CN108416160A - 一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，首先选取影响脉冲纤维加砂压裂参数并进行参数取值范围限定，对某一参数进行对照试验设计，获取支撑剂团块在裂缝中的铺置形态；获取该参数的不同取值对应的支撑剂团块类型与平均尺寸参数；获取支撑剂团块区域的渗透率K与孔隙度φ；在相关软件中分别输入支撑团块类型、平均尺寸参数以及渗透率K、孔隙度φ，进行支撑裂缝导流能力计算，获取最优铺置结构，该结构所对应的参数取值即为最佳取值；用同样方法对其他参数进行优化，直到优化出所有参数的最佳取值。本发明原理可靠，操作简便，通过参数优化设计出形成最佳导流能力的缝内支撑剂团块铺置结构，大幅提高水力压裂增产改造后的油气井产能。

Description

一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法

技术领域

本发明涉及石油工程领域脉冲纤维加砂压裂中一种参数优化的方法，以优化人工裂缝中的支撑剂团块铺置而使其形成更大的导流能力，提高压裂增产效果。

背景技术

随着油气勘探开发不断的深入发展，非常规油气资源展现出其巨大的勘探及开发潜力。我国具有丰富的非常规油气资源，其中致密气可采资源量为8.8×10¹²～12.1×10¹²m³，页岩气可采资源量为15×10¹²～25×10¹²m³，煤层气可采资源量为10.9×10¹²m³，致密油可采资源量为13×10⁸～14×10⁸t，可回收页岩油资源量为160×10⁸t(贾承造，郑民，张永峰，中国非常规油气资源与勘探开发前景[J]，石油勘探与开发，2012,39(2)：129-136)。而水力压裂技术是有效开发非常规油气资源的关键技术之一。

传统水力压裂技术将高压流体注入井底产生高压使地层产生裂缝，并继续注入压裂液使水力裂缝延伸，随后连续注入带有支撑剂的压裂液(携砂液)，使裂缝继续延伸并形成有效支撑，利用裂缝的高导流能力来提高油气井产能。但传统水力压裂存在有效缝长短、易受到压裂液的污染等问题导致增产改造后裂缝导流能力下降快，影响油气井产能。脉冲纤维加砂压裂技术是在传统水力压裂基础上提出的一种全新压裂技术，其利用脉冲泵注技术、纤维压裂液技术以及非均匀射孔技术等，使支撑剂在裂缝中形成团块铺置，使缝内支撑剂不连续支撑而形成高速通道网络。这种做法将支撑剂充填层的负载任务与提供流动路径的任务分隔开来，裂缝在闭合时将由支撑剂团块进行支撑，而流体主要通过支撑剂团块之间的无障碍流动通道进行高速流动。由于流体在裂缝中的流动主要为无障碍通道流，其导流能力比最佳的常规铺置支撑裂缝还要高出几个数量级。

脉冲纤维加砂压裂技术的关键是支撑剂团块在人工裂缝中有效分散并支撑裂缝，形成缝内有效的团块铺置，从而在裂缝中形成有高导流能力的无障碍油气流动通道。若参数设置不当，缝内支撑剂团块将铺置稀疏，裂缝中的无支撑剂充填部分则会闭合而极大的影响其导流能力；若支撑剂团块在裂缝中铺置过密，则裂缝中不能形成有效的无障碍流动通道而导致裂缝导流能力增长有限。因此，脉冲纤维加砂压裂技术的参数优化中的关键是设计出最佳导流能力的支撑剂团块铺置结构。

目前，脉冲纤维加砂压裂技术在各大致密油气田均实现了广泛的应用，但针对脉冲纤维加砂压裂技术的理论研究还处于起步阶段，没有针对脉冲纤维加砂压裂参数的具体优化方法，现场施工参数设定多凭工程师的经验而缺乏理论依据，导致该技术在低渗油气田应用时增产效果差异较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，该方法原理可靠，操作简便，通过脉冲纤维加砂压裂技术的参数优化以设计出能形成最佳导流能力的缝内支撑剂团块铺置结构，可大幅提高水力压裂增产改造后的油气井产能，具有广阔的市场应用前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明首先选取影响脉冲纤维加砂压裂参数并进行参数取值范围限定，在其他参数取一定值的情况下，对某一参数进行对照试验设计，并进行可视化的脉冲纤维加砂压裂泵注模拟对照实验，利用高速摄像机拍摄并获取支撑剂团块在裂缝中的铺置形态；对获取的缝内支撑剂团块铺置形态分别进行单支撑剂团块形状参数和尺寸参数的定量化统计，获取该参数的不同取值条件下所对应的支撑剂团块类型与平均尺寸参数；进行标准API导流能力试验以及经验公式拟合，获取支撑剂团块区域的渗透率K与孔隙度φ；在相关软件中分别输入支撑团块类型、平均尺寸参数以及渗透率K、孔隙度φ，进行支撑裂缝导流能力计算，获取最优铺置结构，该结构所对应的参数取值即为最佳取值。用同样方法对其他参数进行优化，直到优化出所有参数的最佳取值。

