CN111101913A - 基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法 - Google Patents

基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法 Download PDF

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孟庆民
陈勇
钱钦
曹功泽
苏权生
王昊
赵丽
张雪松
卢娜娜
杨峰
梁栋
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Abstract

本发明提供一种基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，该基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法包括:步骤1，建立砂砾岩离散元物理模型；步骤2，确定砂砾岩离散元模型参数；步骤3，不同模拟参数下裂缝穿砾过程裂缝形态分析；步骤4，不同模拟参数下裂缝穿砾过程压力分析；步骤5，建立砂砾岩储层压裂参数优化基本原则。该基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法从细观上描述了裂缝穿砾过程中裂缝形态及压力变化规律，为砂砾岩油藏压裂设计提供了重要理论基础，可有效提高砂砾岩油藏压裂成功率和有效率。

Description

基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气开发技术领域，特别是涉及到一种基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法。
背景技术
砂砾岩储层水力压裂裂缝扩展形态复杂。特别是当砂砾岩含砾高、砾石颗粒较大时，与正常砂岩岩体脆性破裂形态有显著区别。室内实验和数值模拟结果表明，砾石的存在增加了压裂裂缝扩展的复杂性，裂缝主要有止裂、偏转、穿透和吸附4种表现模式。室内试验能够得到直观的数据，但由于储层中砾石在含量、尺寸、性质和分布特征等方面的不确定性，试验结果一般离散性很大，有限数量的试验很难归纳出具有规律性的结论。
砂砾岩破裂过程数值模拟，可以采用有限单元法、离散元法等多种方法。通过数值模拟，可以反映出砂砾岩裂缝演化行为，如终止、分叉、绕砾、穿砾直至整体失稳的破裂过程，定量分析砾石含量和粒径对失稳压力的影响，但由于砾石分布的随机性，模拟结果的规律性不强。
为此我们发明了一种新的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以定量地分析裂缝穿砾后裂缝形态的变化、穿砾过程压力的变化的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，该基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法包括:步骤1，建立砂砾岩离散元物理模型；步骤2，确定砂砾岩离散元模型参数；步骤3，不同模拟参数下裂缝穿砾过程裂缝形态分析；步骤4，不同模拟参数下裂缝穿砾过程压力分析；步骤5，建立砂砾岩储层压裂参数优化基本原则。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，离散元物理模型包括建立墙体、产生颗粒、施加围压、生成井筒和建立初始平衡。
在步骤1中，选取区域作为研究模型，四周为墙体单元；根据地层砂的粒径和颗粒堆积方式产生地层颗粒；对试件施加初始应力，设置初始的摩擦系数，在去除边界墙体的情况下，设定边界应力条件，调整边界施加法向的速度，使得试件最终达到应力平衡；施加围压后，在试件中央移除一环形区域的颗粒，来模拟井筒；移除颗粒时，不考虑变形，否则会产生垮塌；生成井筒后，除井筒外域的压力均设为0，设置井筒域压力，此时进行变形分析直到达到平衡状；变形发生的时候，所有域内的流体压力设置为常数。
在步骤1中，产生颗粒包括颗粒粒径选择和颗粒堆积方式选择；颗粒粒径选择包括设置最大和最小颗粒直径；颗粒堆积模式包括六方最紧密堆积、正方堆积和随机堆积模式；模拟过程中，颗粒的堆积模式采用随机模式，更加真实的模拟地层颗粒状态。
在步骤2中，离散元模型参数包括离散元参数、颗粒细观参数和流体流动参数。
