CN112417644B - 水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明水平井压裂技术领域，具体是一种水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，包括以下步骤：(1)数据收集；(2)段簇间距设计；(3)单段簇数设计；(4)单段孔眼数量设计；(5)相位角设计；(6)施工排量与规模设计；(7)加砂方式设计。本发明能够解决现有压裂工艺存在的有效裂缝条数较低、泄气面积小、无法实现均匀改造、支撑剂铺置效果差、单井施工成本相对较高等问题，本发明通过采用的“细分段密分簇+极限限流+高强度加砂”压裂工艺，在不增加平均施工成本的基础上，有效地增加了泄气面积，提高了产能，提高了多簇段内射孔簇效率，实现了多簇裂缝均匀改造；通过对加砂方式优化和入井材料的优选，大幅提升支撑剂的铺置效果，提升了有效裂缝质量和改造强度。

Description

水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法
技术领域
本发明涉及水平井压裂技术领域，具体是一种水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法。
背景技术
水平井分段压裂是实现页岩气商业开发的主要工艺技术，该技术是通过封隔工具将水平井分为不同的段，在每一段内进行多簇同时压裂，从而对页岩气储层进行增产改造，实现页岩气的高效开发。目前，国内针对页岩气的水平井分段压裂技术主要为泵送桥塞射孔联作分段压裂工艺，其工艺参数主要为：单段段长70-80m，簇间距25-35m，单段射孔以3簇等长度射孔为主，采用变黏度、变排量、段塞式加砂模式，交替注入滑溜水和线性胶。
以上现有工艺存在的主要问题有：因为每段内的簇间距较大，也导致形成的裂缝间距大，不容易形成复杂裂缝，导致有效裂缝条数较低、泄气面积小、无法实现均匀改造；段塞式加砂模式，中间加砂出现停顿，砂分布不连续，使得支撑剂铺置效果差。因此，基于以上问题需要建立一种全新的压裂工艺，以便提高水平段改造强度和缝网复杂度。
发明内容
本发明意在提供一种水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，以解决现有压裂工艺存在的有效裂缝条数较低、泄气面积小、无法实现均匀改造、支撑剂铺置效果差的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，包括以下步骤：
(1)数据收集：收集地质参数，并建立地质模型；
(2)段簇间距设计：根据收集的地质参数，模拟计算不同段簇间距下的压力场和应力场，以此为基础，在合适范围内缩小段簇间距；
(3)单段簇数设计：利用裂缝诱导应力计算模型，结合加密井地质特征参数，分析不同净压力下地应力分布特征，同时根据软件模拟不同排量、不同射孔簇数下的缝内净压力，选取合适的单段的射孔簇数；
(4)单段孔眼数量设计：利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数，同时根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化；
(5)相位角设计：采用螺旋射孔工艺，能有效适应复杂地层环境，降低裂缝起裂压力，单簇孔眼周向均布。
(6)施工排量与规模设计：通过分析不同净压力值下，缝网起裂和延伸情况，结合地质建模结果，采用离散裂缝网络模型(DFN)对压裂液量和加砂量进行优化设计；
(7)加砂方式设计：采用连续加砂。
本发明的原理和有益效果为：
(1)数据收集：收集地质参数，并建立地质模型；对地下情况进行全面了解，对地质进行全面的分析，以便后续计算不同段簇间距下的压力场和应力场；
(2)段簇间距设计：根据收集的地质参数，模拟计算不同段簇间距下的压力场和应力场，以此为基础，在合适范围内缩小段簇间距；
(3)单段簇数设计：利用裂缝诱导应力计算模型，结合加密井地质特征参数，分析不同净压力下地应力分布特征，同时根据软件模拟不同排量、不同射孔簇数下的缝内净压力，选取合适的单段的射孔簇数；缩小单段内簇间距，增加单段内簇的数量，簇分布更加均匀，使得段内裂缝更多，更易产生复杂的裂缝网，裂缝更易延伸，从而提高水平井近处的气产量；
(4)单段孔眼数量设计：利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数，同时根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化；减少孔眼数量可以有效提高射孔孔眼摩阻，压裂液经过孔眼进入裂缝中时会产生较大的压力降，会显著减少中间与外部裂缝内压力的差异，从而促进流量在各簇裂缝间的均匀分配；
