CN112069746B - 一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水力压裂工艺中流体摩阻测试方法，具体涉及一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法。一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，包含以下三个步骤：(1)建立各支管间的流量、管径和摩阻系数的关系式；(2)初值求解；(3)并联管路下各支路管参数的终值求解，此过程用matlab编程计算。本发明具有三大优势：1.将理论公式推导与室内实验测试相结合，采用并联管路差压相等的方法，求解两条并联管路的分配排量，室内测试其中一条支路在模拟排量下的摩阻，即可得到另一条支路的管流摩阻；2.相比现有剪切速率相等、流速相等及雷诺数相似等常规方法准确性高，更便捷；3.较现有的流速相等摩阻预测准确度提高50％以上，误差控制在10％以内。

Description

一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法
技术领域
本发明涉及水力压裂工艺中流体摩阻测试方法，具体涉及一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法。
背景技术
近年来国际石油能源格局不断调整，非常规能源已成为能源接替的重要资源，致密油气、页岩油气的开采对国内能源结构的转变带来新的发展方向，但是针对非均质储层的非常规能源，常规压裂技术无法满足开采要求，必须寻求新的开发方式来动用可采资源储量。
体积压裂是随着非常规油气开采伴随而来的，主要是针对页岩油气、致密油气等非常规储层提出的有效开采方式，体积压裂是凭借地面泵效高对储层形成空间网状裂缝的开采技术，该压裂技术具有用液量多、施工排量高、开采规模大的特点，通过该技术的实施，动用了低渗透储层，解放了“无油”区域，实现了原油产量的大幅提升。
在体积压裂过程中施工排量一般为8-15m3/min，施工规模较大，对井口及管柱等设备的要求较高，同时流体摩阻对施工压力也有较大的影响，为了实现体积压裂降压增注的目的，压裂流体选用滑溜水作为主要压裂液用来降低施工压力，进而提高施工排量，增加储层改造规模，截止目前现场滑溜水摩阻压前测试主要依靠软件预测，室内测试流体摩阻无法准确预测现场摩阻，例如通过相同流速测试室内滑溜水较清水减阻率为70％时，现场实测减阻率为40％左右，误差较大，相同剪切速率和相似雷诺数方法测试的室内减阻率与现场减阻率差别较大。本发明是以化工原理并联管路时各支路等势能差为依托，借助粗糙管紊流运动模型，采用虚拟并联的方式实现现场管柱摩阻测试向室内测试的转变，准确性较高，可操作性强，解决了现场管柱摩阻预测的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，本方法解决由于管径太大或者排量太高而无法测试摩阻的问题，将现场管柱与室内测试管柱虚拟并联得到室内模拟排量，测试模拟排量下的室内流体摩阻进而得到现场工况下的流体摩阻，大大简化了现场流体摩阻测试程序。
具体方法如下：
一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，包含以下三个步骤：
(1)建立各支管间的流量、管径和摩阻系数的关系式；
因为并联管路在入口分流处及出口合流的势能值是唯一的，按照化工原理并联管路各支路损失势能相等的原则，即：hf1＝hf2
根据达西摩阻公式，管柱中的流动阻力损失可按下式计算：
因各支管流速vi不相同，而将该流速的计算方式代入上式经整理得：
由此式可以计算出各支管中的流量分配，即：
设定即
此关系式为并联管路中两支管分配流量qv1和qv2与总流量qv总，各支管内径D1和D2，摩阻系数λ1和λ2的关系式；
(2)初值求解
为了进行后续迭代计算，需要求解出各种初值。已知并联总排量为qv总，1#管内径为 D1、粗糙度为ε1、测试管长为l1，流体密度ρ1，流体粘度μ1；2#管内径为D2、粗糙度为ε2、测试管长为l2，流体密度ρ2，流体粘度μ2；
将各支管粗糙度ε和管径D带入摩阻系数公式：
