CN111550225A - 一种变流量脉冲水力压裂工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变流量脉冲水力压裂工艺，涉及油气井水力压裂增产改造领域。依次包括下列步骤：S1、以恒定流量注入压裂液并记录井口压力变化，当井口压力接近安全压力时，停止注液；S2、计算液体中压力波的传播速度；S3、计算流量调节时刻；S4、根据记录的井口压力随时间变化情况分别找出停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力，并计算两时刻对应的压力差，根据该压力差估算流量的调节幅值。S5、根据上述的计算结果重新设计脉冲变化的流量注入方案，再次进行压裂作业。本发明利用脉冲突变注入流量产生的脉冲压力波对储层进行压裂作业，可以对物性差，孔隙度低，破裂强度高的储层进行有效的压裂作业，提高压裂效果。
Description
技术领域
本发明涉及油气井水力压裂增产改造措施领域，具体地涉及一种变流量脉冲水力压裂工艺。
背景技术
水力压裂施工过程中针对物性差，孔隙度低，破裂强度高的储层，往往需要较高的施工压力，而考虑到设备及人员的施工安全，往往需要设置安全的极限压力。压裂施工过程中，经常遇到井口压力接近极限压力，但是储层还未破裂的情况。出于安全因素考虑，常规的应对措施需要停止继续注液，重新进行酸化处理或者调整施工工艺，极大延迟了作业工期，增加投入成本，造成巨大的经济损失。
改变常规压裂工艺中的恒定流量注入方式，进行交变流量注液，在井底产生变化的载荷，使得储层岩石在交变载荷作用下发生疲劳破坏，可以在一定程度上降低岩石的破裂强度(翟成，李贤忠，李全贵.煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用[J].煤炭学报，2001，12(1):1996-2001；赵子江，刘大安，崔振东，等.循环渐进升压对页岩压裂效果的影响[J].岩石力学与工程学报，2019，S1(1):2779-2789；Jordan Ciezobka，Debotyam Maity，Iraj Salehi.Variable Pump Rate Fracturing Leads to Improved Production in theMarcellus Shale[C].Texas USA:SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，2016:1-11)。然而，为达到疲劳破岩的目的往往需要经过多个循环周期，延长作业时间。并且，为了在井底产生变化的载荷，需要额外的辅助设备产生脉动的流量或压力(ZL201810725110.2)，进而可能涉及设备可靠性与操作工艺复杂等问题。
综上可以看出，针对难破裂储层有效且简便的水力压裂工艺具有极高的经济效应与应用前景，然而，迄今为止尚未见到针对脉冲注入流量施工工艺及参数设计方法的报道。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的技术不足，提供一种变流量脉冲水力压裂工艺及参数设计方法，本发明在不超过设备极限安全压力的前提下，采用脉冲突变流量的注液方式产生脉冲压力，并通过合理的参数设计利用该脉冲压力波达到有效破岩的目的，具有操作简便效果明显的优势。
为达到以上的技术目的，本发明提供以下的技术方案：
具体地，本发明提供一种变流量脉冲水力压裂工艺，其包括以下步骤：
S1、压裂施工现场设备及人员准备就绪后，按照压裂工艺设计的初始恒定流量注入压裂液，记录井口压力随注液时间的变化，当井口压力达到设备的安全压力阈值时，停止注液并确认停注时刻，之后恢复井口压力至注液前状态；
S2、根据管柱及压裂液性质参数计算液体中压力波传播速度C；
S3、根据井深及压力波的传播速度计算流量调节时刻t1；
S4、根据记录的井口压力随时间变化情况分别找出停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力，并计算两个时刻对应的压力差，根据该压力差计算流量调节幅值ΔQ；
S5、根据步骤S4的计算结果重新设计脉冲变化的流量注入方案，该脉冲变化的流量注入方案在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式再次进行步骤S1中的压裂作业，使得脉冲压力波到达井底的时刻恰好为极限压力限制条件下井底压力的最大值，此时修正后的恒定注入流量所产生的稳态井底压力Pj与脉冲突变注入流量所产生的脉冲压力波动幅值ΔPd相互叠加，进而在井底产生最大的施工压力Pt。