(5)相位角设计：采用螺旋射孔工艺，能有效适应复杂地层环境，降低裂缝起裂压力，单簇孔眼周向均布；采用螺旋射孔工艺，找出相位角式射孔，可保证孔眼周向分布均匀，达到全方位的射孔，使得地层各处均能受到压裂；
(6)施工排量与规模设计：通过分析不同净压力值下，缝网起裂和延伸情况，结合地质建模结果，采用离散裂缝网络模型(DFN)对压裂液量和加砂量进行优化设计；打入适量的压裂液和砂，既保证成本，也使得压裂效果更好；
(7)加砂方式设计：采用连续加砂。连续加砂，支撑剂铺设效果好，能够促进裂缝转向，有效提高裂缝复杂度，同时增加近井地带缝网导流能力。
本发明的实质是通过储层物性、裂缝发育、构造应力以及可压性评价入手，对水平井进行多段多簇压裂设计，结合射孔段簇优化、极限限流压裂理论以及连续加砂模式，在不增加平均施工成本的基础上，有效地增加了泄气面积，提高了产能，提高了多簇段内射孔簇效率，也实现了多簇裂缝均匀改造；大幅提升支撑剂的铺置效果，提升了有效裂缝质量和改造强度。
进一步，步骤(1)中所述地质参数包括储层埋深、孔隙压力、构造应力、矿物组分。对地下情况进行全面了解，对地质进行全面的分析，更便于掌握地质情况，从而更好地对后续步骤中的参数进行分析设计。
有益效果：连接管用于与连接杆连接，连接杆用于安装涡轮，通过连接管和连接杆的结构安装涡轮，不仅结构简单且安装方便。
进一步，步骤(3)和步骤(4)中根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化。
有益效果：通过模型的对比分析，更好地设计出单段簇数；采用极限限流压裂的理论对裂缝延伸、流量分配、孔眼摩阻等情况进行模拟分析，再利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数。
进一步，步骤(3)和步骤(4)中需要使用到总流量守恒原理，即压裂液进入每条裂缝的流量之和等于施工总排量：
Figure GDA0002863613400000031
式中，Qt为施工排量，m3/min；Qi为第i条裂缝缝内流量，m3/min。
有益效果：通过以上公式，更好地计算出每条裂缝的流量、裂缝延伸情况。
进一步，步骤(3)和步骤(4)中，压裂过程中每个射孔簇产生一条裂缝，若要实现多条裂缝同时起裂与扩展，还需要综合考虑水平段内各簇裂缝的缝内流体压力、沿程摩阻、破裂压力以及各射孔簇的孔眼摩阻之间的压力平衡：
Figure GDA0002863613400000032
孔眼摩阻为：
Figure GDA0002863613400000033
沿程井筒摩阻为：
Figure GDA0002863613400000034
式中，pm,i为第条裂缝破裂压力，MPa；pf,i为第i簇射孔孔眼摩阻，MPa；pi,i-1为第i-1条裂缝到第i条裂缝沿程摩阻，MPa；ρf为写砂液密度，g/m3；Np为孔眼个数；dh为孔眼直径，cm；Cd为流量系数，λ为沿程阻力系数；ν为压裂液在水平井筒中的流速，m/s；D为水平井筒内径，m；l为从第i-1簇到第i簇沿程管路长度，cm。
有益效果：通过以上式子，通过对每条裂缝的流量、水平段内各簇裂缝的缝内流体压力、沿程摩阻、破裂压力以及各射孔簇的孔眼摩阻之间的压力进行分析，可技算出更优的单簇孔眼数。
进一步，步骤(5)中当单簇孔数大于4时，相位角为60°；当单簇孔数为4时，相位角为90°；当单簇孔数为3时，相位角为120°。
有益效果：有效保障360°全方位射孔。
进一步，步骤(7)中连续加砂方式为采用三种支撑剂逐渐加入，先加入70/140目石英砂的设计砂比3-10％，逐渐提高砂比；后续加入40/70目石英砂进行充填，设计砂比为4-16％，逐渐提高砂比；最后阶段加入40/70目树脂覆膜砂进行封口，设计砂比为14-17％，逐渐提高砂比。
有益效果：采用连续加砂，中途“变粒径”，能够促进裂缝转向，有效提高裂缝复杂度，同时增加近井地带缝网导流能力。本发明采用3种支撑剂组合，其中70/140目石英砂的设计砂比3-10％，逐步提高砂比，起到降低裂缝滤失和打磨孔眼的作用；后续采用40/70目石英砂进行充填，设计砂比为4-16％，逐步提高砂比，对裂缝起到主要支撑的作用；最后阶段采用40/70目树脂覆膜砂进行封口，设计砂比为14-17％，逐步提高砂比，保证近井地带裂缝的有效支撑，同时避免返排期间井口出砂。
附图说明
图1水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的设计流程图；
图2水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的螺旋射孔示意图；
图3水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的单段孔眼数量设计步骤；