求得两支管的λ1-1和λ2-1，随后将总排量为qv总，1#管内径为D1、摩阻系数为λ1-1、测试管长为l1，2#管内径为D2、摩阻系数为λ2-1、测试管长为l2带入(1)中关系式1，求得两支管分配流量qv1和qv2，再利用公式/>求得两支管流速v1和v2，最后利用公式/>求得支管中流体流动雷诺数Re1和Re2；
此初值求解部分得到了后续迭代计算所需要的初值。包含将λ1-1、λ2-1、Re1、Re2、ε1、ε2、D1和D2；
(3)并联管路下各支路管参数的终值求解，此过程可以用matlab编程计算
①首先利用粗糙圆管的紊流运动模型C.F.科尔布鲁克公式计算现场施工条件下的清水摩阻系数：
将关系式2进行简化求解出摩阻系数λ，
②将(2)中求解得到的λ1-1、λ2-1、Re1、Re2、ε1、ε2、D1和D2带入关系式3，得到
其中，λ1为1号管要求解的摩阻系数，λ1-i为求解过程中，1号管求解出来的瞬时摩阻系数，只有λ1-i-λ1-1≤0.001，求解结束，λ1＝λ1-i；2号管同理；
如果λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，则λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i，反之则令λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i继续代入关系式1，求解新的1管柱的排量qv1和管柱2的排量qv2，继续按照上面求解步骤继续求解，直至满足λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，停止计算，得到最终的1#管摩阻系数λ1＝λ1-i，2#管摩阻系数λ2＝λ2-i，最后把终值λ1和λ2带入关系式1求解出各支管的qv1和qv2。
通过此方法可以得到在总排量为qv时两支并联管的分配排量，摩阻系数，摩阻值等参数；
将该方法与压裂现场摩阻预测相结合，1号管视为现场压裂管柱，2号管视为室内测试管柱，将现场压裂管柱与室内测试管柱虚拟并联，设定现场施工排量为总排量，通过该方法模拟可以得到现场施工排量下对应的室内测试管柱测试排量，摩阻系数和摩阻值。对照模拟计算参数再调整室内测试管柱的测试参数，可以判断测试管柱摩阻与计算摩阻的准确性，同时在施工前可以通过摩阻预测和室内实测的方法预测现场施工摩阻，进而优化压裂施工参数。
优选地，所述现场施工管柱与室内测试管柱为内表面具有一定粗糙度的热轧钢管，且热轧钢管入井前外表面做防锈处理，内表面使用高压水枪进行冲洗并未进行涂装。
在压裂施工过程中流体流经管柱过程中属于紊流状态，另外市场现有压裂钢管主要来源于热轧型钢管内外表面具有一定的粗糙度，据了解新型钢管的绝对粗糙度为15- 50μm，钢管入井前外表面做防锈处理，内表面使用高压水枪进行冲洗并未进行涂装，因此选用的管柱均为具有内表面具有一定粗糙度的热轧钢管。
优选地，所述现场施工管柱与室内测试管柱为内表面具有一定粗糙度的冷轧钢管，且冷轧钢管入井前外表面做防锈处理。
本发明优势在于：
本发明具有三大优势：1.将理论公式推导与室内实验测试相结合，采用并联管路差压相等的方法，求解两条并联管路的分配排量，室内测试其中一条支路在模拟排量下的摩阻，即可得到另一条支路的管流摩阻，通过测试室内管柱摩阻进而得到现场摩阻，解决了现场管路摩阻无法测试的问题；2.此方法是直接以摩阻相等来测试的，通过该方法是以摩阻相等为桥梁，通过系列求解及测试得到的摩阻即为现场预测摩阻，相比现有剪切速率相等、流速相等及雷诺数相似等常规方法准确性高，更便捷；3.该方法能够通过计算出现场施工条件下所对应的室内测试条件，在室内测试条件下测试所用流体的摩阻，即为现场施工时的摩阻，能够进一步优化施工排量、井下工具及压裂液类型，较现有的流速相等摩阻预测准确度提高50％以上，误差控制在10％以内。
附图说明
图1为使用matlab的算法程序图示。
具体实施方式
实施例1
本实施例中，以设计YYP-1井压裂施工方案为例，目前该井井深为2542m，设计施工排量为12m3/min，压裂管路,即现场施工管柱的内径为121mm，通过压裂液摩阻测试预测井口压力并确定需要选择的压裂液类型，井口压力＝液体摩阻+近井摩阻+裂缝延伸压力－液体重力。
