CN108952660B - 一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，包括以下步骤：根据油藏地质研究取得已有裂缝目标注水井的油藏地质特征参数；综合达西滤失模型、连续性方程、物质平衡方程以及初始条件建立注水井水压驱动水力裂缝扩展模型；基于渗流力学理论的油水两相渗流模型将滤失进入地层的流体量作为源项，结合裂缝中流体压力建立的边界条件，建立流体与岩石之间的孔弹性变形关系，即流‑固耦合模型，计算地层孔隙压力并得到流体压力变化引起的应变及孔渗变化；再求得流‑固耦合作用后的裂缝延伸动态，再把求得的新参数作为初始条件重复，最后得到裂缝延伸动态。本发明根据施工及地质参数可预测注水井中裂缝的动态延伸情况以及储层中参数的动态变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，属于油气田开发技术领域。
背景技术
陆上大多油气区地层的非均质性严重，储层固结强度高，致密，到生产后期大多存在注水井底污染严重、地层能量亏空的现象，所以注水井井底注入压力抬升快，注入量难达到配注要求。为了解决这些问题，一般是较大排量注入水，在井底憋压，当井底压力超过地层破裂压力后，压开近井地层，穿透污染带，再以油田开采要求的配注连续或间断性注入。该过程既能够满足开发要求的配注量，同时又能使井底注入压力稳定保持在较低的位置。但在配注时，储层中裂缝是否延伸，其延伸机理是什么，目前国内学者尚未给出合理科学的研究方法。
目前国内外对于水力裂缝延伸的研究主要是针对于陆地上的生产压裂井(OuchiH,KatiyarA,Foster J T,et al.A Peridynamics Model for the Propagation ofHydralic Fractures in Heterogeneous,Naturally Fractured Reservoirs[R].SPE173361,2015；罗天雨,赵金洲.水力压裂横向多裂缝扩展模型[J].天然气工业,2007,27(10):75-78；CN105114065A)。而陆地上的储层条件一般较差，主要表现在渗透率较低、孔隙度较小以及非均质性强等，并且在陆地上进行水力压裂作业，整个过程时间较短，排量较大，其目的是形成一条水力裂缝，增加裂缝导流能力达到增产的作用(李理,桑晓彤,陈霞飞.低渗透储层裂缝研究现状及进展[J].地球物理学进展,2017,32(6):2472-2484；张旭.页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究.石油钻探技术,2013(02):7U-74.)。
而注水井水压驱动裂缝扩展的特征是：第一，针对的目标储层特殊，开采后期注水井目标储层含水饱和度相对较高，含油饱和度都较低。这与生产井的压裂实际地质情况差异很大(彭太祥，石建设，顾文滨，等.注水井双层同步测调一体化技术[J].大庆石油地质与开发,2018,37(1):94-97.张琪.注水井暂堵酸化技术研究[D].黑龙江：东北石油大学，2017)；第二，注水井水压力驱动分为两个过程，包括井底憋压过程与后期注入过程，井底憋压过程很短但相对于生产井大排量压裂时间又更长，当井底压力超过地层破裂压力后地层岩石起裂并达到穿过污染带，而注入过程则是一个小排量缓慢注入过程，一般基于油田开发要求在10年以上；第三，陆上生产井压裂过程由于时间短，所以压裂过程中的流固耦合作用影响一般较小，但是在注水井的较长时间注入过程中，流固耦合作用的效果则非常明显。
迄今为止，尚未见到针对于注水井注水压力驱动裂缝扩展模拟研究。而国内陆地上大多数油田都进入到中后期，地层压力抬升快、配注量不够等问题相继出现。所以采用注水憋压起裂技术是势在必行的趋势。为了能够准确预测、分析注入过程中的裂缝起裂及裂缝扩展过程，有必要找到一种适应该地质条件的数学模拟方法，填补油田开发技术研究在这一方面的空白。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，该方法考虑了注水过程中井底憋压起裂过程、注入水诱导储层岩石变形作用以及孔隙压力增加对岩石骨架的挤压作用，基于弹性力学、渗流力学、数值模拟原理以及流固耦合理论等建立了适用于开采后期注水井注水过程裂缝延伸扩展流固耦合数学模拟模型，利用该模型，根据施工及地质参数可预测裂缝的动态延伸情况以及储层中参数的动态变化情况，该方法的提出填补了现有研究理论技术的空白。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，包括以下步骤：