，在步骤2中，离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系设置；细观参数包括剪切模量、泊松比、砂岩摩擦系数、砾石的摩擦系数、初始应力状态摩擦系数、孔隙度和最大半径/最小半径；流体流动参数包括流体体积模量、渗透率/粘度、孔隙度和流动时间步长。
在步骤2中，离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系；流体与颗粒之间有两种作用方式，一种是单向耦合和全耦合，地层研究采用全耦合方法；颗粒之间有三种接触本构模型接触刚度模型、滑动模型和连接模型；接触刚度模型分为线性与Hertz-Mindlin模型，连接模型又分为接触连接与平行连接模型。
在步骤3中，不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度；根据地层主应力选择围压，对于砂砾岩储层，形成垂直裂缝，按照水平最大和最小主应力选择围压值；砾石的强度通过砾石的摩擦系数参数设置，摩擦系数越大，砾石强度越大；注入速度通过单位时间内注入的体积来设定。
在步骤3中，裂缝形态分析包括裂缝穿砾形态、裂缝延伸方向和裂缝宽度分析；在砂砾岩水力裂缝扩展过程中，当裂缝遇到砾石后，裂缝会止裂或者穿砾行为；裂缝止裂分为未穿砾石终止扩展和钉入砾石内部而终止扩展两种情况；裂缝穿砾分为钝化后穿砾扩展和直接穿砾扩展两种情况；在裂缝止裂和穿砾两种情况下，由于砾石的存在，裂缝延伸受到阻力，缝内压力增加，裂缝宽度会发生变化，产生新的裂缝；裂缝在穿砾过程中，裂缝的延伸方向会沿原方向延伸或者发生一定的偏转。
在步骤4中，不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度。
在步骤4中，压力分析包括对比无砾石和有砾石两种情况下压力的变化趋势；裂缝在遇到砾石后，裂缝形态发生变化，裂缝形态的变化会反映在井筒压力的变化，对比无砾石和有砾石的压力变化，从破裂压力大小、延伸压力大小及变化趋势这些方面进行比较。
在步骤5中，参数优化包括射孔优化和施工参数优化；射孔优化是优化射孔长度和射孔位置；施工参数优化是优化施工排量和加砂量。
本发明中的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，采用离散元的方法，通过建立二维离散元模型，对颗粒输入不同的细观参数来模拟砂岩和砾岩，施加不同的围压模拟地层实际的应力状况，考虑流固耦合的作用，观察裂缝穿过砾石时的裂缝形态和压力变化规律。该方法可以定量地分析裂缝穿砾后裂缝形态的变化、穿砾过程压力的变化，为设计优化和现场施工提供理论依据，可有效提高砂砾岩油藏压裂成功率和有效率。
附图说明
图1是本发明的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法的一具体实施例的流程图；
图2是本发明的一具体实施例中颗粒堆积模式图；
图3是本发明的一具体实施例中离散元物理模型图；
图4是本发明的一具体实施例中砾石添加示意图；
图5是本发明的一具体实施例中两种注入速度下裂缝形态图；
图6是本发明的一具体实施例中两种砾石强度下裂缝形态图1；
图7是本发明的一具体实施例中两种砾石强度下裂缝形态图2；
图8是本发明的一具体实施例中不同砾石强度下模拟井筒压力曲线图；
图9是本发明的一具体实施例中不同注入速度下模拟井筒压力曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法的流程图。
步骤1，建立砂砾岩离散元物理模型；
离散元物理模型包括建立墙体、产生颗粒、施加围压、生成井筒和建立初始平衡。选取区域作为研究模型，四周为墙体单元。根据地层砂的粒径和颗粒堆积方式产生地层颗粒。对试件施加初始应力，设置初始的摩擦系数，在去除边界墙体的情况下，设定边界应力条件，调整边界施加法向的速度，使得试件最终达到应力平衡。施加围压后，在试件中央移除一环形区域的颗粒，来模拟井筒。移除颗粒时，不考虑变形，否则会产生垮塌。生成井筒后，除井筒外域的压力均设为0，设置井筒域压力，此时进行变形分析直到达到平衡状态。变形发生的时候，所有域内的流体压力设置为常数。
产生颗粒包括颗粒粒径选择和颗粒堆积方式选择。地层粒径选择包括设置最大和最小颗粒直径。颗粒堆积模式常见的有六方最紧密堆积、正方堆积和随机堆积模式。图2为常见的颗粒堆积模式示意图，其中六方最紧密堆积、正方堆积是两种特殊的颗粒堆积模式，分别具有最小和最大的孔隙度，这两种模式一般用于简化模型，适合于理论公式推导。实际模拟过程中，颗粒的堆积模式采用随机模式，更加真实的模拟地层颗粒状态。
