CN112878977B - 一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法，包括以下步骤，S1获取目标储层平均原地应力参数；S2依据储层平均两向水平地应力差异，将储层划分为高应力差异储层和低应力差异储层；S3获取储段内射孔簇位置的岩石力学参数及压裂施工参数；S4建立目标储层射孔簇间距优化目标；S5模拟不同簇间距下裂缝扩展情况，计算对应的多簇射孔簇间距优化目标值；S6对比不同裂缝间距下对应优化目标的大小，获取最优射孔簇间距大小。本发明能有针对性的提高不同储层类型的射孔簇间距设计效率和合理性，大幅提升压裂改造效果，提高多簇压裂井单井产量。对科学设计致密储层分簇射孔簇间距方案、高效开发致密油气藏具有重要意义。

Description

一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气开发技术领域，尤其涉及一种适于致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化新方法。

背景技术

我国非常规油气勘探开发已取得重要进展，具有较好的开发前景。其中页岩气、致密油、页岩油等致密储层的开发都依靠于大型分段多簇压裂技术。在多簇裂压裂过程中，多簇射孔压裂的目标是压后获取更高的SRV和单井产量，射孔簇间距设置是多簇压裂设计的核心之一，合理射孔簇间距的设计对致密油压裂改造获得更高的压裂产能有着至关重要的影响。

国内外针对簇间的优化设计进行了大量研究，但当前致密储层射孔簇间距优化过程中缺乏合理的优化目标和优化方法。未能充分考虑不同类型油气藏压裂改造情况下合理簇间距优化目标；在低两向水平地应力差异、且裂缝发育储层，多簇射孔压裂主要目的是利于多簇复杂缝网形成，增大裂缝改造区域，压裂影响区域内的地层压力增加或裂缝转向，会激活或沟通更多天然裂缝、增大压裂改造体积，提高压后渗流面积。而对于高两向水平地应力差异天然裂缝不发育的储层，在段内分簇射孔采用缩小间距的细分割密集压裂以造多缝为主，充分动用甜点储层，其主要目的是形成有效的导流裂缝，较小射孔簇间距情况下已不必要形成复杂裂缝网络，因此两种不同类型油气藏簇间距优化目标存在明显差异。且当前射孔簇间距优化方法中均假设先压裂缝为垂直裂缝、且固定裂缝长度和净压力情况下分析不同应力差下的最大裂缝转向面积，未能考虑多簇裂缝延伸裂缝转向、岩石变形等因素对多簇裂缝延伸形态的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，现有针对射孔簇间的优化设计中没有根据储层差异分类优化，没有考虑多簇裂缝延伸裂缝转向、岩石变形等因素对多簇裂缝延伸形态的影响，致密储层射孔簇间距优化过程中缺乏合理的优化目标和优化方法。