一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，依次包括下列步骤：

(1)首先选定支撑剂类型和粒径，然后选取影响脉冲纤维加砂压裂参数并进行参数取值范围限定，所述参数包括：压裂液稠化剂加量(决定压裂液基液粘度)、压裂液交联比(决定冻胶压裂液的交联性能)、支撑剂浓度、支撑剂密度、纤维长度、纤维浓度、现场施工排量、脉冲时间、射孔簇数。选择其中某一参数设为参数A，在其他参数取一定值(在参数取值范围内)的情况下，对参数A在其限定的取值范围内，分别取不同的数值，进行脉冲纤维加砂压裂模拟实验，获取该参数不同取值下支撑剂团块在裂缝中形成的团块铺置形态的录像。

所述影响脉冲纤维加砂压裂参数取值范围限定，是根据现场施工实际及理论分析(罗英俊,万仁溥.采油技术手册[M].石油工业出版社,2005)得到的，取值范围如表1所示。

表1影响脉冲纤维加砂压裂参数及其限定取值范围

参数名称	参数选取范围
		压裂液稠化剂加量	0.2％-0.6％
压裂液交联比	0.1％-0.3％
		支撑剂浓度(砂比)	10％-30％
支撑剂密度(视密度)	1g/cm3-1.96g/cm3
		纤维长度	3mm-9mm
纤维浓度	0.1％-0.4％
		现场施工排量	3m3/min-6m3/min
脉冲时间	15s-120s
		射孔簇数	3-12簇

实验中还需要将某些参数进行工程尺度与实验尺度的转化，利用流量相似原理，将现场施工排量v_f转化为室内实验排量v_e：

式中v_e—室内实验排量，L/min；

v_f—现场施工排量(m³/min)；

h_f—真实地层人工裂缝高度(m)；

w_f—真实地层人工裂缝宽度(mm)；

h_e—室内实验平板高度(m)；

w_e—室内实验平板间宽度(mm)。

所述脉冲纤维加砂压裂模拟实验过程如下：

①在液罐一中配置含纤维、支撑剂的携砂液；

②在液罐二中配置含纤维的中顶液；

③打开液罐二阀门，以15L/min的排量将中顶液注入到两块平板之间形成的模拟裂缝中，模拟施工过程中的前置液阶段；

④待中顶液充满平板后，设定一定的时间间隔和实验排量(不限定为15L/min)，交替打开和关闭液罐一与液罐二的阀门，使液罐一中的携砂液和液罐二中的中顶液交替注入到平板中，模拟脉冲注入过程，该时间为脉冲时间；

⑤利用摄像机拍摄并获取支撑剂在平板中的运移铺置形态录像。

(2)对步骤(1)所获取的参数A不同取值所对应的支撑剂团块运移铺置形态录像进行图像截取，对图像中的支撑剂团块进行定量化统计，得到参数A不同取值下的支撑剂团块类型与团块平均尺寸参数，过程如下：

①对所获取的支撑剂团块运移铺置形态的录像进行图像截取，在泵送稳定后(中顶液完全充满平板)，每隔半个脉冲时间截取一幅支撑剂运移铺置图像，一组实验所对应的截取图片数为：

式中M—一组实验所截取的支撑剂铺置形态图片数，幅；

T—总泵送时间(以中顶液完全充满平板开始计时)，s；

Δt—脉冲时间，s。

②对每一幅截取图像进行二值化处理，改变阀值直到能够有效区分支撑剂团块铺置区域以及非铺置区域；利用图像处理技术，对铺置区域的单支撑剂团块沿其边缘进行勾勒截取，得到a_j个独立支撑剂团块；一组实验所获取的支撑剂团块总个数为：

