CN111734375A - 确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，包括如下步骤：压裂层段各射孔簇摩阻计算：包括压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻的计算；系统水动力平衡数学建模：在现场实际排量条件下，应用各簇摩阻计算方法获取沿井筒至缝内水动力压力分布，根据施工总排量守恒，考虑各簇流量与压力相互耦合作用，由系统摩阻与缝内压力平衡关系研判各射孔簇能否有效开启及开启顺序；射孔簇开启顺序及开启效率研判解释：应用系统水动力平衡数学模型判断射孔簇开启顺序及开启效率。本发明能够对储层应力非均质条件下各簇裂缝开启顺序及开启效率进行有效判断。

Description

确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法
技术领域
本发明涉及一种确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，属于非常规油气藏增产改造技术领域。
背景技术
页岩油气资源的有效开发离不开压裂增产作业，压裂效果的好坏直接影响产能建设的成败，如何有效研判压裂射孔簇的成功开启与否及开启顺序是当前压裂工程亟需解决的客观难题，根据研判结果采取适宜的优化措施以提高改造效果对提升页岩气开发效益具有重要意义。
目前，页岩压裂工艺主要以桥塞射孔联作+微地震现场监测解释为主，不同区域射孔簇数存在较大差异。在北美已大规模开展段内16-25簇射孔试验，在我国川南及昭通地区已开展5-11簇矿场先导试验，微地震监测结果显示压裂事件点几乎全覆盖分段段长，部分层段甚至存在不同程度的重复覆盖。
因此，依靠微地震监测很难有效分辨各个射孔簇是否有效开启以及它们的开启次序。经检索发现，目前现有技术暂无对压裂射孔簇的开启与否及开启次序进行研判的相关方法或措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法。本发明充分考虑压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻及储层应力等影响因素，应用压裂层段流体水动力平衡及施工总排量守恒，考虑缝内流体质量与压力相互耦合作用，对储层应力非均质条件下各簇裂缝开启顺序及开启效率进行有效判断。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、压裂层段各射孔簇摩阻计算：包括压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻的计算；
b、系统水动力平衡数学建模：在现场实际排量条件下，应用各簇摩阻计算方法获取沿井筒至缝内水动力压力分布，根据施工总排量守恒，考虑各簇流量与压力相互耦合作用，由系统摩阻与缝内压力平衡关系研判各射孔簇能否有效开启及开启顺序；
c、射孔簇开启顺序及开启效率研判解释：应用系统水动力平衡数学模型判断射孔簇开启顺序及开启效率。
所述步骤a中，从第(i-1)簇到第(i)簇在施工过程的井筒沿程摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000021
其中，Re为雷诺数，其计算公式为：
Figure BDA0002522103200000022
所述步骤a中，第i簇孔眼摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000023
所述步骤a中，第i簇近井扭曲摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000024
其中，相邻两簇井筒沿程摩阻pf((i-1)i)；第i簇孔眼摩阻ppf(i)；第i簇近井扭曲摩阻pnf(i)；携砂液密度ρ；每簇流量q(i)；近井扭曲系数Knwb；套管内径d；流体粘度μ；井口压力P(0)；静液压力PH(i)；注入总流量q(0)；总簇数n；每簇孔眼数Ni；相邻两簇孔眼测深hMD((i-1)i)；流量系数Cd＝0.85；孔眼直径dh；上述各参数均是矿场单位制。
