CN111639434B - 一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法，属于油气田水力压裂技术领域。包含以下步骤：(1)对暂堵球在井筒中运移时的受力进行分析；(2)根据力学平衡原理，建立暂堵球在井筒中的运移速度公式；(3)定义暂堵球坐封因子为拖曳力与惯性力的比值；(4)根据现场施工数据计算暂堵球坐封因子，研究现场条件下投球暂堵转向施工可行性。当步骤(4)计算的暂堵球坐封因子远大于1时，还包括步骤(5)：(5)计算暂堵球数量：根据计算的暂堵球数量，优化暂堵球施工参数。本发明可以用来进行页岩气水平井投球暂堵转向压裂施工参数优化设计，研究影响暂堵球封堵效果的因素，计算不同施工条件下暂堵球使用数量，为现场施工决策提供理论指导。
Description
技术领域
本发明属于油气田水力压裂技术领域，主要涉及一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法。
背景技术
近几年，国内外油公司加大了页岩气勘探开发力度。涪陵区块页岩气水平井压裂工艺采用多簇、密切割工艺，借鉴重复压裂施工中投球暂堵转向压裂工艺来提高缝网复杂度，实现体积压裂。长宁、威远区块页岩气水平井压裂施工中约有30％的井发生了不同程度的套管变形，套管变形后无法安全有效地进行桥塞泵送-射孔联作施工，投球暂堵转向压裂工艺可以有效解决套变井段的压裂改造问题。工艺核心是在压裂施工过程中用投球装置向高压管线中投送暂堵球，暂堵球尺寸及数量的选择需要根据射孔孔眼尺寸、数量、施工压力等参数确定，暂堵球由压裂液携带至井筒中封堵进液能力高的射孔孔眼，使压裂液转向进入其它射孔孔眼，形成新裂缝，提高裂缝复杂度，增加页岩气井产量。目前，投球暂堵转向压裂工艺虽已应用广泛，但现场施工参数优化设计缺少理论支撑，影响了该工艺在压裂施工现场的应用效果。
国内外学者对直井投球暂堵转向压裂施工参数优化设计比较成熟，针对水平井投球暂堵转向压裂施工参数优化设计的研究多集中在暂堵转向工艺理论可实施性、暂堵剂缝内暂堵转向、材料室内性能评价以及微地震改造效果分析，近期也有专家基于计算流体力学、离散元素法、边界元方法等研究页岩气水平井暂堵球运移坐封机理、裂缝扩展模拟及投球暂堵优化。但目前研究还存在一些问题：忽视了井筒倾角的影响；没有完善的投球暂堵转向压裂施工参数优化方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法，根据暂堵球在水平井筒和射孔炮眼出的受力情况，建立了考虑井筒倾角的暂堵球运动方程及暂堵球封堵因子，研究了页岩气水平井投球暂堵的封堵可行性，进行页岩气水平井投球暂堵转向施工参数优化设计。具体技术方案如下。
一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法，包含以下步骤：
(1)对暂堵球在井筒中运移时的受力进行分析。主要有重力FG、压力梯度力FP、阻力Fd、附加质量力Fm、Basset力FB以及管壁效应fW影响，见图1，该模型通过井筒倾角的变化可以用于暂堵球在直井或水平井中全井筒中运移。
(2)根据力学平衡原理，建立暂堵球在井筒中的运移速度公式。
其中，
vb为暂堵球运移速度，单位为m/s；
q为泵送射孔排量，单位为m3/s；
A井筒横截面积，单位为m2；
ρb、ρl分别为暂堵球、压裂液的密度，单位为kg/m3；
θ为井筒倾角，单位为°；
fw为管壁效应，无因次；
g为重力加速度，单位为m/s2；
db为暂堵球直径，单位为m；
KD为拖曳系数，与流体流态有关，无因次。
(3)暂堵球在炮眼附近运动时受到惯性力和拖曳力影响，见图2，当拖曳力大于惯性力时暂堵球坐封到炮眼上。
定义暂堵球坐封因子为拖曳力与惯性力的比值：
vperf为射孔炮眼处流速，单位为m/s；
dpipe为套管直径，单位为m。
暂堵球坐封因子越大，表明暂堵球所受到的拖曳力越大，越容易封住进液炮眼，实现暂堵球封堵高导流能力炮眼的目的。
(4)根据现场施工数据计算暂堵球坐封因子，研究现场条件下投球暂堵转向施工可行性。在一些具体实施方案中，当步骤(4)计算的暂堵球坐封因子远大于1时，还包括步骤(5)：