式中a_j—第j幅截图获得的独立支撑剂团块数，j＝1,2,3……M；

N—一组实验所获取的独立支撑剂团块总数。

③对每一块支撑剂团块进行形状参数统计，获取独立支撑剂团块的平均圆度(A_C)、平均椭圆长宽比(A_AR)：

式中：A_C—平均圆度(Average Circularity)；

C_i—第i个支撑剂团块的圆度，i＝1,2,3……N；

A_AR—平均椭圆长宽比(Average Aspect Ratio)；

AR_i—第i个支撑剂团块的长宽比，i＝1,2,3……N。

定义不同的支撑剂团块类型：

当支撑剂团块A_C≥0.8且A_AR≤1.2时，设定该支撑剂团块类型为圆形；

当A_C<0.8或A_AR>1.2时，设定该支撑剂团块类型为椭圆形。

④对每一块支撑剂团块进行大小统计，获取单支撑剂团块实际面积A_p。该尺寸信息由像素点表征，可通过相似原理将支撑剂团块像素点面积转化为实际面积，即：

式中：A_p—单支撑剂团块实际面积，cm³；

N_p—单支撑剂团块像素点面积；

A_d—平板实际面积，cm³；

N_d—平板像素点面积。

通过单支撑剂团块实际面积，得到支撑剂团块平均尺寸参数：

当支撑剂团块类型为圆形，其支撑剂团块平均尺寸参数由圆的平均半径A_SCR进行表征：

式中：A_SCR—圆形支撑剂团块平均半径，cm；

R_i—第i个圆形支撑剂团块的半径，cm(i＝1,2,3……N)。

当支撑剂团块类型为椭圆形，其支撑剂团块平均尺寸参数由椭圆的平均长轴A_SEL和平均短轴A_SES进行表征：

式中：A_SEL—椭圆形支撑剂团块平均长轴，cm；

L_i—第i个椭圆形支撑剂团块的长轴，cm(i＝1,2,3……N)；

A_SES—椭圆形支撑剂团块平均短轴，cm；

S_i—第i个椭圆形支撑剂团块的短轴，cm(i＝1,2,3……N)。

(3)结合现场区块的闭合应力取值，获取支撑剂团块区域的孔隙度φ和渗透率K，其中渗透率K通过标准API导流能力试验得到，孔隙度φ通过下式得到：

φ＝φ₀e^-0.02171P (10)

式中φ—闭合应力下的孔隙度，％；

φ₀—初始孔隙度，取47.23％；

P—闭合应力，MPa。

(4)利用“脉冲纤维加砂压裂导流能力计算软件”(软件登记号2017SR044829)计算裂缝导流能力。首先输入相应的支撑剂团块类型(圆或椭圆)及支撑剂团块平均尺寸参数(A_SCR或A_SEL、A_SES)，生成对应的缝内支撑剂团块铺置结构；然后输入渗透率K与孔隙度φ，进行不同支撑剂团块铺置结构下的裂缝导流能力计算。选取导流能力最大的支撑剂团块铺置结构为最佳铺置结构，其所对应的参数取值即为参数A的最佳取值。

(5)重复步骤(1)—(4)，在所述参数中选取下一个参数进行优化，同理得到该参数的最佳取值，已优化的参数按最佳取值进行设定，最终获取所有参数的最佳取值。

对获取的最佳室内实验排量需经过换算得到最佳现场施工排量。而对于除排量以外的参数优化结果，实验参数可直接对应到具体的施工参数。

所述步骤(1)支撑剂类型为陶粒或石英砂，支撑剂粒径为20/40目、30/50目或40/70目。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结合大型可视化平板实验、支撑剂团块定量化统计方法以及导流能力计算等，建立了一套脉冲纤维加砂压裂参数优化方法，能够有效地将实验室评价结果与现场实际生产结合，指导现场工程师施工参数设定，具有较大的推广前景。

附图说明

图1是不同纤维浓度所对应的支撑剂团块铺置图像。

图2是不同纤维浓度下的裂缝导流能力计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

需要说明的是，以下实施例旨在对本发明做出说明和解释，但并不限定本发明的保护范围。

首先选取纤维浓度进行优化，纤维加入浓度分别选取为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％，具体过程如下：

