CN112084454A - 一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法。本发明包括如下步骤：根据压裂施工期间注入的压裂液量，建立压裂液在地层中渗流模型；根据所述渗流模型，获得真实空间井底压力解；根据压裂施工期间的排量、加砂将井口压力折算到井底压力，并对井底压力进行处理；利用真实空间井底压力解与处理的井底压力数据进行拟合，获得裂缝长度、渗透率及地层压力参数。本发明能够针对压裂液短时间内大量进入地层时产生裂缝，停泵后压裂液向地层内部扩散产生渗流，导致井底压力随时间不断降低，建立相应的地层渗流模型，通过求解方程及理论曲线与实测数据拟合技术，能够获得裂缝长度、地层平均压力和渗透率等参数，直接计算出单井产能。
Description
技术领域
本发明属于油藏工程技术领域，特别是涉及一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，具体涉及到压裂效果评价，通过提供的裂缝半长等参数，实现裂缝效果的定量评价，为压后产能计算提供准确可靠的参数。
背景技术
水力压裂已是油气田开发的一个重要的措施，尤其是美国页岩气革命后，大规模体积压裂已成为页岩油气、致密油气等非常规油气开发必不可少储层改造措施。由于大规模压裂需要数万方液和数千吨砂，每口井成本数千万甚至高达亿元人民币，对压裂的效果进行评价不仅涉及到未来如何制定油气开发制度，还为其他井压裂提供优化方案，从而大幅节约油气开发成本，目前常用的压后评价技术为微地震监测技术。
微地震裂缝监测的原理是：压裂时，由于地层压力的升高，根据摩尔-库伦准则，沿着压力升高区边缘会发生微地震。在水力压裂过程中，地层破裂(或裂缝延伸扩张)产生微地震波，微地震波在地层中以球面波的形式向四周传播，监测这些微震，确定震源位置，就可以确定裂缝轮廓。
微地震监测分为地面监测和井中监测两种方式。地面监测就是在监测目标区域(比如压裂井)周围的地面上，布置若干接收点进行微地震监测。井中监测就是在监测目标区域周围临近的一口或几口井中布置接收排列，进行微地震监测。由于地层吸收、传播路径复杂化等原因；与井中监测相比，地面监测所得到的资料存在微震事件少、信噪比低、反演可靠性差等缺点。
微地震监测主要包括数据采集、数据处理(震源成像)和精细反演等几个关键步骤。通过在井中或地面布置检波器排列接收生产活动所产生或诱导的微小地震事件；并通过对这些事件的反演求取微地震震源位置等参数；最后，通过这些参数对生产活动进行监控或指导。
从微地震原理及对裂缝监测方式可知：无论在地面还是井中监测，都需要布置大量的硬件设备，获得数据后还要进一步处理，最后通过精细反演进行压裂监测。所以微地震监测投入大(一个约20段的水平井多段压裂微地震监测费用400多万)、施工复杂，监测的参数也只有裂缝高度、长度及裂缝方位。与油气产能有关的参数如渗透率、裂缝导流系数等也无法给出。本发明依据流体传导特点，直接使用压裂施工数据(如排量、加砂比等)及停泵压力数据反演裂缝半长、渗透率等参数，数据获取成本几乎为零，同时还可以获得计算产能所需的参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，通过针对压裂液短时间内大量进入地层时产生裂缝，导致裂缝周围的压力远高于地层原始压力，停泵后压裂液向地层内部扩散产生渗流，导致井底压力随时间不断降低，建立相应的地层渗流模型，通过求解方程及理论曲线与实测数据拟合技术，能够获得裂缝长度、地层平均压力和渗透率，解决了现有的裂缝监测成本高昂、施工复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据压裂施工期间注入的压裂液量，建立压裂液在地层中渗流模型；
步骤S2：根据所述渗流模型，获得真实空间井底压力解；
步骤S3：根据压裂施工期间的排量、加砂等将井口压力折算到井底压力，并对井底压力进行适当的处理；
步骤S4：利用真实空间井底压力解与处理的井底压力数据进行拟合，获得裂缝长度、渗透率及地层压力等参数。
其中，步骤S2中，计算真实空间井底压力解步骤如下：
步骤S21：利用注入质量为m流体后流体密度满足的方程，求解无限大地层中压力分布解
其中，
步骤S22：利用
表达式，并沿裂缝方向进行积分，得到所述真实空间井底压力解pwD(tD)；
其中，
式中，pi表示原始地层压力，单位为MPa；χ＝k/(φμCt)表示导压系数，单位为m2/s；k表示地层渗透率，单位为um2；μ表示流体粘度，单位为mPa.s；φ为地层孔隙度；Ct表示地层综合压缩系数，单位为1/MPa；V表示注入量，单位为m3。
优选地，所述步骤S3中，折算的公式如下：