图4水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的限流压裂压力平衡示意图；
图5水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的10簇射孔流量分配情况图；
图6水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的10簇射孔孔眼摩阻随时间变化情况图；
图7水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法的实际泵注设计示例图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
如图1到图7所示，水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，包括以下步骤：
(1)收集水平井的地质参数包括：储层埋深、孔隙压力、构造应力、矿物组分等，并建立相应的地质模型。
(2)段簇间距设计：根据已知的水平段穿行情况、固井情况、曲率发育特征等地质和工程参数，模拟计算不同段簇间距下的压力场和应力场，以此为基础，计算最佳的段簇间距，在适当范围内尽量缩小段簇间距。根据不同储层区域的地质评价，进一步对储层可压性进行定量化计算，单段段长一般设计为50-68m，单段簇间距设计为平均5.4m左右。
(3)单段簇数设计：在总簇数一定的情况下，单段簇数越多，压裂改造所需的压裂段就越少，但单段内簇数也不宜太多。利用裂缝诱导应力计算模型，结合加密井地质特征参数，分析不同净压力下地应力分布特征，同时模拟不同排量、不同射孔簇数下的缝内净压力，模拟显示在排量一定的情况下，射孔簇数越多，缝内净压力越低。在14-16m3/min的施工排量下，一旦射孔簇数超过10簇，净压力将低于最大、最小水平主应力差值，不利于形成复杂裂缝，因此，单段的射孔簇数存在一个最优值，一般单段设置9-10簇。
(4)单段孔眼数量设计：研究结果表明,减少孔眼数量可以有效提高射孔孔眼摩阻，压裂液经过孔眼进入裂缝中时会产生较大的压力降，会显著减少中间与外部裂缝内压力的差异，从而促进流量在各簇裂缝间的均匀分配。因此,采用限流射孔的思路,综合考虑施工过程中的井筒、炮眼摩阻、裂缝内压降以及地层滤失等影响，对排量在每条裂缝间进行分配。利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数，同时根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化，具体步骤见图3。采用极限限流压裂的理论对裂缝延伸、流量分配、孔眼摩阻等情况进行模拟分析，再利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数，同时根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化(见式1-4)；
总流量守恒原理，即压裂液进入每条裂缝的流量之和等于施工总排量：
Figure GDA0002863613400000061
压裂过程中每个射孔簇产生一条裂缝，若要实现多条裂缝同时起裂与扩展，还需要综合考虑水平段内各簇裂缝的缝内流体压力、沿程摩阻、破裂压力以及各射孔簇的孔眼摩阻之间的压力平衡：
Figure GDA0002863613400000062
式中，Qt为施工排量，m3/min；Qi为第i条裂缝缝内流量，m3/min；pm,i为第条裂缝破裂压力，MPa；pf,i为第i簇射孔孔眼摩阻，MPa；pi,i-1为第i-1条裂缝到第i条裂缝沿程摩阻，MPa；
孔眼摩阻为：
Figure GDA0002863613400000063
式中，ρf为写砂液密度，g/m3；Np为孔眼个数；dh为孔眼直径，cm；Cd为流量系数。
沿程井筒摩阻为：
Figure GDA0002863613400000064
式中，λ为沿程阻力系数；v为压裂液在水平井筒中的流速，m/s；D为水平井筒内径，m；l为从第i-1簇到第i簇沿程管路长度，cm。
单簇孔眼数量一般设计为4个。
(5)相位角设计：采用螺旋射孔工艺，能有效适应复杂地层环境，降低裂缝起裂压力，设计为当单簇孔数大于4时，相位角为60°；当单簇孔数为4时，相位角为90°；当单簇孔数为3时，相位角为120°,有效保障360°全方位射孔。
(6)施工排量与规模设计：通过对段簇间距、簇数、孔眼数量、相位角等参数的优化，进一步分析不同净压力值下，缝网起裂和延伸情况，兼顾缝网的几何形态、现场施工能力等情况，综合分析优化施工排量。结合地质建模结果，采用离散裂缝网络模型(DFN)对压裂液量和加砂量进行优化设计。通过将实际的泵注参数与离散裂缝网络模型拟合，建立模型后分别对目标层位不同簇数条件下施工规模进行优化。