(1)根据某致密气田具体施工参数为基础，选取支撑剂类型为石英砂，支撑剂目数为30/50目，设置以下参数，如表2所示。

表2选定实验参数表

参数名称	选定参数
		压裂液稠化剂加量	0.35％
压裂液交联比	0.25％
		支撑剂浓度(砂比)	20％
支撑剂密度(视密度)	1.76g/cm3
		纤维长度	6mm
纤维浓度	0.1％，0.2％，0.3％，0.4％
		现场施工排量	4m3/min
脉冲时间	20s
		射孔簇数	3簇

该致密气田区块现场施工排量为4m³/min左右，真实地层人工裂缝高度在50m左右，真实地层人工裂缝宽度在10mm左右，而室内实验平板高度为0.6m、室内实验平板间宽度为6mm，利用相似原理将现场施工泵注排量转化为实验室泵注排量为10L/min。变化纤维加入浓度，进行脉冲纤维加砂压裂模拟实验。通过对可视化平板进行拍摄，获取不同纤维浓度下支撑剂在裂缝中的铺置形态(图1)。

(2)进行支撑剂团块定量化统计。统计相关参数如表3所示。

表3不同纤维浓度下平均团块面积及平均尺寸参数

(3)获取不同纤维浓度下支撑剂团块区域的渗透率和孔隙度，结果如表4所示。

表4不同纤维浓度下支撑剂团块渗透率和孔隙度

某致密气田的裂缝闭合应力约为55个MPa，根据该压力值在表4中选取不同纤维浓度下所对应的渗透率K与孔隙度φ。

(4)针对步骤(2)所获取的不同平均尺寸参数，在软件中输入相应的支撑剂团块类型(圆或椭圆)以及统计得到的支撑剂团块平均尺寸参数(A_SCR或A_SEL、A_SES)，从而生成对应的支撑剂缝内几何铺置结构模型；然后输入渗透率K与孔隙度φ，计算不同纤维浓度下所产生的支撑裂缝导流能力，计算结果如图2所示。

由图中可以看出，纤维浓度为0.3％时形成的支撑裂缝导流能力最大，在其他参数设定的前提下，脉冲纤维加砂压裂最优纤维加量为0.3％。

(5)重复步骤(1)-(4)，获取下一个参数的最佳取值，最终获取所有参数的最佳取值，从而实现对于该致密气田脉冲纤维加砂压裂施工的参数优化。

Claims (7)

1.一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，依次包括下列步骤：

(1)选定支撑剂类型和粒径，选取影响脉冲纤维加砂压裂参数并进行参数取值范围限定，所述参数包括：压裂液稠化剂加量、压裂液交联比、支撑剂浓度、支撑剂密度、纤维长度、纤维浓度、现场施工排量、脉冲时间、射孔簇数；选择其中某一参数设为参数A，在其他参数取一定值的情况下，对参数A在其限定的取值范围内，分别取不同的数值，进行脉冲纤维加砂压裂模拟实验，获取该参数不同取值下支撑剂团块在裂缝中形成的团块铺置形态录像；

(2)对步骤(1)所获取的参数A不同取值所对应的支撑剂团块铺置形态录像进行图像截取，对图像中的支撑剂团块进行定量化统计，得到参数A不同取值下的支撑剂团块类型与团块平均尺寸参数；

(3)结合现场区块的闭合应力取值，获取支撑剂团块区域的孔隙度φ和渗透率K；

(4)利用“脉冲纤维加砂压裂导流能力计算软件”，输入相应的支撑剂团块类型及支撑剂团块平均尺寸参数，生成对应的缝内支撑剂团块铺置结构；然后输入渗透率K与孔隙度φ，进行不同支撑剂团块铺置结构下的裂缝导流能力计算，选取导流能力最大的支撑剂团块铺置结构为最佳铺置结构，其所对应的参数取值即为参数A的最佳取值；

(5)重复步骤(1)—(4)，在所述参数中选取下一个参数进行优化，同理得到该参数的最佳取值，已优化的参数按最佳取值进行设定，最终获取所有参数的最佳取值。

2.如权利要求1所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中影响脉冲纤维加砂压裂参数取值范围限定，是根据现场施工实际及理论分析得到的，实验中还需要将现场施工排量v_f转化为室内实验排量v_e：