步骤2，确定砂砾岩离散元模型参数；
离散元模型参数包括离散元参数、颗粒细观参数和流体流动参数。离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系设置。细观参数包括剪切模量、泊松比、砂岩摩擦系数、砾石的摩擦系数、初始应力状态摩擦系数、孔隙度和最大半径/最小半径等。流体流动参数包括流体体积模量、渗透率/粘度、孔隙度和流动时间步长等。
离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系。流体与颗粒之间有两种作用方式，一种是单向耦合和全耦合。在单向耦合下，域内流体压力用来计算施加在颗粒上的外力，而颗粒的运移并不产生额外的流体压力变化。在全耦合中，颗粒的运移使域体积发生变化，域内压力的变化又会产生新的外力作用在颗粒上，产生变形直到达到平衡。地层研究采用全耦合方法。颗粒之间有三种接触本构模型接触刚度模型、滑动模型和连接模型。接触刚度模型可以分为线性与Hertz-Mindlin模型，连接模型又分为接触连接与平行连接模型。
步骤3，不同模拟参数下裂缝穿砾过程裂缝形态分析；
不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度。
根据地层主应力选择围压，对于砂砾岩储层，一般形成垂直裂缝，按照水平最大和最小主应力选择围压值。砾石的强度通过砾石的摩擦系数参数设置，摩擦系数越大，砾石强度越大。注入速度通过单位时间内注入的体积来设定。
裂缝形态分析包括裂缝穿砾形态、裂缝延伸方向和裂缝宽度分析。在砂砾岩水力裂缝扩展过程中，当裂缝遇到砾石后，裂缝会止裂或者穿砾行为。裂缝止裂一般分为未穿砾石终止扩展和钉入砾石内部而终止扩展两种情况。裂缝穿砾一般分为钝化后穿砾扩展和直接穿砾扩展两种情况。在裂缝止裂和穿砾两种情况下，由于砾石的存在，裂缝延伸受到阻力，缝内压力增加，裂缝宽度会发生变化，有可能产生新的裂缝。裂缝在穿砾过程中，裂缝的延伸方向会沿原方向延伸或者发生一定的偏转。
步骤4，不同模拟参数下裂缝穿砾过程压力分析；
不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度。模拟参数与步骤3中的参数具有相同的意义。
压力分析包括对比无砾石和有砾石两种情况下压力的变化趋势。裂缝在遇到砾石后，裂缝形态发生变化，裂缝形态的变化会反映在井筒压力的变化，对比无砾石和有砾石的压力变化，可以从破裂压力大小、延伸压力大小及变化趋势等方面进行比较。
步骤5，建立砂砾岩储层压裂参数优化基本原则。
参数优化包括射孔优化和施工参数优化。射孔优化主要是优化射孔长度和射孔位置。施工参数优化主要是优化施工排量和加砂量。
在应用本发明的一具体实施例中,包括了以下步骤:
步骤1：建立砂砾岩离散元物理模型
选取正方形区域作为研究模型，四周为墙体单元。设置最大颗粒直径和最小颗粒直径颗粒，堆积模式为随机模式，产生颗粒。对试件施加初始应力，设置初始的摩擦系数，在去除边界墙体的情况下，设定边界应力条件，调整边界施加法向的速度，使得试件最终达到应力平衡。施加围压后，在试件中央移除一环形区域的颗粒，来模拟井筒。移除颗粒时，不考虑变形，否则会产生垮塌。井筒单独作为一个域，而且井筒周围的域都是不规则的。生成井筒后，除井筒外域的压力均设为0，井筒域压力设置为P0＝3/4(σxx+σyy)，此时进行变形分析直到达到平衡状态。变形发生的时候，所有域内的流体压力设置为常数，直到试件达到平衡后的。
图3为建立的离散元物理模型，颗粒的堆积模式采用随机模式，其中σxx、σyy是水平主应力。
步骤2：确定砂砾岩离散元模型参数
流固耦合方式选择全耦合，接触模型选择Hertz-Mindlin模型。设置材料的细观参数，包括剪切模量、泊松比、砂岩摩擦系数、砾石的摩擦系数、初始应力状态摩擦系数、孔隙度和最大半径/最小半径等。设置流体流动参数，包括流体体积模量、渗透率/粘度、孔隙度和流动时间步长等。
步骤3：不同模拟参数下裂缝穿砾过程裂缝形态分析
设置模拟参数，围压选取30MPa、50MPa、70MPa，砾石摩擦系数选取1.0、1.5、2.0、3.0，注入速度选取500m3/ms、1000m3/ms、1500m3/ms。