式中，p表示压力，单位为Pa或N/m2；ρ表示流体密度，单位为kg/m3；L、H分别表示两截面之间长度、垂向高差，单位为m；u表示流体速度，单位为m/s；g表示重力加速度，单位为m/s2；d表示管径，单位为m；f表示摩阻系数。
优选地，所述步骤S4中，包括如下步骤：
步骤S41：压裂停泵后井筒及裂缝充满大量的高压流体，井筒压力下降时流体体积膨胀，膨胀后的流体渗入地层；
其中，流体状态方程表示为：
式中，Cf表示流体压缩系统，单位为1/Pa；
表示井筒及裂缝中流体体积，单位为m3；
步骤S42：对实测的压裂停泵数据进行处理，并计算压力及导数，利用停泵压裂期间的井底无量纲压力及导数图版进行曲线拟合，得到时间拟合值TM、压力拟合值PM、CD和S。
本发明具有以下有益效果：
本发明能够针对压裂液短时间内大量进入地层时产生裂缝，停泵后压裂液向地层内部扩散产生渗流，导致井底压力随时间不断降低，建立相应的地层渗流模型，通过求解方程及理论曲线与实测数据拟合技术，能够获得裂缝长度、地层平均压力和渗透率等参数，直接计算出单井产能且数据获取成本低。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法步骤图；
图2为压裂液通过裂缝进入地层产生的三维压力分布示意图；
图3为压裂停泵后不同时间下的压力分布曲线示意图；
图4为垂直裂缝井点源积分示意图；
图5为停泵压力期间不同井储常数时的图版；
图6为停泵压力期间不同表皮的图版；
图7为压力及导数双对数曲线图；
图8为停泵压力数据分析双对数曲线拟合图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，如下步骤：
步骤S1：根据压裂施工期间注入的压裂液量，建立压裂液在地层中渗流模型；
步骤S2：根据所述渗流模型，获得真实空间井底压力解；
步骤S3：根据压裂施工期间的排量、加砂等将井口压力折算到井底压力，并对井底压力进行处理；
步骤S4：利用真实空间井底压力解与处理的井底压力数据进行拟合，获得裂缝长度、渗透率及地层压力等参数。
如图2所示，本发明能针对压裂液短时间内大量进入地层时产生裂缝，导致裂缝周围的压力远高于地层原始压力；如图3所示，在停泵后压裂液向地层内部扩散产生渗流，导致井底压力随时间不断降低，建立相应的地层渗流模型，通过求解方程及理论曲线与实测数据拟合技术，能够获得裂缝长度、地层平均压力和渗透率等参数。
其中，计算真实空间井底压力解步骤如下：
步骤S21：利用注入质量为m流体后流体密度满足的方程，求解无限大地层中压力分布解
其中，
步骤S22：利用
表达式，并沿裂缝方向进行积分，得到所述真实空间井底压力解pwD(tD)；
其中，
式中，pi表示原始地层压力，单位为MPa；χ＝k/(φμCt)表示导压系数，单位为m2/s；k表示地层渗透率，单位为um2；μ表示流体粘度，单位为mPa.s；φ为地层孔隙度；Ct表示地层综合压缩系数，单位为1/MPa；V表示注入量，单位为m3。
详细的推导过程如下，裂缝井的渗流模型为：
对无限大平面的微可压缩流体的渗流，密度ρ与压力p之间是线性关系，因此密度ρ也满足扩散方程。若t＝τ时刻在点M'(ξ,ζ)处注入质量为δm的流体，则密ρ所满足的方程及其定解条件为：
ρ(x→±∞,y→±∞,t)＝ρi (2)
令Δρ(x,y,t)＝ρi-ρ(x,y,t)，并对Δρ(x,y,t)作空间坐标x,y的Fourier变换：
根据边界条件(3)及Fourier变换性质，Fourier变换后方程变成：
很明显，常微分方程(5)的解为
对方程(7)作Fourier逆变换，于是实空间上的解Δρ(x,y,t)可表示成：
而积分：
将式(9)代入方程(8)，最后得到ρ(x，y，t)的表达式
式中，A为待定常数，它与注入量δm有关；
下面确定方程(10)中的常数A。设r2＝(x-ξ)2+(y-ζ)2，在t＞τ任意时刻，单位厚度的多孔介质中，流体质量增量δm为：
令u＝r2/[14.4χ(t-τ)]，则rdr＝7.2χ(t-τ)du，于是方程(11)可写成
所以
A＝δm/φ (13)
将式(13)代入方程(12)得到
根据状态方程、体积流量δv和质量流量δm之间的关系(δm＝ρiδv)，压力在地层中的分布
的表达式为
如图4所述，对于垂直裂缝井，假设沿裂缝方向为x轴，且注入时刻τ＝0，注入量为V，这样方程(15)中ζ＝0，且
通过对方程(15)沿x轴积分，得到垂直裂缝井的压力分布p(x,y,t)
通过定义无因次参数，可以得到无因次压力表达式
其中，无因次压力P(xD,yD,tD)＝172.8π[p(x,y,t)-pi]Ct；无因次时间
无量纲注入量
xf表示裂缝半长，单位m；无因次距离xD＝x/xf；yD＝y/xf；误差函数
地层无量纲压力表达式(17)中，取xD＝0和yD＝0，可以得到垂直裂缝井瞬时注入时的无量纲井底压力表达式：
其中，步骤S3中，折算的公式如下：
