获得方法的实施例的步骤示意图；

图2示出了根据本发明的水力波及半径的获得方法的实施例的水力波及半径的示意图；

图3示出了图2的水力波及半径的获得方法的实施例的储层孔压与井筒压力比例的变化曲线的示意图；

图4示出了图2的水力波及半径的获得方法的实施例的步骤示意图；

图5示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的压裂注水过程的有限元模型的示意图；

图6示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的储层油砂压裂物理模型示意图；

图7示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的储层油砂压裂渗流模型示意图；

图8示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的渗流模型参数设定的历史拟合曲线示意图；

图9示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的实际注压曲线示意图；

图10示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的压裂注压步骤简化示意图；

图11示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的ABAQUS有限元软件可视化模块描述水力波及半径的示意图；

图12示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的纵向水力波及半径R_a随时间的变化规律的曲线的示意图；以及

图13示出了图4的水力波及半径的获得方法的实施例的横向水力波及半径R_b随时间的变化规律的曲线的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2至图8所示，本实施例的水力波及半径的获得方法包括：步骤a.根据钻完井的地质参数建立压裂注水过程有限元模型。步骤b.根据生产井和注汽井的施工参数，得到注汽井和生产井的压力以及注汽井和生产井排量。步骤c.根据有限元模型、注汽井和生产井的压力以及注汽井和生产井的排量进行计算，得到不同施工阶段的水力波及半径。

应用本实施例的技术方案，首先，获取钻完井的地质参数，建立压裂注水过程有限元模型，然后获取注汽井和生产井施工参数中的技术数据，再将上述的技术数据输入至有限元软件中。通过有限元软件的计算得出需要的水力波及半径的相关曲线和状态图等。本实施例的水力波及半径的获得方法有效地解决了现有技术中的超稠油SAGD井压裂过程水力波及半径的有效分析的问题。

如图2至图5所示，在本实施例的技术方案中，压裂注水过程有限元模型包括物理模型，物理模型包括：根据注入生产井和注汽井内的压力以及地应力得到井壁区域的张性扩容、张性微裂缝以及强烈剪胀。物理模型是指油砂SAGD储层微压裂的物理模型。在预热前期，通过对I井(注汽井)和P井(生产井)同时注入处理液，在近井壁区域产生强烈的张性扩容；当注压到一定程度(增加孔压至大于油砂的抗拉强度时)，在该区域形成张性微裂缝。同时，当井筒附近的有效围压(围压减去孔压)减小时，由于地应力差形成的偏应力造成油砂强烈剪胀，进一步扩大了岩体的孔隙体积，提高了储层渗流能力。在远井壁端区域，注水未波及，油砂未受扰动(或受扰动程度很小)，无张性扩容作用，剪切扩容程度可忽略不计。近井壁和远井壁区域为过渡区域，张性和剪切扩容程度由近及远逐渐降低。物理模型的主要特征包括：(1)注压在井筒附近区域造成强烈剪胀和张性扩容；(2)储层扩容程度随距水平井的距离增大而逐渐降低；(3)井筒附近的渗透率增加幅度最高，流速最大。

如图2至图5所示，在本实施例的技术方案中，根据地应力测试数据、小型压裂数据及Kaiser声发射数据得到地应力。

如图2至图9所示，在本实施例的技术方案中，压裂注水过程有限元模型包括力学模型，力学模型采用Drucker-Prager力学本构模型。力学模型基于室内实验研究结果，采用扩展型的德雷克-普拉格(Drucker-Prager)力学本构模型(简称DP模型)(应力张量与应变张量的关系。一般地，指将描述连续介质变形的参量与描述内力的参量联系起来的一组关系式。它是结构或者材料的宏观力学性能的综合反映。为了确定物体在外力作用下的响应，必须知道构成物体的材料所适用的本构关系。)，该模型很好地描述了油砂的对应力的变形敏感性和剪胀性。所述力学模型是指油砂力学本构模型，是描述介质宏观力学行为特别是应力应变关系的数学模型，是岩石力学数值模拟的物理基础。DP模型的屈服面表达式为：

q-p'tanβ-d＝0 (1)；

其中，

p’为平均有效应力；

q为偏应力；

I₁为第一主应力不变量；

J₂为第二偏应力不变量；

β为DP内摩擦角；

d为DP粘聚力；

σ₁’、σ₂’和σ₃’为所考虑点的三个主应力，且σ₁’>σ₂’>σ₃’。

式(1)～(3)中的应力表达为有效应力，与总应力的关系为：

σ'＝σ-α_bp_f (4)