井口限压为68MPa，其中，近井摩阻+裂缝延伸压力－液体重力为49MPa，选择的压裂液摩阻必须小于19MPa，否则施工过程中将会超压停泵；
要实现利用实验室测试方法而得到现场施工管柱的的摩阻，其原理如下：
因为并联管路在入口分流处及出口合流的势能值是唯一的，按照化工原理并联管路各支路损失势能相等的原则，即：
hf1＝hf2
根据达西摩阻公式，管柱中的流动阻力损失可按下式计算：
因两支管流速vi不相同，而将该流速的计算方式代入上式经整理得：
由此式可以计算出各支管中的流量分配，即：
设定即
此关系式为并联管路中两支管分配流量qv1和qv2与总流量qv总，各支管内径D1和D2，摩阻系数λ1和λ2的关系式。
首先，试验开始前，对各参数进行模拟前设定值，其中模拟前设定值如表1-1所示：
表1-1模拟前设定值
其中，支管1为模拟的现场施工管柱，支管2为模拟的室内管柱；
其次，按照如下计算步骤，计算两支管相应的摩阻值：
(1)初值求解：
为了进行后续迭代计算，需要求解出各种初值；并联总排量为qv总，
设现场施工管柱为1号管，室内测试管柱为2号管；其中：1号管内径为D1、粗糙度为ε1、测试管长为l1，流体密度ρ1，流体粘度μ1；2#管内径为D2、粗糙度为ε2、测试管长为l2，流体密度ρ2，流体粘度μ2。
将两支管粗糙度ε和管径D带入摩阻系数公式：
求得两支管的λ1-1和λ2-1，随后将总排量为qv总，1#管内径为D1、摩阻系数为λ1-1、测试管长为l1，2#管内径为D2、摩阻系数为λ2-1、测试管长为l2带入步骤(1)中的关系式1，求得两支管分配流量qv1和qv2，再利用公式/>求得两支管流速v1和v2，最后利用公式/>求得支管中流体流动雷诺数Re1和Re2。
此初值求解部分得到了后续迭代计算所需要的初值，包含将λ1-1、λ2-1、Re1、 Re2、ε1、ε2、D1和D2。
并联管路下各支路管参数的终值求解，将表1-1中的所有参数值带入，采用MATLAB进行计算得到模拟结果为表1-2，此过程可以用matlab编程计算：
①首先利用粗糙圆管的紊流运动模型C.F.科尔布鲁克公式计算现场施工条件下的清水摩阻系数：
将关系式2进行简化求解出摩阻系数λ，
②将(2)中求解得到的λ1-1、λ2-1、Re1、Re2、ε1、ε2、D1和D2带入关系式3，得到
其中，λ1为1号管要求解的摩阻系数，λ1-i为求解过程中，1号管求解出来的瞬时摩阻系数，只有λ1-i-λ1-1≤0.001，求解结束，λ1＝λ1-i；2号管同理；
如果λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，则λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i，反之则令λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i继续代入关系式1，求解新的1管柱的排量qv1和管柱2的排量qv2，继续按照上面求解步骤继续求解，直至满足λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，停止计算，得到最终的1# 管摩阻系数λ1＝λ1-i，2#管摩阻系数λ2＝λ2-i，最后把终值λ1和λ2带入关系式1求解出各支管的qv1和qv2，同时求解出预测摩阻f。
表1-2模拟后结果
第二步，室内测试管内径为6mm，管壁粗糙度为25微米，液体粘度为1mPa.s，密度为1000kg/m3，测试管长为2.5m，测试流量为223kg/h条件下，液体摩阻为38.8KPa，通过计算可知室内测试管柱长为1000m时液体的实测摩阻为15.52MPa，将该实测摩阻与表1-2 中计算摩阻相比误差为7.0％，误差小于10％表明通过软件模拟然后室内测试的方法准确性较高。
第三步，参照第二步的测试条件，更换YYP-1井预选用的压裂液体系，在室内测试排量为223Kg/h时测试不同压裂液体系的摩阻值，计算出井深为2542m条件下的压裂液摩阻见表1-3：
表1-3模拟后结果
第四步，将1#-3#体系测试的摩阻带入井口压力，其中，井口压力＝液体摩阻+近井摩阻+裂缝延伸压力－液体重力，计算出预测井口压力发现若选择1#、2#体系后井口压力均大于限压68MPa，选用3#体系后井口压力为64MPa，符合井口限压的要求，因此选用3#体系作为YYP-1井的预选压裂液。