(1)根据油藏地质研究取得已有裂缝目标注水井的油藏地质特征参数，确定初始条件和边界条件；
(2)基于上述油藏地质特征参数，综合达西滤失模型、连续性方程、物质平衡方程以及初始条件建立注水井水压驱动水力裂缝扩展模型，并求得裂缝扩展过程中的滤失项及边界压力传导项；
(3)基于渗流力学理论的油水两相渗流模型将滤失进入地层的流体量作为源项，结合裂缝中流体压力建立的边界条件，模拟计算出储层中孔隙压力动态变化；
(4)综合弹性力学理论和前述渗流力学理论，建立流体与岩石之间的孔弹性变形关系，即流-固耦合模型，代入步骤(3)计算地层孔隙压力并得到流体压力变化引起的应变及孔渗变化；
(5)把步骤(4)中计算的结果代入步骤(2)、(3)，可得到变化后的孔隙压力，变化后的孔隙压力反作用到达西滤失模型，再通过步骤(2)可求得流-固耦合作用后的裂缝延伸动态，
(6)再把求得的新参数作为初始条件重复步骤(2)-(5)，最后得到裂缝延伸动态。
进一步的技术方案是，所述步骤(1)中的油藏地质特征参数基于油藏工程研究结果确定，注入速度按注采平衡关系确定，其油藏地质特征参数包括渗透率、孔隙度、水饱和度、地层压力、地层岩石力学参数。
进一步的技术方案是，所述步骤(2)的具体过程为：根据油藏地质特征参数，通过下式可计算得到裂缝中流体压力Pf分布、裂缝长度Lf、裂缝宽度W以及滤失到储层的流体量qf：
式中：
W为裂缝宽度，m；
μ为注入流体粘度，mPa·s；
σn为最小水平主应力，MPa；
K为裂缝壁面渗透率，μm2；
H为储层高度，m；
Pr为距离裂缝最近网格处孔隙压力，MPa；
Q0为注入速率，m3/d；
t为施工的时间，d；
x为模型的横坐标，m；
F为滤失速度，m/d。
进一步的技术方案是，所述步骤(3)的具体过程为：基于步骤(2)得到的流体压力Pf、裂缝长度Lf、滤失到储层的流体量qf、代入初始渗透率、初始孔隙度、初始孔隙压力以及初始油水饱和度到油水两相的渗流模型中就可以得到离散单元时间后的储层孔隙压力分布，其油水两相的渗流模型如下：
式中：
k为储层绝对渗透率，μm2；
kro为初始渗透率，μm2；
krw为油水相对渗透率，无量纲；
ρo为初始密度，kg/m3；
ρw为油水密度，kg/m3；
μo为初始粘度，mPa·s；
μw为油水的粘度，mPa·s；
So为初始饱和度；
Sw为油水的饱和度，无量纲。
进一步的技术方案是，所述步骤(3)中求解储层孔隙压力时，把裂缝内流体压力分布作为储层孔隙压力计算的边界条件，即：
Pr|Γ＝Pf
式中：Γ为储层边界。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)的具体过程为：把步骤(3)计算的孔隙压力代入固体变形方程中得到压力引起的应变；把求得压力应变代入耦合方程，可以得到耦合后的孔隙度、渗透率，其固体变形方程：
式中：
u为岩石骨架沿x轴方向的位移，m；
v为岩石骨架沿y轴方向的位移，m；
λ为拉梅常数；
G为岩石的剪切模量，MPa；
εv为岩石骨架的形变，无量纲；
x为模型的横坐标，m；
y为模型的纵坐标，m；
其流-固耦合孔隙度模型：
式中：
φ0为初始储层孔隙度，无量纲；
T0为初始储层温度，℃；
γ为热膨胀系数，1/℃；
流-固耦合渗透率模型：
式中：
k0为初始储层渗透率，μm2。
发明的有益效果是具有以下优点：使用该方法可以模拟及预测油田开发后期特殊地质条件下(高孔高渗等)微压裂增注过程中裂缝扩展的动态情况，通过达西滤失模型建立了裂缝延伸与储层之间的动态耦合，同时还考虑了长期增注过程中冷流体对储层岩石的冷却效应以及孔弹性作用，最后利用热-流-固耦合模型进行了整体模型的建立，又基于增注速度小，裂缝延伸慢的特点采用两套网格进行离散求解。该发明适用于海上高孔高渗低弹性模量的特殊地质环境储层，同时也适用于微压裂后低排量增注的作业过程，填补了针对于海上特殊地质情况增注过程中裂缝扩展数值模拟的研究空白，为海上微压裂增注施工以及安全评估提供了一种可靠的分析研究方法。
附图说明
图1为本发明的模拟原理图；
图2为本发明的计算流程图；
图3为实施例1中裂缝内流体压力分布图；
图4为实施例1中储层孔隙压力分布图；
图5为实施例中不同渗透率下裂缝长度随时间的变换关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