式中，p表示压力，单位为Pa或N/m2；ρ表示流体密度，单位为kg/m3；L、H分别表示两截面之间长度、垂向高差，单位为m；u表示流体速度，单位为m/s；g表示重力加速度，单位为m/s2；d表示管径，单位为m；f表示摩阻系数。
其中，步骤S4中，包括如下步骤：
步骤S41：压裂停泵后井筒及裂缝充满大量的高压流体，由于流体是微可压缩，井筒压力下降时流体体积膨胀，膨胀后的流体渗入地层；
其中，流体状态方程表示为：
式中，Cf表示流体压缩系统，单位为1/Pa；
表示井筒及裂缝中流体体积，单位为m3；
方程(20)可以改变为：
式中，
表示停泵后进入地层的流量，单位为m3/d；CfVw＝C可表示为可定义为井筒存储常数，单位为m3/Pa；Vw表示为井筒及裂缝的总体积，单位为m3。
考虑井筒存储及表皮后，停泵期间的井底压力PWD可表示为：
式中，
表示为无量纲井筒存储常数；S表示为表皮系数；PD为方程(18)给出的表达式。
请参阅图5和图6给出了不同井储常数及表皮时停泵压裂期间的井底无量纲压力及导数图版。
步骤S42：对实测的压裂停泵数据进行处理，并计算压力及导数，利用停泵压裂期间的井底无量纲压力及导数图版进行曲线拟合，得到时间拟合值TM、压力拟合值PM、CD和S，利用一下公式可以得到：
1)由压力拟合值PM可以得到
2)由时间拟合值TM得到
由CD可得到
根据本发明的利用压裂施工数据的反演解释方法，为压裂效果评估提供了简便实用的技术，能够直接解释裂缝半长、压后区域的渗透率及反映压裂液漏失的表皮系数，为油田致密油气、页岩气及煤层气的开发提供了技术支撑。本发明具有两大优势：(1)成本低，尤其是数据获取成本几乎为零；(2)拟合后的解释结果可直接给出裂缝半长、渗透率等参数，可直接计算单井产能。
本实施例的一个具体应用为：
由步骤S1、S2、S3通过编写计算程序，可以得到均质地层停泵时的井底压力及导数无量纲量双对数图，如图7所示，并将井口压力折算到井底压力；如下表1为我们输入的参数：
| 无量纲井储CD | 裂缝表皮 |
| 0.001 | 0.5 |
表1输入参数
图7中，实线为压力曲线，虚线为压力导数曲线。
步骤S4，通过对实际压力恢复曲线的求导，并绘制成压力及导数双对数曲线，与图7给出的图版进行拟合。
如下表2给出了了该井例的基本参数，图8给出了该井例的双对数压力及导数拟合图。
表2实例井基本参数如表3给出了该井的解释结果，与实际结果相符合。
表3解释结果
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据压裂施工期间注入的压裂液量，建立压裂液在地层中渗流模型；
步骤S2：根据所述渗流模型，获得真实空间井底压力解；
步骤S3：根据压裂施工期间的排量、加砂将井口压力折算到井底压力，并对井底压力进行处理；
步骤S4：利用真实空间井底压力解与处理的井底压力数据进行拟合，获得裂缝长度、渗透率及地层压力参数。
2.根据权利要求1所述的一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算真实空间井底压力解步骤如下：
步骤S21：利用注入质量为m流体后流体密度满足的方程，求解无限大地层中压力分布解
其中，
步骤S22：利用
表达式，并沿裂缝方向进行积分，得到所述真实空间井底压力解pwD(tD)；
式中，pi表示原始地层压力，单位为MPa；χ＝k/(φμCt)表示导压系数，单位为m2/s；k表示地层渗透率，单位为um2；μ表示流体粘度，单位为mPa.s；φ为地层孔隙度；Ct表示地层综合压缩系数，单位为1/MPa；V表示注入量，单位为m3。
3.根据权利要求1所述的一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，其特征在于，所述步骤S3中，折算的公式如下：
式中，p表示压力，单位为Pa或N/m2；ρ表示流体密度，单位为kg/m3；L、H分别表示两截面之间长度、垂向高差，单位为m；u表示流体速度，单位为m/s；g表示重力加速度，单位为m/s2；d表示管径，单位为m；f表示摩阻系数。
4.根据权利要求1所述的一种利用压裂施工数据获得裂缝长度方法，其特征在于，所述步骤S4中，包括如下步骤：
步骤S41：压裂停泵后井筒及裂缝充满大量的高压流体，井筒压力下降时流体体积膨胀，膨胀后的流体渗入地层；
其中，流体状态方程表示为：
式中，Cf表示流体压缩系统，单位为1/Pa；
表示井筒及裂缝中流体体积，单位为m3；
步骤S42：对实测的压裂停泵数据进行处理，并计算压力及导数，利用停泵压裂期间的井底无量纲压力及导数图版进行曲线拟合，得到时间拟合值TM、压力拟合值PM、CD和S。
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