式中v_e—室内实验排量，L/min；

v_f—现场施工排量(m³/min)；

h_f—真实地层人工裂缝高度(m)；

w_f—真实地层人工裂缝宽度(mm)；

h_e—室内实验平板高度(m)；

w_e—室内实验平板间宽度(mm)。

3.如权利要求1所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中脉冲纤维加砂压裂模拟实验过程如下：

①在液罐一中配置含纤维、支撑剂的携砂液；

②在液罐二中配置含纤维的中顶液；

③打开液罐二阀门，以15L/min的排量将中顶液注入到两块平板之间形成的模拟裂缝中，模拟施工过程中的前置液阶段；

④待中顶液充满平板后，设定一定的时间间隔和实验排量，交替打开和关闭液罐一与液罐二的阀门，使液罐一中的携砂液和液罐二中的中顶液交替注入到平板中，模拟脉冲注入过程，该时间为脉冲时间；

⑤利用摄像机拍摄并获取支撑剂在平板中的运移铺置形态录像。

4.如权利要求1所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中支撑剂类型为陶粒或石英砂，支撑剂粒径为20/40目、30/50目或40/70目。

5.如权利要求1所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，所述步骤(2)中对步骤(1)所获取的参数A不同取值所对应的支撑剂团块铺置形态录像进行图像截取，对图像中的支撑剂团块进行定量化统计，得到参数A不同取值下的支撑剂团块类型与团块平均尺寸参数，过程如下：

①泵送稳定后，每隔半个脉冲时间截取一幅支撑剂运移铺置图像，一组实验所对应的截取图片数为：

式中M—一组实验所截取的支撑剂铺置形态图片数，幅；

T—总泵送时间，s；

Δt—脉冲时间，s；

②对铺置区域的单支撑剂团块沿其边缘进行勾勒截取，得到a_j个独立支撑剂团块，一组实验所获取的支撑剂团块总个数为：

式中a_j—第j幅截图获得的独立支撑剂团块数，j＝1,2,3……M；

N—一组实验所获取的独立支撑剂团块总数；

③对每一块支撑剂团块进行形状参数统计，获取独立支撑剂团块的平均圆度A_C、平均椭圆长宽比A_AR：

式中C_i—第i个支撑剂团块的圆度，i＝1,2,3……N；

AR_i—第i个支撑剂团块的长宽比，i＝1,2,3……N；

当支撑剂团块A_C≥0.8且A_AR≤1.2时，设定该支撑剂团块类型为圆形；

当A_C<0.8或A_AR>1.2时，设定该支撑剂团块类型为椭圆形；

④对每一块支撑剂团块进行大小统计，获取单支撑剂团块实际面积A_p：

式中A_p—单支撑剂团块实际面积，cm³；

N_p—单支撑剂团块像素点面积；

A_d—平板实际面积，cm³；

N_d—平板像素点面积；

通过单支撑剂团块实际面积，得到支撑剂团块平均尺寸参数：

当支撑剂团块类型为圆形，其支撑剂团块平均尺寸参数由圆的平均半径A_SCR进行表征：

式中A_SCR—圆形支撑剂团块平均半径，cm；

R_i—第i个圆形支撑剂团块的半径，cm(i＝1,2,3……N)；

当支撑剂团块类型为椭圆形，其支撑剂团块平均尺寸参数由椭圆的平均长轴A_SEL和平均短轴A_SES进行表征：

式中A_SEL—椭圆形支撑剂团块平均长轴，cm；

L_i—第i个椭圆形支撑剂团块的长轴，cm(i＝1,2,3……N)；

A_SES—椭圆形支撑剂团块平均短轴，cm；

S_i—第i个椭圆形支撑剂团块的短轴，cm(i＝1,2,3……N)。

6.如权利要求1所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，所述步骤(3)结合现场区块的闭合应力取值，获取支撑剂团块区域的孔隙度φ和渗透率K，其中渗透率K通过标准API导流能力试验得到，孔隙度φ通过下式得到：

φ＝φ₀e^-0.02171P

式中φ₀—初始孔隙度，取47.23％；

P—闭合应力，MPa。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种优化脉冲纤维加砂压裂参数的方法，其特征在于，对获取的最佳室内实验排量需经过换算得到最佳现场施工排量。