优选地，步骤S5中所述的脉冲流量注入方案在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式具体为：
初始阶段以初始恒定流量Q0注入压裂液，在计算得到的t1时刻通过调整压裂泵工作转速或开启备用压裂泵的方式提升注入流量，使得流量提升幅值满足ΔQs＝ΔQ，以该修正后的恒定注入流量持续短暂时间to后瞬速降低注入流量，同样使流量降低幅值满足ΔQj＝ΔQ，持续相同短暂时间to后恢复注入流量为初始恒定流量Q0状态。
优选地，步骤S2中压力波传播速度C的计算公式如下：
式中：E为液体的弹性模量，单位为Pa；ρ为液体的密度，单位为kg/m3；D为管柱直径，单位为m；E0为管柱的弹性模量，单位为Pa；e为管柱的壁厚，单位为m。
优选地，步骤S3中流量调节时刻t1的计算公式如下：
式中：L为井深，单位为m；t2为停注时刻，单位为s。
优选地，步骤S4中流量调节幅值ΔQ的估算公式如下：
式中：ΔP为停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力差，单位为Pa；
η为与管柱及液体弹性相关的特性系数。
优选地，步骤S4中流量调节幅值ΔQ也可以通过精确计算得到，具体地，流量调节幅值ΔQ精确计算方法通过建立管柱内流体的瞬态动力学方程，进而由下面的控制方程及边界条件与初始条件得到安全压力阈值限制下的流量调节幅值ΔQ：
边界条件及初始条件：
式中：z为沿管柱轴线方向位移，单位为m；v为流体速度，单位为m/s；P为液体压力，单位为Pa；D为管柱内壁直径，单位为m；L为管柱长度，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s2；β为管柱轴线与水平面间夹角，单位为rad；f为阻力系数；k3为计算系数；Q(t)为注入流量，其变化幅值为ΔQ，单位为m3/min；P0入口处的初始压力，单位为Pa。
与现有技术相比，本发明的效果如下：
第一、本发明利用脉冲突变注入流量产生的脉冲压力波对储层进行压裂作业，通过参数的优化设计使得脉冲压力波到达井底的时刻恰好为井口极限压力限制条件下井底压力所能达到的最大值，此时恒定注入流量所产生的稳态井底压力Pj与脉冲突变注入流量所产生的脉冲压力波动幅值ΔPd相互叠加，进而在井底产生最大的施工压力Pt，与常规压裂工艺相比可以突破井口极限安全压力限制，获得更高的井底压力，从而实现对物性差，孔隙度低，破裂强度高的储层进行有效的压裂作业，提高压裂效果；同时，脉冲压力波对储层产生冲击效应，引起的动应力有利于岩石的破裂及水力裂缝的扩展。
第二、本发明无需额外的脉冲发生装置，仅需在原有设备的基础上进行注入流量的调节即可实现，具有较广的应用前景及使用条件；此外，本发明施工工艺及参数设计方法操作简便，可有效节省作业时间，提高效率，降低常规压裂作业中频繁启停作业的时间成本。
附图说明
图1是本发明方法原理的注入流量变化规律图；
图2是本发明方法原理的井口及井底压力变化规律图；以及
图3是根据本发明进行实例计算得到的井口及井底压力变化规律图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种变流量脉冲水力压裂工艺，其包括以下步骤：
S1、压裂施工现场设备及人员准备就绪后，以规定的初始恒定注入流量注入压裂液，记录井口压力随注液时间的变化，当井口压力达到设备的安全压力阈值时，停止注液并确认停注时刻，之后恢复井口压力至注液前状态；
S2、根据管柱及压裂液性质参数计算液体中压力波传播速度C；
S3、根据井深及压力波的传播速度计算流量调节时刻t1；
S4、根据记录的井口压力随时间变化情况分别找出停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力，并计算两个时刻对应的压力差，根据该压力差计算流量调节幅值ΔQ；
S5、根据步骤S4的计算结果重新设计脉冲变化的流量注入方案，得到修正后的恒定注入流量，之后在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式再次进行步骤S中的压裂作业，使得脉冲压力波到达井底的时刻恰好为极限压力限制条件下井底压力的最大值，此时修正后的恒定注入流量所产生的稳态井底压力Pj与脉冲突变注入流量所产生的脉冲压力波动幅值ΔPd相互叠加，进而在井底产生最大的施工压力Pt。