本发明提供一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法，包括以下步骤，

S1获取目标储层平均原地应力参数；

S2依据储层平均两向水平地应力差异，将储层划分为高应力差异储层和低应力差异储层；

S3获取储段内射孔簇位置的岩石力学参数及压裂施工参数；

S4建立目标储层射孔簇间距优化目标；

S5模拟不同簇间距下裂缝扩展情况，计算对应的多簇射孔簇间距优化目标值；

S6对比不同裂缝间距下对应优化目标的大小，获取最优射孔簇间距大小。

进一步的，所述层平均原地应力参数包括，垂向主应力值、最大水平主应力值和最小水平主应力值。

进一步的，水平应力差异系数表示为：

其中，σ_H表示最大水平地应力，单位为MPa，σ_h表示最小水平主应力，单位MPa；

储层平均两向水平应力差异系数大于0.25时，划分为高水平应力差异储层；

储层平均两向水平应力差异系数小于0.25时，划分为低水平应力差异储层；

进一步的，所述步骤S4包括，

在低水平应力差异储层情况下，确立簇间距优化目标为多簇裂缝诱导应力影响区；

在高水平应力差异储层情况下，确立簇间距优化目标为多簇裂缝延伸总面积；

进一步的，所述步骤S5中低地应力差异储层射孔簇间距的设计方法为：

确立多簇裂缝转向扩展判定条件为：

式中：σ_lx表示诱导应力平面坐标x方向分量,σ_ly表示诱导应力平面坐标y方向分量，单位为MPa,n-1表示已存在裂缝条数，n≥2；

在给定压裂施工参数时，计算多缝延伸之后的裂缝诱导应力影响区面积，多簇裂缝诱导应力影响区面积大小用A_if表示，A_if采用网格单元集合进行数值积分计算：

式中，A_i表示多簇裂缝影响面积，单位为m³，Ω_SA表示影响面积区域，χ表示单元,Δx(χ)、Δy(χ)表示χ单元x、y方向长度，单位为m，χ_T表示裂缝周围位置的储层单元集合；

多簇裂缝对周围地层产生的影响区的相对大小ηI，采用影响区面积A_if与模拟总区域面积A_T之比表示：

进一步的，所述步骤S5中高地应力差异储层射孔簇间距的设计方法为：

将簇间距优化目标确定为多簇射孔压裂缝面积：

式中，n_i为裂缝条数,w_fi，j为裂缝单元缝宽,s_fi，j为裂缝单元缝长。

本发明的有益效果是，依据储层平均两向水平应力差异系数将目标储层划分为低水平应力差异下天然裂缝发育储层和高水平应力差下天然裂缝不发育储层两种情况，针对不同储层类型特征合理优选射孔簇间距优化目标，考虑多簇裂缝实际压裂扩展的影响因素和多簇裂缝扩展形态，展开多簇压裂射孔簇间距优化优化设计。本发明能有针对性的提高不同储层类型的射孔簇间距设计效率和合理性，大幅提升压裂改造效果，提高多簇压裂井单井产量。对科学设计致密储层分簇射孔簇间距方案、高效开发致密油气藏具有重要意义。