其中α_b为比奥系数；

p_f为孔隙压力(即地层压力)。

由于油砂为疏松孔隙介质，比奥系数α_b取值为1时。β、d、摩尔库伦准则内摩擦角以及粘聚力c有以下换算关系：

其中，

Φ为摩尔库伦准则内摩擦角；

ψ为剪胀角；计算方式如下：

其中，

α由单轴或三轴获得的体应变ε_v–轴应变ε_a的关系曲线确定。

当储层变形为弹性阶段时，各方向的应变计算服从多孔弹性介质力学：

其中，

G分别为切变模量；

K为体积模量；

ν为泊松比；

ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_xy、ε_yz、ε_xz为(x，y，z)直角坐标系下所考虑点的应变张量中6个独立应变分量，其中ε_xx为法向量为x的平面上沿x轴正方向的应变分量，ε_yy为法向量为y的平面上沿y轴正方向的应变分量，ε_zz为法向量为z的平面上沿z轴正方向的应变分量，ε_xy为法向量为x的平面上沿y轴正方向的应变分量，ε_yz为法向量为y的平面上沿z轴正方向的应变分量，ε_xz为法向量为x的平面上沿z轴正方向的应变分量；

△σ_xx、△σ_yy、△σ_zz、△σ_xy、△σ_yz、△σ_xz为(x，y，z)直角坐标系下所考虑点的应力张量中6个独立应力分量的无限小变化量，△σ_xx为法向量为x的平面上沿x轴正方向的应力分量的无限小变化量，△σ_yy为法向量为y的平面上沿y轴正方向的应力分量的无限小变化量，△σ_zz为法向量为z的平面上沿z轴正方向的应力分量的无限小变化量，△σ_xy为法向量为x的平面上沿y轴正方向的应力分量的无限小变化量，△σ_yz为法向量为y的平面上沿z轴正方向的应力分量的无限小变化量，△σ_xz为法向量为x的平面上沿z轴正方向的应力分量的无限小变化量。

△σ_kk为△σ_xx、△σ_yy和△σ_zz三项之和。

当微压裂进行到塑性阶段时，塑性变形基于非关联的流动法则，即屈服面和塑性势面不一致。塑性应变的计算公式为：

其中，

dε^p为塑性应变增量；

为单轴抗压条件下的轴向塑性应变增量；

c为粘聚力；

为对应力求偏导；

的计算公式为：

其中，

G为塑性势函数，计算公式为：

G＝q-p'tanψ (16)

油砂的剪切扩容和张性扩容导致其孔隙空间增大，渗流能力增强。由三向变形计算可得体积应变ε_v：

ε_v＝ε_x+ε_y+ε_z (17)

如图2至图9以及图11至图13所示，在本实施例的技术方案中，力学模型参数包括不同井组和不同储层类型下的弹性参数、塑性参数、硬化或软化性状参数以及物性参数。通过本实施例的技术方案可以获得不同地方或者不同位置处的力学模型，也就是说本实施例的技术方案的使用范围较广。力学模型参数包括不同井、不同储层类型下的弹性参数(弹性模量、泊松比)，塑性参数(DP内摩擦角、流动应力比和剪胀角)，硬化或软化性状参数(屈服应力、塑性轴向应变)，物性参数(原始渗透率、原始孔隙度)。不同井、不同储层类型下的弹性参数(弹性模量、泊松比)是以在0.5MPa有效围压(围压5.5MPa、孔压5MPa)下的应力应变曲线获取的；塑性参数(DP内摩擦角、流动应力比和剪胀角)是由不同有效围压下(0.5MPa、1MPa、2MPa和5MPa)的全应力应变曲线和体应变-轴应变曲线获取的，服从线性扩展DP准则，表达如(1)式。上述获取的参数代入ABAQUS有限元模型的建立和求解中。

如图2至图9所示，在本实施例的技术方案中，压裂注水过程有限元模型包括渗透率模型，述渗透率模型采用Kozeny-Poiseuille渗透率模型。渗透率模型基于室内实验研究结果，采用康采尼—泊肃叶(Kozeny-Poiseuille)渗透率模型，该模型考虑了扩容动态地提高渗透率的机制。渗流模型参数可由室内渗透率实验直接获得，无实验用岩心的井组的渗透率可由历史拟合获得。上述获取的参数代入ABAQUS有限元模型的建立和求解中。

ε_v＝ε_a+2ε_r (19)

其中，

k和k₀分别为水的有效渗透率和原始渗透率；

ε_v、ε_a、ε_r分别为体应变、轴应变、径向应变；

φ₀为原始渗透率。

渗流模型参数可由室内渗透率实验直接获得，无实验用岩心的井组的渗透率可由历史拟合获得。

在本实施例的技术方案中，钻完井的地质参数包括：储层类型、水平长度、储层渗透率、孔隙度、渗流各向异性、储层厚度、P井距底部距离、夹层位置、夹层渗透率、注液温度、储层埋深、杨氏模量以及泊松比。

如图11至13所示，在本实施例的技术方案中，步骤a的钻完井的地质参数包括井眼直径、筛管外径、筛管内径、筛管弹性模量以及套管泊松比。所述钻完井相关参数包括井眼直径、筛管外径、筛管内径、筛管弹性模量以及套管泊松比等。井眼直径近似等于钻头外径，可由钻头的出厂参数得知；筛管外径、筛管内径由筛管的出厂参数得知，也可根据测量实验获知；筛管弹性模量及套管泊松比等根据单轴压缩实验获取。上述获取的参数代入ABAQUS有限元模型的建立和求解中。