所述步骤b中，获取沿井筒至缝内水动力压力分布如下：
第i簇裂缝的缝内压力：
Pfrac(i)＝σh(i)+C (4)
初始及边界条件：Q＝0，Pfrac(i)＝Pfrac(j)；min(Pfrac(i))＝σh(i)C为附加系数；
对于第i簇射孔孔眼处由储层计算则有压力：
Pwf(i)＝Ppf(i)+Pnf(i)+Pfrac(i) (5)
同时对于第i簇从井口计算则有压力：
Pwf(i)＝P(0)+PH(i)-Pf(01)-Pf(12)-...-Pf((i-1)i) (6)。
所述步骤b中，根据施工总排量守恒则有：
q(0)＝q(1)+q(2)+...+q(i)+...+q(n) (7)
储层最先开启的射孔簇是压裂层段最薄弱的地方，在此基础上能否开启次一级薄弱的射孔簇，则需判断系统是否满足同一个水动力压力平衡原理，即在当前排量条件下已开启的射孔簇的总摩阻能否有效克服已开和拟开启射孔簇之间的应力差异与两簇沿程摩阻之和；同理，再次一级薄弱射孔簇的开启判断以此类推，直至判断完压裂层段内所有的射孔簇；据此，则有：
Ppf(i)+Pnf(i)≥σh(i+1)-σh(i)+Pf(i(i+1)) (8)
联立式(5)、式(6)、式(7)，假设注入总排量q(0)条件下能够有效开启k簇(k<＝n)，则未知参数有各开启簇流量q(i)i＝1,2,3……n和近井扭曲系数Knwb，因为在同一压裂层段内，所以近井扭曲系数可视为均相同，即未知数有k+1个，而式(5)、式(6)合并后则有方程k+1个，解出各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，最后将求取的摩阻代入式(8)进行研判。
其中，第i簇裂缝的缝内压力pfrac(i)；第i簇最小水平主应力σh(i)；第i簇射孔孔眼处流体压力Pwf(i)；第i簇射孔孔眼处液柱压力PH(i)，上述各参数均是矿场单位制。
所述步骤c具体包括如下步骤：
c1、将压裂层段内所有射孔簇按照测井解释的最小水平主应力σh从小到大进行编号，即有σh(1)<σh(2)<σh(3)<……<σh(n)；并与原始顺序做好对应关系记录；
c2、假设在给定排量q(0)下能够有效开启m簇(m<＝n)，并应用式(5)、式(6)、式(7)解出假设的各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb；
c3、应用解出的流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，按照式(1)、式(2)、式(3)计算出假设开启的各簇井筒沿程摩阻Pf(i)、孔眼摩阻Ppf(i)、近井弯曲摩阻Pnf(i)；
c4、应用式(8)依次对可能开启的各个射孔簇进行研判，当第t簇不满足式(8)时，则需重新假设可能开启的簇数，将下次假设的开启簇数设置为t+1簇，并重复第二至第四步，直到所有假设可能开启的射孔簇均满足式(8)的压力平衡条件时止；
c5、由c4获取实际开启的射孔簇数，并按照c1的对应关系进行逆映射，则获得压裂层段各个射孔簇的开启顺序；
c6、由c4获取实际开启的射孔簇数占所有射孔簇数的百分比即为射孔簇的开启效率。
采用本发明的优点在于：
1、本发明原理可靠，设计合理，效果显著，可应用本发明的方法及步骤对压裂射孔参数进行优化完善，避免部分射孔簇无法开启的不利影响，快速提升页岩水平段的压裂效果。
2、本发明在井筒沿程摩阻计算方面，应用现场实际参数拟合回归得到新模型，具有较经典公式更强的适应性及更高的解释精度，从而保证了解释结果的可靠性。
3、本发明的射孔簇数开启顺序及开启效率研判方法具有数据易得，计算方法易行，可根据现场排量变化进行动态评价，为现场调整射孔参数提供有力支撑。
4、本发明的研判手段设计理念新颖，思路清晰，方法便捷，实施步骤具有良好的可操作性，特别适宜页岩大规模压裂现场推广应用。
综上，本发明充分考虑压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻及储层应力等影响因素，应用压裂层段流体水动力平衡及施工总排量守恒，考虑缝内流体质量与压力相互耦合作用，对储层应力非均质条件下各簇裂缝开启顺序及开启效率进行有效判断。该方法可有效评价压裂层段射孔各簇裂缝的开启效率，为指导及优化射孔参数，提升增产改造效果，提供了有效手段与技术支撑。