附图说明

图1实施流程图。

图2段内采取三簇射孔时裂缝扩展形态图，从左至又分别为a)簇间距为10m；b)簇间距为15m；c)簇间距为25m。

图3不同射孔簇间距对应的多簇裂缝面积对比图。

图4段内三簇时不同簇间距下的多裂缝影响区平面图。

图5段内三簇时不同簇间距下的多裂缝影响区占比图。

具体实施方式

本发明提供一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法，具体包含以下几个步骤：

S1目标储层平均原地应力参数获取。

获取储层平均原地应力参数包括，垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力值。

S2储层平均两向水平地应力差异大小将储层划分为两类。

步骤：计算储层平均两向水平应力差异系数大小将储层划分为两类：

其中，水平应力差异系数可表示为：

其中，σ_H表示最大水平地应力，单位为MPa；σ_h表示最小水平主应力，单位为MPa；

①水平应力差异系数大于0.25时，划分为高应力差异储层，形成复杂缝网困难。

②当水平应力差异系数小于0.25时，划分为低应力差异储层，利于复杂缝网产生。

S3段内射孔簇位置的岩石力学参数及压裂施工参数获取。

S4建立目标储层射孔簇间距优化目标确立。

S4包括：

①在低应力差异储层情况下，确立目标为：多簇裂缝诱导应力影响区

②在高应力差异储层情况下，确立目标为：多簇裂缝延伸总面积

S5模拟不同簇间距下裂缝扩展情况及对应的多簇射孔簇间距优化目标值计算。

S5包括，

①在低应力差异储层情况下，模拟采用低应力差异储层裂缝扩展模型模拟，计算多簇裂缝延伸形态及簇间距优化目标对应的多簇裂缝延伸面积。

②在低应力差异储层情况下，模拟采用高应力差异储层裂缝扩展模型模拟，计算多簇裂缝延伸形态及簇间距优化目标对应的多簇裂缝影响区大小。

S6对比不同裂缝间距下对应优化目标的大小，获取最优射孔簇间距大小S5。

①在高应力差异储层情况下，多簇裂缝扩展模拟包含以下几个步骤：

(1)多簇间流动流体动态分配。

根据流量分配方程对各裂缝缝口流量进行计算，多裂缝同时延伸时的压裂段内多簇裂缝内流量守恒可表示为：

式中：q_L,j表示第j段水平井段内的流量，单位为m³/s；q_z表示压裂液总流量，单位为m³/s，j表示井段号，q_i表示进入各簇的流量。

(2)多簇间流体压力平衡关系

段内多簇射孔后压裂液流动的压力平衡关系服从基尔霍夫第二定律，表示为水平段内的总压降为射孔孔眼摩阻、裂缝内压降、井筒内沿程摩阻之和：

式中：p_per,i表示第i个簇位置射孔孔眼的摩阻，单位为Pa；p_g表示压裂井筒跟端处的压力，单位为Pa；p_fk,i表示第i条裂缝在缝口的压力，单位为Pa；p_f,j表示第j个井段的沿程压降，单位为Pa；i表示分别表示裂缝编号,j表示表示裂缝井段号；其中，压裂液在井筒的沿程压降。

(3)分簇射孔压裂缝缝内流动

多簇压裂过程中注入压裂液量应等于裂缝体积增量加上压裂液的滤失量，则全局物质平衡的方程表示为：

式中：L_f,i表示第i条压裂缝的长度，单位为m；N为压开的裂缝条数；q_lv表示压裂液的滤失速率，单位为m/s，t表示泵注时间，h_f为裂缝高度,单位为m,w_f裂缝宽度,单位为m,s为裂缝延伸位置,单位为m，q_z表示泵注排量单位为m³/s，N为裂缝簇数。

(4)模拟多簇裂缝延伸诱导应力场分布。

多簇压裂裂缝扩展过程中，多个裂缝单元存在相互影响，此时的诱导应力场法向和切向应力可以表示为：

式中：

为裂缝法向应力、

为裂缝切向应力，单位为Pa；

为裂缝应变量，单位为m；i，j取值1～N，M^ij为缝高校正因子,C_nn为裂缝单元法向应力，C_ss为裂缝单元切向应力,C_ns、C_sn为裂缝单元平面应变。

(5)裂缝延伸判别

多裂缝同步扩展情况下，首先计算各条裂缝缝尖应力强度因子，判别各裂缝是否满足继续扩展的条件，满足时则缝尖增加一个单元，根据最大周向应力理论，用等效强度因子表示的最大周向应力准则为：

式中：K_Ⅰ、K_Ⅱ分别为第一类、二类应力强度因子，与裂缝尖端元法向应变量、切向应变量、离散裂缝单元长度的半长、储层岩石剪切模量、泊松比有关,K_IC为Ⅰ型断裂韧性指数，单位为MPa·m^1/2,θ_f表示裂缝转向角度，单位为度。

裂缝延伸过程中的裂缝尖端的转向角表示为：

耦合多簇压裂裂缝扩展过程中岩石变形产生的诱导应力场和多簇间流体的动态分配，构建非线性方程组进行求解。耦合模型先通过裂缝诱导应力场模型计算法向和切向位移，整个应力和流体压力耦合场的非线性方程组通过迭代法多次耦合迭代求解计算。

②在低应力差异储层情况下，多簇裂缝扩展模拟包含以下几个步骤：

为减小计算量，低应力差异的射孔簇间距优化时扩展模型中忽略了多簇井筒流动的影响。(S23)模拟多簇裂缝延伸诱导应力场分布，由式(4)(5)计算。多裂缝扩展情况下，首先计算各条裂缝缝尖应力强度因子，判别各裂缝是否满足继续扩展的条件，满足时则缝尖增加一个单元，根据最大周向应力理论，用等效强度因子表示的最大周向应力准则式子(6)计算。此扩展模型通过裂缝诱导应力场模型计算法向和切向位移，迭代求解计算。

下面对不同类型储层簇间距优化目标进行说明：

水平井分段多簇射孔压裂是实现改造体积最大化的重要工程手段，多簇射孔压裂的目标是压后获取更高的SRV和单井产量。裂缝间距设置是多簇压裂的核心之一，合理射孔簇间距的设计对致密油压裂改造效果具有重要意义。将致密油储层分为低水平应力差异下天然裂缝发育储层和高水平应力差下天然裂缝不发育储层两种情况，展开分簇射孔簇间距的优化设计。