如图2至图10所示，在本实施例的技术方案中，在步骤b中包括压裂注压过程，生产井和注汽井的施工参数在压裂注压过程中获得，压裂注压过程依次包括以下步骤：重力加载—钻井过程—第一次提压—第一次稳压—第二次提压—第二次稳压—卸压—第三次稳压。上述简化获取的每一个步骤对应ABAQUS有限元模型每一个分析步的建立。钻井过程由力学计算得到，作为ABAQUS建模中的一个分析步。施工流程第六步某时刻以后部分实际为判断I、P井是否建立水力连通的测试阶段，与稳压操作有所出入。但由于该测试阶段注压情况过于复杂(例如关闭生产井，提高注气井压力)，这里把该阶段近似于稳压状态。施工流程步骤二中，施工关键参数主要指注压时间、I井和P井的注入压力等生产参数。注压时间、I井和P井的注入压力等生产参数由现场提供的每口井的实时注压数据曲线简化后，根据曲线的横纵坐标获取。

如图2至图8所示，在本实施例的技术方案中，重力加载包括使储层地质处于沉积状态，钻井过程模拟实际钻井过程的井眼周围储层的地应力变化，第二次稳压步骤包括判断注汽井和生产井是否处于建立水力连通的测试阶段。

在步骤c中，所述基于ABAQUS有限元软件对模型进行计算，是指从头到尾应用ABAQUS软件对已建压裂注水过程有限元模型进行求解，包括划分网格、边界条件等可视化模块以前的所有工作。

如图2至图8所示，在本实施例的技术方案中，施工参数包括注压时间以及注汽井和生产井的注入压力。这样使得具体地时间和注入的压力相对应，以获得在对应地时间和注入压力下，I井和P井的参数。

该方法首次定义了油砂储层微压裂施工水力波及半径(半径)的概念，并从现场微压裂施工曲线图过程的简化建立了微压裂注水过程有限元模型，最终通过ABAQUS软件输出的水力波及半径(半径)。水力波及半径是指距离水平井周围方向上储层孔隙压力下降到井筒压力一定值时的平面区域，其形状为一椭圆；纵向水力波及半径Ra是指在水力波及半径平面内，沿注汽井和生产井连线方向上，储层孔隙压力下降到井筒压力一定值时的距离，其相当于椭圆的长轴；横向水力波及半径Rb是指在水力波及半径平面内，沿垂直纵向水力波及半径方向上，储层孔隙压力下降到井筒压力一定值时的距离，其相当于椭圆的短轴。基于ABAQUS有限元软件描述油砂储层微压裂施工水力波及半径的方法，能够有效指导工艺参数优化，实现施工效果评价。

现场注汽井和生产井施工参数是指原始数据表格及生成的所述注汽井的进口压力和所述生产井的进口压力和所述注汽井的净注入量和所述生产井的净注入量随时间的变化规律施工曲线图。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水力波及半径的获得方法，其特征在于，包括：

步骤a.根据钻完井的地质参数建立压裂注水过程有限元模型；

步骤b.根据生产井和注汽井的施工参数，得到所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井排量；

步骤c.根据所述有限元模型、所述注汽井和所述生产井的压力以及所述注汽井和所述生产井的排量进行计算，得到不同施工阶段的水力波及半径。

2.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述压裂注水过程有限元模型包括物理模型，所述物理模型包括：

根据注入所述生产井和所述注汽井内的压力以及地应力得到井壁区域的张性扩容、张性微裂缝以及强烈剪胀。

3.根据权利要求2所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，根据地应力测试数据、小型压裂数据及Kaiser声发射数据得到所述地应力。

4.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述压裂注水过程有限元模型包括力学模型，所述力学模型采用Drucker-Prager力学本构模型。

5.根据权利要求4所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述力学模型参数包括不同井组和不同储层类型下的弹性参数、塑性参数、硬化或软化性状参数以及物性参数。

6.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述压裂注水过程有限元模型包括渗透率模型，所述渗透率模型采用Kozeny-Poiseuille渗透率模型。

7.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述钻完井的地质参数包括：储层类型、水平长度、储层渗透率、孔隙度、渗流各向异性、储层厚度、P井距底部距离、夹层位置、夹层渗透率、注液温度、储层埋深、杨氏模量以及泊松比。

8.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述步骤a的所述钻完井的地质参数包括井眼直径、筛管外径、筛管内径、筛管弹性模量以及套管泊松比。

9.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，在步骤b中包括压裂注压过程，所述生产井和所述注汽井的施工参数在所述压裂注压过程中获得，所述压裂注压过程依次包括以下步骤：重力加载—钻井过程—第一次提压—第一次稳压—第二次提压—第二次稳压—卸压—第三次稳压。

10.根据权利要求9所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述重力加载包括使储层地质处于沉积状态，钻井过程模拟实际钻井过程的井眼周围储层的地应力变化，所述第二次稳压步骤包括判断所述注汽井和所述生产井是否处于建立水力连通的测试阶段。

11.根据权利要求1所述的水力波及半径的获得方法，其特征在于，所述施工参数包括注压时间以及所述注汽井和所述生产井的注入压力。