优选地，步骤S5中的脉冲流量注入方案在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式具体为：
初始阶段以初始恒定流量Q0注入压裂液，在计算得到的t1时刻通过调整压裂泵工作转速或开启备用压裂泵的方式提升注入流量，使得流量提升幅值满足ΔQs＝ΔQ，以该修正后的恒定注入流量持续短暂时间to后瞬速降低注入流量，同样使流量降低幅值满足ΔQj＝ΔQ，持续相同短暂时间to后恢复注入流量为初始恒定流量Q0状态。
优选地，步骤S2中压力波传播速度C的计算公式如下：
式中：E为液体的弹性模量，单位为Pa；ρ为液体的密度，单位为kg/m3；D为管柱直径，单位为m；E0为管柱的弹性模量，单位为Pa；e为管柱的壁厚，单位为m。
优选地，步骤S3中流量调节时刻t1的计算公式如下：
式中：L为井深，单位为m；t2为停注时刻，单位为s。
优选地，步骤S4中流量调节幅值ΔQ的计算公式如下：
式中：ΔP为停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力差，单位为Pa；
η为与管柱及液体弹性相关的特性系数。
步骤S4中流量调节幅值ΔQ也可以通过精确计算得到，具体地，流量调节幅值ΔQ精确计算方法通过建立管柱内流体的瞬态动力学方程，进而由下面的控制方程及边界条件与初始条件得到安全压力阈值限制下的流量调节幅值ΔQ：
边界条件及初始条件：
式中：z为沿管柱轴线方向位移，单位为m；v为流体速度，单位为m/s；P为液体压力，单位为Pa；D为管柱内壁直径，单位为m；L为管柱长度，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s2；β为管柱轴线与水平面间夹角，单位为rad；f为阻力系数；k3为计算系数；Q(t)为注入流量，其变化幅值为ΔQ，单位为m3/min；P0入口处的初始压力，单位为Pa。
具体地算法为，首先，基于特征线法的数值求解思想建立上述控制方程的仿真模型，并通过Matlab软件进行仿真计算，进而可以得到不同注入流量下管柱内流体压力的计算结果。
其次，以注入流量变化幅值ΔQ为自变量，以井口安全压力阈值为限制条件，基于遗传算法的智能优化算法进行优化设计，得到变化幅值ΔQ的准确计算结果。ΔQ的准确计算结果可以对上述估算值进行确认和验证。
具体实施例一
步骤一、压裂作业储层位于井下2000m，岩石的破裂强度为110MPa，井口设备安全极限压力PS为75MPa。压裂施工现场设备及人员准备就绪后，以常规恒定注入流量Q0为3m3/min进行压裂作业，注液时间t2为13.6217s后，井口压力接近极限压力，而井底的压力仅为98.1MPa，远小于岩石的破裂强度，无法继续作业，此时停止注液，确认停注时刻，恢复井口压力至注液前状态。
步骤二、根据管柱及压裂液性质参数由下式计算压力波的传播速度C为969m/s。
式中：E为液体的弹性模量，单位为Pa；ρ为液体的密度，单位为kg/m3；D为管柱直径，单位为m；E0为管柱的弹性模量，单位为Pa；e为管柱的壁厚，单位为m。
步骤三、根据井深及压力波的传播速度由下式计算流量调节时刻t1为11.5592s。
式中：L为井深，单位为m；t2为停注时刻，单位为s。
步骤四、根据记录的井口压力随时间变化情况分别找出停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力，并计算两时刻对应的压力差ΔP为13.872MPa，根据该压力差由下式算流量的调节幅值ΔQs为4.70m3/min。
式中：ΔP为停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力差，单位为Pa；
η为与管柱及液体弹性相关的特性系数。
步骤五、根据上述的计算结果重新设计脉冲变化的流量注入方案如图1所示，该方案中初始阶段以原恒定流量Q0注入压裂液，在计算得到的t1时刻通过调整压裂泵工作转速或开启备用压裂泵的方式提升注入流量，使得流量提升幅值满足ΔQs＝ΔQ，以该注入流量持续短暂时间后瞬速降低注入流量，同样使流量降低幅值满足ΔQj＝ΔQ，持续相同时间后迅速恢复注入流量为Q0状态，从而实现升-降-升的流量调节方式，按照该注液方案再次进行压裂作业。