下面对高地应力差异储层簇间距优化目标进行说明：

对于高水平应力差异且裂缝不发育储层，储层的脆性指数低、水平应力差异系数较大、裂缝不发育，压裂时形成体积复杂缝的可能性较小，因此在段内分簇射孔后压裂以造多缝为主，充分动用甜点储层；采用缩小间距的细分割密集压裂技术实现储层改造。一方面能大幅缩短流体从基质向压裂缝得渗流距离，另一方面密集切割导致多簇裂缝间的干扰严重，因此理论上多簇裂缝应同样存在合理射孔簇间距。由于压裂时应尽可能造长缝、扩大泄油区域，细分切割式体积压裂改造，充分释放储层产能，其主要目的是形成有效的导流裂缝，较小射孔簇间距情况下已不必要形成复杂裂缝网络，因此可将簇间距优化目标确定为多簇射孔压裂缝面积：

通过模拟随着射孔簇间距的减小多簇裂缝面积的变化，当减小簇间距对应裂缝面积增加幅度较小，继续增加簇间距对裂缝面积影响的效果不再明显时，此时对应的射孔簇间距可以作为高地应力差异储层最优化簇间距。

下面对低地应力差异储层簇间距优化目标进行说明：

在低地应力差异且天然裂缝发育储层，多簇射孔压裂主要目的是利于多簇复杂缝网形成，增大裂缝改造区域，此时射孔簇间距的优化目标可由多簇改造区表征。多簇压裂过程中，泵注压裂液导致裂缝周围地层压力增加，或多簇裂缝延伸产生诱导应力场导致原地应力场发生改变造成裂缝转向等影响，都可能造成激活或沟通裂缝周围天然裂缝增大压裂改造体积，提高压后渗流面积。

在原地应力和诱导应力作用下，后续起裂裂缝处的最大、最小水平主应力方向会发生变化，导致裂缝在延伸过程中发生转向，裂缝逐渐向平行于井筒方向延伸，其转向判定条件可表示为：

式中：σ_ix,σ_iy表示为诱导应力分量，单位为MPa；σ_H表示最大水平地应力，单位为MPa；σ_h表示最小水平主应力，单位为MPa；n-1表示已存在裂缝条数，n≥2；

采用目标段内应力反转区域对应大小进行表征多簇压裂时的多缝影响区，其对应的面积为潜在多簇裂缝影响区面积。在给定压裂施工参数时，可以预测多缝同时延伸之后的裂缝影响面积，该区域面积大小用A_if表示，并可以采用网格单元集合进行数值积分表示：

式中：A_i表示多簇裂缝影响面积，m³；Ω_SA表示影响面积区域；χ表示单元；Δx(χ)、Δy(χ)表示χ单元x、y方向长度，单位为m；χ_T表示裂缝周围位置的储层单元集合。

针对多簇射孔压裂形成多缝后，多簇裂缝对周围地层产生的影响区的相对大小，采用影响区面积与模拟总区域面积(A_T)之比表示：

按上述方法，则可通过模拟不同射孔簇间距下，相同泵注条件下的多裂缝影响区域面积占比大小，从而对比优选相同射孔簇数下的簇间距。间距增加过程中，多簇裂缝影响区随间距增大先变大后减小趋势，采取最大影响区面积占比对应的射孔簇间距为最优射孔簇间距。

实施例1。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，对本发明做示范说明，但并不限定本发明的范围。

以不同某致密油区块为例，应用本发明方法进行致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化，其设计流程如图1所示，具体实施过程如下所述。

(1)高应力差异储层射孔簇间距优化：

以某致密油田为例，对高水平应力差天然裂缝不发育储层的射孔簇间距优化进行说明。目标井储层最大水平主应力65MPa，最小水平主应力50MPa，，储层岩石的泊松比0.2，杨氏模量为30GPa。现场施工排量约为9m³/min，压裂液密度为1100kg/cm³，压裂液粘度为10mPa·s。

计算得两向水平应力差异15MPa，应力差异系数为0.3，大于0.25为高应力差异储层，形成复杂缝网困难。

段内采取三簇射孔时的情况如图2所示，随着射孔簇间距的降低外侧裂缝延伸逐渐变长，中间裂缝先变长后变短，缝宽随着簇间距的减小逐渐降低。同时，多簇裂缝面积随着射孔簇间距的减小而逐渐增加，但小间距下裂缝面积增加逐渐变缓，如图3所示，当簇间距由25m减小到10m时裂缝面积增加幅度较小，说明当射孔簇间距达到一定程度后，继续增加簇间距对裂缝面积影响的效果不再明显，因此射孔簇间距可以采用15m为最优化簇间距。