模拟之前，首先在试件中加入砾石，砾石形状为球体，先确定无砾石情况下裂缝的扩展形态，然后在裂缝延伸路径上添加砾石。图4为添加一个砾石过程示意图。
图5是在恒定围压和砾石强度时，两种注入速度下裂缝形态图。注入速度越低，裂缝穿砾过程中，所受阻力增大，缝内净压力增加，裂缝宽度增大，当达到裂缝开启条件，产生新的裂缝。新裂缝会增加液体的滤失，使得含有砾石的主裂缝上的液体效率下降，增加砂堵的机率。
图6是在恒定围压和注入速度时，两种砾石强度下裂缝形态图。试件中有两块砾石，裂缝先穿过上部砾石，之后遇到下部砾石。砾石摩擦系数越大，缝内净压力增加越大，摩擦系数为1.5时，裂缝遇到第二块砾石止裂，摩擦系数为2.0时，裂缝内净压力的增加促使裂缝穿越第二块砾石。
图7是在恒定围压和注入速度时，两种砾石强度下裂缝形态图。摩擦系数为1.0时，裂缝穿砾后，路径发生弯曲，然后继续沿主裂缝方向延伸。摩擦系数为1.5时，裂缝偏离原延伸方向延伸，裂缝宽度明显高于上种情况。
步骤4：不同模拟参数下裂缝穿砾过程压力分析
图8是在恒定围压和注入速度时，不同砾石强度下井筒压力曲线。无砾石与有砾石时破裂压力基本相同，压力曲线在破裂后发生较大偏离，A曲线反映无砾石穿砾压力趋势，压力下降趋势是先快后慢，变化有一定的规律性，B曲线反映有砾石压力趋势，破裂后压力快速下降，穿砾后压力保持恒定或者稍有上升，后期压力变化与无砾石时相同。
图9是在恒定围压和砾石强度时，不同注入速度下井筒压力曲线。随着注入速度的增加，地层破裂出现的时间越早，穿砾时间变短，可以较快进入延伸阶段。反映在井筒压力上，注入速度低，要完成穿砾延伸，需要在较高压力下维持一段时间，在这过程中，有可能会造成新的裂缝开启，多条裂缝开启必然会影响主裂缝的延展。
步骤5：建立砂砾岩储层压裂参数优化原则
根据以上裂缝穿砾形态及压力分析，确定砂砾岩储层压裂参数优化基本原则：
(1)目的层厚度较大，射孔井段应集中，射孔长度控制在10m～20m，尽量避开砾石含量高的层位。
(2)对于砾石含量较高的层位，应尽量控制最高砂比和平均砂比。
(3)施工排量尽可能的大，排量不应低于4.5m3/min。
按照以上基本原则，结合不同砂砾岩油藏特点，最终得到适合于不同油藏的压裂施工参数。利用此方法指导压裂设计，砂砾岩油藏压裂施工成功率保持在95％以上。
本发明旨在实现提高砂砾岩储层压裂设计水平的方法，采用离散元的方法，通过建立二维离散元模型，对颗粒输入不同的细观参数来模拟砂岩和砾岩，施加不同的围压模拟地层实际的应力状况，考虑流固耦合的作用，观察裂缝穿过砾石时的裂缝形态和压力变化规律。
本发明中的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，为砂砾岩油藏提出了一种新型的水力压裂裂缝描述方法。采用离散元方法，通过选取墙体单元、产生颗粒、施加围压、生成井筒和建立初始平衡，建立砂砾岩离散元物理模型。优选流体和颗粒耦合方式和接触本构关系模型，确定砂砾岩离散元模型参数。对比不同围压、不同砾石强度和不同注入速度下，裂缝穿砾过程裂缝形态变化规律，为压裂优化设计提供理论支持。对比不同围压、不同砾石强度和不同注入速度下，裂缝穿砾过程压力变化规律，指导现场施工。通过数值模拟结果，结合现场施工曲线，建立砂砾岩储层压裂参数优化基本原则。本发明从细观上描述了裂缝穿砾过程中裂缝形态及压力变化规律，为砂砾岩油藏压裂设计提供了重要理论基础，可有效提高砂砾岩油藏压裂成功率和有效率。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了说明和描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (12)

1.基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，该基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法包括:
步骤1，建立砂砾岩离散元物理模型；
步骤2，确定砂砾岩离散元模型参数；
步骤3，不同模拟参数下裂缝穿砾过程裂缝形态分析；
步骤4，不同模拟参数下裂缝穿砾过程压力分析；
步骤5，建立砂砾岩储层压裂参数优化基本原则。
2.根据权利要求1所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤1中，离散元物理模型包括建立墙体、产生颗粒、施加围压、生成井筒和建立初始平衡。