图2是本发明实施例中方法原理的井口及井底压力变化规律图，图3是根据本发明进行实例计算得到的井口及井底压力变化规律图。在图2和图3中曲线A为井口压力，曲线B为井底压力，虚线C为极限压力。
按照本发明的工艺及参数设计方法得到的流量注入方案进行压裂作业，在井口压力不超过安全极限压力的条件下，得到的井底最大压力Pt为112MPa，大于岩石的破裂强度，可以有效的破裂岩石，提高压裂效果，取得良好的增产效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、压裂施工现场设备及人员准备就绪后，按照压裂工艺设计的初始恒定流量注入压裂液，记录井口压力随注液时间的变化，当井口压力达到设备的安全压力阈值时，停止注液并确认停注时刻，之后恢复井口压力至注液前状态；
S2、根据管柱及压裂液性质参数计算液体中压力波传播速度C；
S3、根据井深及压力波的传播速度计算流量调节时刻t1；
S4、根据记录的井口压力随时间变化情况分别找出停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力，并计算两个时刻对应的压力差，根据该压力差计算流量调节幅值ΔQ；
S5、根据步骤S4的计算结果重新设计脉冲变化的流量注入方案，该脉冲变化的流量注入方案在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式再次进行步骤S1中的压裂作业，使得脉冲压力波到达井底的时刻恰好为极限压力限制条件下井底压力的最大值，此时修正后的恒定注入流量所产生的稳态井底压力Pj与脉冲突变注入流量所产生的脉冲压力波动幅值ΔPd相互叠加，进而在井底产生最大的施工压力Pt。
2.根据权利要求1所述的变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：步骤S5中所述的脉冲流量注入方案在原恒定注入流量的基础上叠加升-降-升的流量调节方式具体为：
初始阶段以初始恒定流量Q0注入压裂液，在计算得到的t1时刻通过调整压裂泵工作转速或开启备用压裂泵的方式提升注入流量，使得流量提升幅值满足ΔQs＝ΔQ，以该修正后的恒定注入流量持续短暂时间to后瞬速降低注入流量，同样使流量降低幅值满足ΔQj＝ΔQ，持续相同短暂时间to后恢复注入流量为初始恒定流量Q0状态。
3.根据权利要求1所述的变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：步骤S2中压力波传播速度C的计算公式如下：
式中：E为液体的弹性模量，单位为Pa；ρ为液体的密度，单位为kg/m3；D为管柱直径，单位为m；E0为管柱的弹性模量，单位为Pa；e为管柱的壁厚，单位为m。
4.根据权利要求1所述的变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：步骤S3中流量调节时刻t1的计算公式如下：
式中：L为井深，单位为m；t2为停注时刻，单位为s。
5.根据权利要求1所述的变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：步骤S4中流量调节幅值ΔQ的计算公式如下：
式中：ΔP为停注时刻及流量调节时刻对应的井口压力差，单位为Pa；η为与管柱及液体弹性相关的特性系数。
6.根据权利要求5所述的变流量脉冲水力压裂工艺，其特征在于：步骤S4中流量调节幅值ΔQ也可以通过精确计算得到，具体地，流量调节幅值ΔQ精确计算方法通过建立管柱内流体的瞬态动力学方程，进而由下面的控制方程及边界条件与初始条件得到安全压力阈值限制下的流量调节幅值ΔQ：
边界条件及初始条件：
式中：z为沿管柱轴线方向位移，单位为m；v为流体速度，单位为m/s；P为液体压力，单位为Pa；D为管柱内壁直径，单位为m；L为管柱长度，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s2；β为管柱轴线与水平面间夹角，单位为rad；f为阻力系数；k3为计算系数；Q(t)为注入流量，其变化幅值为ΔQ，单位为m3/min；P0入口处的初始压力，单位为Pa。
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