(2)低应力差异储层射孔簇间距优化：

以某致密油水平井为例，其分簇射孔主体簇数为2-4簇，该井最大水平主应力32MPa，最小水平主应力29MPa，储层岩石的泊松比0.23，杨氏模量为30GPa，裂缝韧性值为3.5MPa·m^1/2。在此采用均匀布簇方式，模拟不同射孔簇间距时间下的裂缝扩展形态、多簇裂缝在井筒附近平面内形成的影响区域面积大小。

计算得两向水平应力差为3MPa，应力差异系数为0.103，小于0.25为低应力差异储层，利于形成复杂缝网。

如图4、图5所示，为射孔簇间距10m，25m，40m三种情况下多簇裂缝延伸形态和多簇应力影响区面积，图中白色阴影区域表示诱导应力影响区，黑色线条表示裂缝。发现段内三簇射孔时应力影响区主要集中在主裂缝附近，当簇间距为10m时，此时两条裂缝的延伸大幅度的偏转，应力影响区仅在两缝内部存在，而当簇间距增加至25m，裂缝影响区在裂缝周围开始出现，裂缝影响面积增加，而继续增加间距时至40m时，两缝间出现不受裂缝影响区域。间距从10m增加40m过程中，多簇裂缝影响区随间距增大先变大后减小，因此可以采取最大影响区面积占比对应的射孔簇间距为最优射孔簇间距。此时三簇射孔对应的最优射孔簇间距为25m，充分发挥诱导应力正效应利于增大多簇影响区，缓解诱导应力的负效应利于多簇裂缝相深部延伸。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1获取目标储层平均原地应力参数；

S2依据储层平均两向水平地应力差异系数，将储层划分为高应力差异储层和低应力差异储层；

S3获取储段内射孔簇位置的岩石力学参数及压裂施工参数；

S4建立目标储层射孔簇间距优化目标；

S5模拟不同簇间距下裂缝扩展情况，计算对应的多簇射孔簇间距优化目标值；

S6对比不同裂缝间距下对应优化目标的大小，获取最优射孔簇间距大小；

所述储层平均原地应力参数包括，垂向主应力值、最大水平主应力值和最小水平主应力值；

水平应力差异系数表示为：

其中，σ_H表示最大水平地应力，单位为MPa，σ_h表示最小水平主应力，单位MPa；

储层平均两向水平应力差异系数大于0.25时，划分为高应力差异储层；

储层平均两向水平应力差异系数小于0.25时，划分为低应力差异储层；

所述步骤S4包括，

在低应力差异储层情况下，确立优化目标为多簇裂缝诱导应力影响区；

在高应力差异储层情况下，确立优化目标为多簇裂缝延伸总面积；

所述步骤S5中低地应力差异储层射孔簇间距的设计方法为：

确立多簇裂缝转向扩展判定条件为：

式中：σ_lx表示诱导应力平面坐标x方向分量σ_ly表示诱导应力平面坐标y方向分量，单位为MPa，n-1表示已存在裂缝条数，n≥2；

在给定压裂施工参数时，计算多缝同时延伸之后的裂缝诱导应力影响区面积，裂缝诱导应力影响区面积大小用A_if表示，A_if采用网格单元集合进行数值积分计算：

式中，A_i表示多簇裂缝影响面积，单位为m³，Ω_SA表示影响面积区域，χ表示单元；Δx(χ)、Δy(χ)表示χ单元x、y方向长度，单位为m，χ_T表示裂缝周围位置的储层单元集合；

多簇裂缝对周围地层产生的影响区的相对大小η_I，采用影响区面积A_if与模拟总区域面积A_T之比表示：

所述步骤S5中高地应力差异储层射孔簇间距的设计方法为：

将簇间距优化目标确定为多簇射孔压裂缝面积A_ti,f：

式中，n_i为裂缝条数；w_fi，j为裂缝单元缝宽；s_fi，j为裂缝单元缝长。

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