附图说明
图1为本发明的系统压力分布示意图。
图中：黑色粗线表征井筒，灰色不规则树状图表征第i簇水力裂缝，P(0)为井口压力，Pf(01)为井口至第1簇的井筒沿程摩阻，Pwf(1)为第1簇流体压力，PH(i)为第i簇的静液柱压力，Pf((i-1)i)为相邻两簇的井筒沿程摩阻，Pwf(i)为第i簇流体压力，Ppf(i)为第i簇孔眼摩阻压力，Pnf(i)为第i簇扭曲摩阻压力，Pwf(n)为第n簇流体压力。
具体实施方式
实施例1
确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率方法具体包括：压裂层段各射孔簇摩阻计算方法、系统水动力平衡数学建模、射孔簇开启顺序及开启效率研判解释3个关键方法与技术组成，其技术特征如下：
所述压裂层段各射孔簇摩阻计算新方法，主要包括压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻等计算新方法。首先，从第(i-1)簇到第(i)簇在施工过程的井筒沿程摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000041
其中，Re为雷诺数，其计算公式为：
Figure BDA0002522103200000042
其次，第i簇孔眼摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000043
再次，第i簇近井扭曲摩阻计算公式为：
Figure BDA0002522103200000044
其中，相邻两簇井筒沿程摩阻pf((i-1)i)；第i簇孔眼摩阻ppf(i)；第i簇近井扭曲摩阻pnf(i)；携砂液密度ρ；每簇流量q(i)；近井扭曲系数Knwb；套管内径d；流体粘度μ；井口压力P(0)；静液压力PH(i)；注入总流量q(0)；总簇数n；每簇孔眼数Ni；相邻两簇孔眼测深hMD((i-1)i)；流量系数Cd＝0.85；孔眼直径dh；上述各参数均是矿场单位制。
所述系统水动力平衡数学建模，主要是指在现场实际排量条件下，应用上述各簇摩阻计算方法获取沿井筒至缝内水动力压力分布，根据施工总排量守恒，考虑各簇流量与压力相互耦合作用，由系统摩阻与缝内压力平衡关系研判各射孔簇能否有效开启及开启顺序。即有，
第i簇裂缝的缝内压力：
Pfrac(i)＝σh(i)+C (4)
初始及边界条件：Q＝0，Pfrac(i)＝Pfrac(j)；min(Pfrac(i))＝σh(i)C为附加系数；
对于第i簇射孔孔眼处由储层计算则有压力：
Pwf(i)＝Ppf(i)+Pnf(i)+Pfrac(i) (5)
同时对于第i簇从井口计算则有压力：
Pwf(i)＝P(0)+PH(i)-Pf(01)-Pf(12)-...-Pf((i-1)i) (6)
另根据施工总排量守恒则有：
q(0)＝q(1)+q(2)+...+q(i)+...+q(n) (7)
储层最先开启的射孔簇一定是压裂层段最薄弱的地方，在此基础上能否开启次一级薄弱的射孔簇，则需判断系统是否满足同一个水动力压力平衡原理，即在当前排量条件下已开启的射孔簇的总摩阻能否有效克服已开和拟开启射孔簇之间的应力差异与两簇沿程摩阻之和。同理，再次一级薄弱射孔簇的开启判断以此类推，直至判断完压裂层段内所有的射孔簇。据此，则有：
Ppf(i)+Pnf(i)≥σh(i+1)-σh(i)+Pf(i(i+1)) (8)
联立式(5)、式(6)、式(7)，假设注入总排量q(0)条件下能够有效开启k簇(k<＝n)，则未知参数有各开启簇流量q(i)i＝1,2,3……n和近井扭曲系数Knwb，因为在同一压裂层段内，所以近井扭曲系数可视为均相同，即未知数有k+1个，而式(5)、式(6)合并后则有方程k+1个，能够解出各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，最后将求取的摩阻代入式(8)进行研判。