(7)加砂方式设计：采用3种支撑剂组合连续加砂，其中70/140目石英砂的设计砂比3-10％，逐步提高砂比，起到降低裂缝滤失和打磨孔眼的作用；后续采用40/70目石英砂进行充填，设计砂比为4-16％，逐步提高砂比，对裂缝起到主要支撑的作用；最后阶段采用40/70目树脂覆膜砂进行封口，设计砂比为14-17％，逐步提高砂比，保证近井地带裂缝的有效支撑，同时避免返排期间井口出砂；采用连续加砂，中途“变粒径”，能够促进裂缝转向，有效提高裂缝复杂度，同时增加近井地带缝网导流能力。
该水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法设计出的水平井多段多簇极限限流压裂工艺成功应用于中国石油化工股份有限公司涪陵地区多口页岩气井的压裂改造，根据设计，改造过程中减短单段段长，增加段数，单段增加簇数，平均簇间距减短，单簇孔眼数量减少，采用螺旋射孔工艺，保证足够的相位角，采用连续加砂，相较使用现有压裂工艺开出的页岩气井的单井初期无阻流量提高了35.4％-200％，同时采用段簇优化后，水平段段数虽增加，但平均单井作业成本可也未增加。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据收集：收集地质参数，并建立地质模型；
(2)段簇间距设计：根据收集的地质参数，模拟计算不同段簇间距下的压力场和应力场，以此为基础，在合适范围内缩小段簇间距；
(3)单段簇数设计：利用裂缝诱导应力计算模型，结合加密井地质特征参数，分析不同净压力下地应力分布特征，同时根据软件模拟不同排量、不同射孔簇数下的缝内净压力，选取合适的单段的射孔簇数；
(4)单段孔眼数量设计：利用孔眼摩阻计算模型算出总射孔数，同时根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化；
(5)相位角设计：采用螺旋射孔工艺，能有效适应复杂地层环境，降低裂缝起裂压力，单簇孔眼周向均布；
(6)施工排量与规模设计：通过分析不同净压力值下，缝网起裂和延伸情况，结合地质建模结果，采用离散裂缝网络模型(DFN)对压裂液量和加砂量进行优化设计；
(7)加砂方式设计：采用连续加砂。
2.根据权利要求1所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述地质参数包括储层埋深、孔隙压力、构造应力、矿物组分。
3.根据权利要求1所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中根据限流压裂流量分配模型与三维裂缝延伸模型计算出各时间段内的裂缝延伸参数和各层流量的变化。
4.根据权利要求3所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中需要使用到总流量守恒原理，即压裂液进入每条裂缝的流量之和等于施工总排量：
Figure FDA0002863613390000011
式中，Qt为施工排量，m3/min；Qi为第i条裂缝缝内流量，m3/min。
5.根据权利要求4所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中，压裂过程中每个射孔簇产生一条裂缝，若要实现多条裂缝同时起裂与扩展，还需要综合考虑水平段内各簇裂缝的缝内流体压力、沿程摩阻、破裂压力以及各射孔簇的孔眼摩阻之间的压力平衡：
Figure FDA0002863613390000012
孔眼摩阻为：
Figure FDA0002863613390000013
沿程井筒摩阻为：
Figure FDA0002863613390000014
式中，pm,i为第条裂缝破裂压力，MPa；pf,i为第i簇射孔孔眼摩阻，MPa；pi,i-1为第i-1条裂缝到第i条裂缝沿程摩阻，MPa；ρf为写砂液密度，g/m3；Np为孔眼个数；dh为孔眼直径，cm；Cd为流量系数，λ为沿程阻力系数；ν为压裂液在水平井筒中的流速，m/s；D为水平井筒内径，m；l为从第i-1簇到第i簇沿程管路长度，cm。
6.根据权利要求1所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(5)中当单簇孔数大于4时，相位角为60°；当单簇孔数为4时，相位角为90°；当单簇孔数为3时，相位角为120°。
7.根据权利要求1所述的水平井多段多簇极限限流压裂工艺设计方法，其特征在于，步骤(7)中连续加砂方式为采用三种支撑剂逐渐加入，先加入70/140目石英砂的设计砂比3-10％；后续加入40/70目石英砂进行充填，设计砂比为4-16％；最后阶段加入40/70目树脂覆膜砂进行封口，设计砂比为14-17％。
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