3.根据权利要求2所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤1中，选取区域作为研究模型，四周为墙体单元；根据地层砂的粒径和颗粒堆积方式产生地层颗粒；对试件施加初始应力，设置初始的摩擦系数，在去除边界墙体的情况下，设定边界应力条件，调整边界施加法向的速度，使得试件最终达到应力平衡；施加围压后，在试件中央移除一环形区域的颗粒，来模拟井筒；移除颗粒时，不考虑变形，否则会产生垮塌；生成井筒后，除井筒外域的压力均设为0，设置井筒域压力，此时进行变形分析直到达到平衡状；变形发生的时候，所有域内的流体压力设置为常数。
4.根据权利要求3所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤1中，产生颗粒包括颗粒粒径选择和颗粒堆积方式选择；颗粒粒径选择包括设置最大和最小颗粒直径；颗粒堆积模式包括六方最紧密堆积、正方堆积和随机堆积模式；模拟过程中，颗粒的堆积模式采用随机模式，更加真实的模拟地层颗粒状态。
5.根据权利要求1所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤2中，离散元模型参数包括离散元参数、颗粒细观参数和流体流动参数。
6.根据权利要求5所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤2中，离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系设置；细观参数包括剪切模量、泊松比、砂岩摩擦系数、砾石的摩擦系数、初始应力状态摩擦系数、孔隙度和最大半径/最小半径；流体流动参数包括流体体积模量、渗透率/粘度、孔隙度和流动时间步长。
7.根据权利要求6所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤2中，离散元参数包括流体和颗粒耦合方式和接触本构关系；流体与颗粒之间有两种作用方式，一种是单向耦合和全耦合，地层研究采用全耦合方法；颗粒之间有三种接触本构模型接触刚度模型、滑动模型和连接模型；接触刚度模型分为线性与Hertz-Mindlin模型，连接模型又分为接触连接与平行连接模型。
8.根据权利要求1所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤3中，不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度；根据地层主应力选择围压，对于砂砾岩储层，形成垂直裂缝，按照水平最大和最小主应力选择围压值；砾石的强度通过砾石的摩擦系数参数设置，摩擦系数越大，砾石强度越大；注入速度通过单位时间内注入的体积来设定。
9.根据权利要求8所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤3中，裂缝形态分析包括裂缝穿砾形态、裂缝延伸方向和裂缝宽度分析；在砂砾岩水力裂缝扩展过程中，当裂缝遇到砾石后，裂缝会止裂或者穿砾行为；裂缝止裂分为未穿砾石终止扩展和钉入砾石内部而终止扩展两种情况；裂缝穿砾分为钝化后穿砾扩展和直接穿砾扩展两种情况；在裂缝止裂和穿砾两种情况下，由于砾石的存在，裂缝延伸受到阻力，缝内压力增加，裂缝宽度会发生变化，产生新的裂缝；裂缝在穿砾过程中，裂缝的延伸方向会沿原方向延伸或者发生一定的偏转。
10.根据权利要求1所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤4中，不同模拟参数包括不同围压、不同砾石强度和不同注入速度。
11.根据权利要求10所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤4中，压力分析包括对比无砾石和有砾石两种情况下压力的变化趋势；裂缝在遇到砾石后，裂缝形态发生变化，裂缝形态的变化会反映在井筒压力的变化，对比无砾石和有砾石的压力变化，从破裂压力大小、延伸压力大小及变化趋势这些方面进行比较。
12.根据权利要求1所述的基于离散元的砂砾岩水力压裂裂缝穿砾过程描述方法，其特征在于，在步骤5中，参数优化包括射孔优化和施工参数优化；射孔优化是优化射孔长度和射孔位置；施工参数优化是优化施工排量和加砂量。
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