其中，第i簇裂缝的缝内压力pfrac(i)；第i簇最小水平主应力σh(i)；第i簇射孔孔眼处流体压力Pwf(i)；第i簇射孔孔眼处液柱压力PH(i)，上述各参数均是矿场单位制。
所述射孔簇开启顺序及开启效率研判解释，主要包含应用系统水动力平衡数学模型判断射孔簇开启顺序及开启效率的计算步骤与方法。具体算法如下：
第一步，将压裂层段内所有射孔簇按照测井解释的最小水平主应力σh从小到大进行编号，即有σh(1)<σh(2)<σh(3)<……<σh(n)；并与原始顺序做好对应关系记录；
第二步，假设在给定排量q(0)下能够有效开启m簇(m<＝n)，并应用式(5)、式(6)、式(7)解出假设的各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb；
第三步，应用解出的流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，按照式(1)、式(2)、式(3)计算出假设开启的各簇井筒沿程摩阻Pf(i)、孔眼摩阻Ppf(i)、近井弯曲摩阻Pnf(i)；
第四步，应用式(8)依次对可能开启的各个射孔簇进行研判，当第t簇不满足式(8)时，则需重新假设可能开启的簇数，可以将下次假设的开启簇数设置为t+1簇，并重复第二至第四步，直到所有假设可能开启的射孔簇均满足式(8)的压力平衡条件时止；
第五步，由第四步获取实际开启的射孔簇数，并将它按照第一步的对应关系进行逆映射，则可获得压裂层段各个射孔簇的开启顺序；
第六部，由第四步获取实际开启的射孔簇数占所有射孔簇数的百分比即为射孔簇的开启效率。
至此，整个射孔簇开启顺序及开启效率研判解释结束。
实施例2
南方某区块页岩气井A井深5012m，水平段长2100m，垂深为3106m，分24段压裂，其中第12段射孔7簇，每簇的水平地应力分布、射孔参数如表1所示，压裂流体为滑溜水，密度为1.03g/cm3，粘度为1.6mPas，流量系数Cd＝0.85，套管内径114.3mm，施工排量14m3/min，井口压力为78MPa。
表1各簇射孔参数表
Figure BDA0002522103200000061
按照本发明的实施方法，先对7簇射孔位置的地应力按照从小到大的顺序进行排序，然后经过试算、判断，最后得到在排量14m3/min条件下各射孔簇的开启顺序及效率，研判结果如表2所示。
表2开启顺序及效率
Figure BDA0002522103200000071
根据表2的研判结果，得出在当前应力及射孔参数条件下，排量14m3/min时本段仅能有效开启5簇射孔，且开启的顺序为③④⑤②①，开启效率为71.43％。应用本发明的研判结果，可为暂堵设计与施工提供技术指导，即在本段施工过程中需对已开启的5簇(59孔)进行暂堵，促使第6、7簇起裂延伸。

Claims (7)

1.一种确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、压裂层段各射孔簇摩阻计算：包括压裂施工过程中井筒沿程摩阻、孔眼摩阻、近井弯曲摩阻的计算；
b、系统水动力平衡数学建模：在现场实际排量条件下，应用各簇摩阻计算方法获取沿井筒至缝内水动力压力分布，根据施工总排量守恒，考虑各簇流量与压力相互耦合作用，由系统摩阻与缝内压力平衡关系研判各射孔簇能否有效开启及开启顺序；
c、射孔簇开启顺序及开启效率研判解释：应用系统水动力平衡数学模型判断射孔簇开启顺序及开启效率。
2.根据权利要求1所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤a中，从第(i-1)簇到第(i)簇在施工过程的井筒沿程摩阻计算公式为：
Figure FDA0002522103190000011
其中，Re为雷诺数，其计算公式为：
Figure FDA0002522103190000012
3.根据权利要求2所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤a中，第i簇孔眼摩阻计算公式为：
Figure FDA0002522103190000013