本发明的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，包括以下步骤：
(1)获取开采后期注水井目标储层的渗透率、孔隙度、水饱和度、地层压力、地层岩石力学参数等油藏地质特征参数；
(2)基于上述油藏地质特征参数，综合达西滤失模型、连续性方程、物质平衡方程以及初始条件建立注水井水压驱动水力裂缝扩展模型，该模型中的主要传递变量为裂缝中流体压力、滤失进入储层的流体量；
(3)基于渗流力学，结合裂缝中流体压力建立的边界条件以及把滤失的流体量作为源项，通过油水两相渗流模型，计算出储层中动态变化的孔隙压力；
(4)基于弹性力学、渗流力学，建立流体与岩石之间的孔弹性变形关系，即流固耦合模型，代入步骤(3)计算的孔隙压力可得到流体引起的应变；基于流固耦合理论，建立应变与孔隙度、渗透率的流固耦合模型，代入孔隙压力引起的应变，即可得到耦合变化后的渗透率、孔隙度；
(5)把步骤(4)中计算的结果代入步骤(2)、(3)，可得到变化后的孔隙压力，变化后的孔隙压力反作用到达西滤失模型，再通过步骤(2)可求得三场耦合作用后的裂缝延伸动态。
在本发明中，所述步骤(1)中有现场测得的地质数据通过实验的办法获取储层原始的渗透率、孔隙度、弹性模量以及最小水平主应力的大小。
在本发明中，步骤(2)基于步骤(1)的基本参数，再通过以下步骤求得裂缝扩展过程中的滤失项及边界压力传导项：
根据实验获得的岩石弹性模量、储层孔隙度、渗透率等参数，通过下面两式可计算得到裂缝中流体压力Pf分布、裂缝长度Lf、裂缝宽度W以及滤失到储层的流体量qf：
式中：
μ为注入流体粘度，mPa·s；
σn为最小水平主应力，MPa；
K为裂缝壁面渗透率，μm2；
H为储层高度，m；
Pr为距离裂缝最近网格处孔隙压力，MPa。
式中：
Q0为注入速率，m3/d；
F为滤失速度，m/d，其中
在本发明中步骤(3)中，基于步骤(2)得到的Pf、Lf、qf，代入初始渗透率、初始孔隙度、初始孔隙压力以及初始油水饱和度到油水两相的渗流模型中就可以得到离散单元时间后的储层孔隙压力分布。
代入上述参数到油水两相模型，可得到此时刻孔隙压力：
在本发明中，基于步骤(4)建立的流-固耦合应变模型以及通过渗透率、孔隙度流-固耦合模型求得的新的孔隙度、渗透率，结合步骤(3)的孔隙压力结果，步骤(5)可以进行。
在本步骤中，由于考虑了注水井注水过程中孔隙流体压力对岩石骨架的孔弹性影响，建立了两场耦合孔隙度、渗透率模型，该步骤中通过方程(3)、(4)、(5)、(6)可以求得孔隙压力引起的应变εv、此时刻的孔隙度φ、渗透率k：
式中：
u、v为岩石骨架沿x、y轴方向的位移，m；
λ为拉梅常数；
G为岩石的剪切模量，MPa。
可求得此时刻的孔隙度：
式中：
φ0为初始储层孔隙度，无量纲；
T0为初始储层温度，℃；
γ为为热膨胀系数，1/℃；
可以得到此时刻的储层渗透率：
式中：
k0为初始储层渗透率，μm2。
在本发明中，步骤(5)是把耦合作用后计算出来的所有参数循环代入步骤(2)、(3)中，计算出新的储层孔隙流体压力，新的孔隙压力会对使用达西定律控制的滤失模型造成影响，从而影响裂缝内流体压力分布、裂缝长度、宽度等。
实施例1
通过现场测井，获取了某开发后期注水井的地质资料，该井注入点对应的目标储层地质特征属于该区域的典型特征，具有代表性，即固结强度高、致密。
模拟计算路线如图2，具体的模拟方法步骤如下：
1、通过现场测井获取该储层的地质参数：岩石泊松比0.1，井的垂深1600m，油藏厚度40m，地层初始渗透率0.5mD，初始孔隙度10％，原始地层压力15MPa，弹性模量100000MPa，最小地应力27MPa，原油压缩系数8.9×10-4MPa-1，岩石压缩系数5.4×10-4MPa-1，地层水压缩系数4.0×10-4MPa-1，地层水粘度1.15mPa.s，地层原油粘度5.1mPa.s，地层水密度1.05kg/m3，地层原油密度0.87kg/m3，初始含水饱和度0.5，束缚水饱和度0.12。
2、使用有限差分方法对式(1)、(2)进行离散差分，再把上述地质参数以及施工参数代入到式(1)与式(2)，联立两式迭代计算当满足精度要求后停止计算，可得到该时刻裂缝内流体压力的分布(如图(3))以及裂缝在该段时间内扩展的长度0.013m。
3、使用隐式压力显示饱和方法对式(3)进行五点离散差分，把求得的流体压力分布作为式(3)求解的边界条件，则可求得该时刻储层孔隙压力分布，如图(4)。
4、然后把求得的孔隙压力分布代入式(4)，同样进行差分离散，可得到孔隙流体压力引起的岩石体应变。