(5)优化暂堵球施工参数。暂堵球坐封前后井筒压力由于炮眼被封堵会有改变，孔眼附近压力降与孔眼数密切相关，可以描述为：
因此，暂堵球数量计算公式为：
其中，
CD为流量系数，无因次；
Δpperf为孔眼附近压力降，单位为Pa。
根据计算的暂堵球数量，优化暂堵球施工参数。
本发明可以用来进行页岩气水平井投球暂堵转向压裂施工参数优化设计，研究影响暂堵球封堵效果的因素，计算不同施工条件下暂堵球使用数量，为现场施工决策提供理论指导。
附图说明
图1是暂堵球在井筒中受力示意图。
图2是暂堵球在炮眼附近受力示意图。
图3是投球暂堵施工参数优化设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法，包含以下步骤：
(1)对暂堵球在井筒中运移时的受力进行分析。主要有重力FG、压力梯度力FP、阻力Fd、附加质量力Fm、Basset力FB以及管壁效应fW影响，见图1，该模型通过井筒倾角的变化可以用于暂堵球在直井或水平井中全井筒中运移。
(2)根据力学平衡原理，建立暂堵球在井筒中的运移速度公式。
其中，
vb为暂堵球运移速度，单位为m/s；
q为泵送射孔排量，单位为m3/s；
A井筒横截面积，单位为m2；
ρb、ρl分别为暂堵球、压裂液的密度，单位为kg/m3；
θ为井筒倾角，单位为°；
fw为管壁效应，无因次；
g为重力加速度，单位为m/s2；
db为暂堵球直径，单位为m；
KD为拖曳系数，与流体流态有关，无因次。
(3)暂堵球在炮眼附近运动时受到惯性力和拖曳力影响，见图2，当拖曳力大于惯性力时暂堵球坐封到炮眼上。
定义暂堵球坐封因子为拖曳力与惯性力的比值：
vperf为射孔炮眼处流速，单位为m/s；
dpipe为套管直径，单位为m。
(4)统计现场投球暂堵压裂施工数据，见表1。
表1
根据计算得到当前施工条件下，拖曳系数为0.74，管壁因子为0.98，雷诺数为251。
暂堵球在井筒中的运移速度为：
炮眼处流速为：
因此，暂堵球坐封因子为：
Rb＝12.8673
目前施工参数下，暂堵球坐封因子为12.8673，远大于1，暂堵球可以有效封堵炮眼。因此，下面进行暂堵球优化设计。
(5)压裂施工过程中，由于井筒条件、射孔条件、液体性能等施工参数由设计确定，见表1，根据暂堵球数量计算公式可知，暂堵球数量的确定主要与施工排量及施工可接受的投球压差有关。因此，计算不同投球压差下所需的暂堵球数量，结果如图3所示。为了实现投球转向压裂的目的，应尽可能提高投球压差，推荐暂堵球使用数量范围为25-40。
Claims (2)
1.一种页岩气水平井投球暂堵转向压裂的优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)对暂堵球在井筒中运移时的受力进行分析；
(2)根据力学平衡原理，建立暂堵球在井筒中的运移速度公式：
其中，
vb为暂堵球运移速度，单位为m/s；
q为泵送射孔排量，单位为m3/s；
A井筒横截面积，单位为m2；
ρb、ρl分别为暂堵球、压裂液的密度，单位为kg/m3；
θ为井筒倾角，单位为°；
fw为管壁效应，无因次；
g为重力加速度，单位为m/s2；
db为暂堵球直径，单位为m；
KD为拖曳系数，与流体流态有关，无因次；
(3)定义暂堵球坐封因子为拖曳力与惯性力的比值：
其中，
vperf为射孔炮眼处流速，单位为m/s；
dpipe为套管直径，单位为m；
(4)根据现场施工数据计算暂堵球坐封因子，研究现场条件下投球暂堵转向施工可行性。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，当步骤(4)计算的暂堵球坐封因子远大于1时，还包括步骤(5)：
(5)计算暂堵球数量：
其中，
CD为流量系数，无因次；
dperf为炮眼直径，单位为m；
Δpperf为孔眼附近压力降，单位为Pa；
根据计算的暂堵球数量，优化暂堵球施工参数。
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