4.根据权利要求3所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤a中，第i簇近井扭曲摩阻计算公式为：
Figure FDA0002522103190000014
其中，相邻两簇井筒沿程摩阻pf((i-1)i)；第i簇孔眼摩阻ppf(i)；第i簇近井扭曲摩阻pnf(i)；携砂液密度ρ；每簇流量q(i)；近井扭曲系数Knwb；套管内径d；流体粘度μ；井口压力P(0)；静液压力PH(i)；注入总流量q(0)；总簇数n；每簇孔眼数Ni；相邻两簇孔眼测深hMD((i-1)i)；流量系数Cd＝0.85；孔眼直径dh；上述各参数均是矿场单位制。
5.根据权利要求4所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤b中，获取沿井筒至缝内水动力压力分布如下：
第i簇裂缝的缝内压力：
Pfrac(i)＝σh(i)+C (4)
初始及边界条件：Q＝0，Pfrac(i)＝Pfrac(j)；min(Pfrac(i))＝σh(i)C为附加系数；
对于第i簇射孔孔眼处由储层计算则有压力：
Pwf(i)＝Ppf(i)+Pnf(i)+Pfrac(i) (5)
同时对于第i簇从井口计算则有压力：
Pwf(i)＝P(0)+PH(i)-Pf(01)-Pf(12)-...-Pf((i-1)i) (6)。
6.根据权利要求5所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤b中，根据施工总排量守恒则有：
q(0)＝q(1)+q(2)+...+q(i)+...+q(n) (7)
储层最先开启的射孔簇是压裂层段最薄弱的地方，在此基础上能否开启次一级薄弱的射孔簇，则需判断系统是否满足同一个水动力压力平衡原理，即在当前排量条件下已开启的射孔簇的总摩阻能否有效克服已开和拟开启射孔簇之间的应力差异与两簇沿程摩阻之和；同理，再次一级薄弱射孔簇的开启判断以此类推，直至判断完压裂层段内所有的射孔簇；据此，则有：
Ppf(i)+Pnf(i)≥σh(i+1)-σh(i)+Pf(i(i+1)) (8)
联立式(5)、式(6)、式(7)，假设注入总排量q(0)条件下能够有效开启k簇(k<＝n)，则未知参数有各开启簇流量q(i)i＝1,2,3……n和近井扭曲系数Knwb，因为在同一压裂层段内，所以近井扭曲系数可视为均相同，即未知数有k+1个，而式(5)、式(6)合并后则有方程k+1个，解出各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，最后将求取的摩阻代入式(8)进行研判。
其中，第i簇裂缝的缝内压力pfrac(i)；第i簇最小水平主应力σh(i)；第i簇射孔孔眼处流体压力Pwf(i)；第i簇射孔孔眼处液柱压力PH(i)，上述各参数均是矿场单位制。
7.根据权利要求6所述的确定压裂层段射孔簇开启顺序及开启效率的方法，其特征在于：所述步骤c具体包括如下步骤：
c1、将压裂层段内所有射孔簇按照测井解释的最小水平主应力σh从小到大进行编号，即有σh(1)<σh(2)<σh(3)<……<σh(n)；并与原始顺序做好对应关系记录；
c2、假设在给定排量q(0)下能够有效开启m簇(m<＝n)，并应用式(5)、式(6)、式(7)解出假设的各开启簇流量q(i)和近井扭曲系数Knwb；
c3、应用解出的流量q(i)和近井扭曲系数Knwb，按照式(1)、式(2)、式(3)计算出假设开启的各簇井筒沿程摩阻Pf(i)、孔眼摩阻Ppf(i)、近井弯曲摩阻Pnf(i)；
c4、应用式(8)依次对可能开启的各个射孔簇进行研判，当第t簇不满足式(8)时，则需重新假设可能开启的簇数，将下次假设的开启簇数设置为t+1簇，并重复第二至第四步，直到所有假设可能开启的射孔簇均满足式(8)的压力平衡条件时止；
c5、由c4获取实际开启的射孔簇数，并按照c1的对应关系进行逆映射，则获得压裂层段各个射孔簇的开启顺序；
c6、由c4获取实际开启的射孔簇数占所有射孔簇数的百分比即为射孔簇的开启效率。
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