5、最后把压力导致的应变代入式(5)、式(6)，则可以得到孔隙压力引起岩石变形后的孔隙度、渗透率分布；再把求得的新参数作为初始条件代入循环的起始步骤(2)，直到模拟时间结束，得到裂缝的几何参数，图(5)。
按照本发明所述模拟步骤，可以获得开发后期注水井注入过程中裂缝起裂情况及裂缝的几何参数。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据油藏地质研究取得已有裂缝目标注水井的油藏地质特征参数，确定初始条件和边界条件；
(2)基于上述油藏地质特征参数，综合达西滤失模型、连续性方程、物质平衡方程以及初始条件建立注水井水压驱动水力裂缝扩展模型，并求得裂缝扩展过程中的滤失项及边界压力传导项；
(3)基于渗流力学理论的油水两相渗流模型将滤失进入地层的流体量作为源项，结合裂缝中流体压力建立的边界条件，模拟计算出储层中孔隙压力动态变化；
(4)综合弹性力学理论和前述渗流力学理论，建立流体与岩石之间的孔弹性变形关系，即流-固耦合模型，代入步骤(3)计算地层孔隙压力并得到流体压力变化引起的应变及孔渗变化；
(5)把步骤(4)中计算的结果代入步骤(2)、(3)，可得到变化后的孔隙压力，变化后的孔隙压力反作用到达西滤失模型，再通过步骤(2)可求得流-固耦合作用后的裂缝延伸动态，
(6)再把求得的新参数作为初始条件重复步骤(2)-(5)，最后得到裂缝延伸动态。
2.根据权利要求1所述的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的油藏地质特征参数基于油藏工程研究结果确定，注入速度按注采平衡关系确定，其油藏地质特征参数包括渗透率、孔隙度、水饱和度、地层压力、地层岩石力学参数。
3.根据权利要求2所述的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程为：根据油藏地质特征参数，通过下式可计算得到裂缝中流体压力Pf分布、裂缝长度Lf、裂缝宽度W以及滤失到储层的流体量qf：
式中：
W为裂缝宽度，m；
μ为注入流体粘度，mPa·s；
σn为最小水平主应力，MPa；
K为裂缝壁面渗透率，μm2；
t为施工的时间，d；
x为模型的横坐标，m；
H为储层高度，m；
Pr为距离裂缝最近网格处孔隙压力，MPa；
Q0为注入速率，m3/d；
F为滤失速度，m/d。
4.根据权利要求1所述的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程为：基于步骤(2)得到的流体压力Pf、裂缝长度Lf、滤失到储层的流体量qf、代入初始渗透率、初始孔隙度、初始孔隙压力以及初始油水饱和度到油水两相的渗流模型中就可以得到离散单元时间后的储层孔隙压力分布，其油水两相的渗流模型如下：
式中：
k为储层绝对渗透率，μm2；
kro为初始渗透率，μm2；
krw为油水相对渗透率，无量纲；
ρo为初始密度，kg/m3；
ρw为油水密度，kg/m3；
μo为初始粘度，mPa·s；
μw为油水的粘度，mPa·s；
So为初始饱和度；
Sw为油水的饱和度，无量纲；
φ为孔隙度，无量纲；
t为施工的时间，d。
5.根据权利要求4所述的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，所述步骤(3)中求解储层孔隙压力时，把裂缝内流体压力分布作为储层孔隙压力计算的边界条件，即：
Pr|Γ＝Pf
式中：Γ为储层边界。
6.根据权利要求5所述的一种模拟注水井水压驱动裂缝延伸动态的方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体过程为：把步骤(3)计算的孔隙压力代入固体变形方程中得到压力引起的应变；把求得压力应变代入耦合方程，可以得到耦合后的孔隙度、渗透率，其固体变形方程：
式中：
u为岩石骨架沿x轴方向的位移，m；
v为岩石骨架沿y轴方向的位移，m；
λ为拉梅常数；
G为岩石的剪切模量，MPa；
εv为岩石骨架的形变，无量纲；
x为模型的横坐标，m；
y为模型的纵坐标，m；
其流-固耦合孔隙度模型：
式中：
φ0为初始储层孔隙度，无量纲；
T0为初始储层温度，℃；
γ为热膨胀系数，1/℃；
流-固耦合渗透率模型：
式中：
k0为初始储层渗透率，μm2。
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