Claims (3)

1.一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，包含以下三个步骤：
(1)建立各支管间的流量、管径和摩阻系数的关系式；
因为并联管路在入口分流处及出口合流的势能值是唯一的，按照化工原理并联管路各支路损失势能相等的原则，即：
hf1＝hf2
根据达西摩阻公式，管柱中的流动阻力损失可按下式计算：
因各支管流速vi不相同，而将该流速的计算方式代入上式经整理得：
由此式可以计算出各支管中的流量分配，即：
设定即
此关系式为并联管路中两支管分配流量qv1和qv2与总流量qv总，各支管内径D1和D2，摩阻系数λ1和λ2的关系式；
(2)初值求解
为了进行后续迭代计算，需要求解出各种初值，已知并联总排量为qv总，1#管内径为D1、粗糙度为ε1、测试管长为l1，流体密度ρ1，流体粘度μ1；2#管内径为D2、粗糙度为ε2、测试管长为l2，流体密度ρ2，流体粘度μ2；
将两支管粗糙度ε和管径D代入摩阻系数公式： 求得两支管的λ1-1和λ2-1，随后将总排量为qv总，1号管内径为D1、摩阻系数为λ1-1、测试管长为l1，2号管内径为D2、摩阻系数为λ2-1、测试管长为l2代入(1)中关系式1，求得两支管分配流量qv1和qv2，再利用公式/>求得两支管流速v1和v2，最后利用公式求得支管中流体流动雷诺数Re1和Re2；
此初值求解部分得到了后续迭代计算所需要的初值，包含将λ1-1、λ2-1、Re1、Re2、ε1、ε2、D1和D2；
(3)并联管路下各支路管参数的终值求解，此过程可以用matlab编程计算
①首先利用粗糙圆管的紊流运动模型C.F.科尔布鲁克公式计算现场施工条件下的清水摩阻系数：
将关系式2进行简化求解出摩阻系数λ，
②将(2)中求解得到的λ1-1、λ2-1、Re1、Re2、ε1、ε2、D1和D2代入关系式3，得到
其中，λ1为1号管要求解的摩阻系数，λ1-i为求解过程中，1号管求解出来的瞬时摩阻系数，只有λ1-i-λ1-1≤0.001，求解结束，λ1＝λ1-i；2号管同理；
如果λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，则λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i，反之则令λ1＝λ1-i、λ2＝λ2-i继续代入关系式1，求解新的1管柱的排量qv1和管柱2的排量qv2，继续按照上面求解步骤继续求解，直至满足λ1-i-λ1-1≤0.001且λ2-i-λ2-1≤0.001，停止计算，得到最终的1#管摩阻系数λ1＝λ1-i，2#管摩阻系数λ2＝λ2-i，最后把终值λ1和λ2代入关系式1求解出各支管的qv1和qv2；
通过此方法可以得到在总排量为qv时两支并联管的分配排量，摩阻系数，摩阻值参数；
将该方法与压裂现场摩阻预测相结合，1号管视为现场压裂管柱，2号管视为室内测试管柱，将现场压裂管柱与室内测试管柱虚拟并联，设定现场施工排量为总排量，通过该方法模拟可以得到现场施工排量下对应的室内测试管柱测试排量，摩阻系数和摩阻值；对照模拟计算参数再调整室内测试管柱的测试参数，可以判断测试管柱摩阻与计算摩阻的准确性，同时在施工前可以通过摩阻预测和室内实测的方法预测现场施工摩阻，进而优化压裂施工参数。
2.根据权利要求1所述一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，其特征在于：所述现场压裂管柱与室内测试管柱为内表面具有一定粗糙度的热轧钢管，且热轧钢管入井前外表面做防锈处理，内表面使用高压水枪进行冲洗并未进行涂装。
3.根据权利要求1所述一种虚拟并联等差压法的压裂管柱摩阻测试方法，其特征在于：所述现场压裂管柱与室内测试管柱为内表面具有一定粗糙度的冷轧钢管，且冷轧钢管入井前外表面做防锈处理。
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水平井无限级压裂滑套摩阻模型建立与验证;付玉坤;;石油钻采工艺(第01期);全文 *

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