CN113266332A - 便捷压裂设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便捷压裂设计方法，属于油田开采技术领域。本发明所述的一种便捷压裂设计方法，包括以下步骤：步骤S1：采用API导流室建立支撑裂缝导流能力图版；步骤S2：运用试算法确定储层支撑剂用量；步骤S3：采用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长及缝宽；步骤S4：确定压裂施工排量、压裂液量；步骤S5：按照现场施工携砂液的携砂能力确定携砂液用量、前置液用量；步骤S6：确定压裂车台套数。本发明以较少、较易获得的参数通过相对便捷地计算便可实现裂缝几何参数和施工参数较准确地设计与优选，提高了压裂设计的优化速度。

Description

便捷压裂设计方法

技术领域

本发明涉及一种便捷压裂设计方法，属于油田开采技术领域。

背景技术

压裂设计的方法是根据储层特性，以获取经济最优、产量(增产比)最大为目标，优选裂缝几何参数，设计合理的加砂方案。数值模拟计算可以相对全面地优化裂缝集合参数和加砂方案，但需要众多参数、优化过程复杂、优化速度较慢，现场应用收到极大限制。

在井泄流区面积和形状、支撑剂使用体积已知的条件下，支撑剂数法可以相对便捷、较为准确地获得压裂裂缝的最优裂缝半长和最大生产指数。但是实际应用过程中，由于裂缝渗透率为未知量，支撑剂数法在获取最优裂缝宽度存在较大难度。文献《An optimalfracture geometry design method of fractured horizontal wells inheterogeneous tight gas reservoirs》采用流体流动雷诺数迭代方式确定裂缝渗透率，扩展支撑剂数裂缝几何参数设计方法。但是由于流体流动雷诺数是建立在某一生产压差下产量的基础上，所求解的是特定压差下的裂缝渗透率，扩展支撑剂数法只能开展定生产压差下裂缝参数设计与优选，存在着应用局限性。文献《基于支撑剂数的压裂优化设计方法研究》、《支撑剂指数设计方法在压裂充填施工中的应用研究》，裂缝渗透率直接赋值，设计了比较支撑剂数与穿透率对应裂缝半长差异大小的裂缝参数设计优选方法。但是在裂缝参数优选过程中，由于压裂支撑剂的用量是变化的，裂缝渗透率也不是一个固定值，而是随之变化。同时对于泄流区为正方形时，支撑剂数对应的裂缝半长与穿透率对应的裂缝半长总是一致，存在着裂缝参数无法优选的问题。另外，上述文献只涉及裂缝几何参数优化，未涵盖施工排量、压裂液用量设计与优选等内容。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种便捷压裂设计方法。

本发明所述的一种便捷压裂设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：采用API导流室建立支撑裂缝导流能力图版；

步骤S2：运用试算法确定储层支撑剂用量；

步骤S3：采用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长及裂缝宽度；

步骤S4：确定压裂施工排量、压裂液量；

步骤S5：按照现场施工携砂液的携砂能力确定携砂液用量、前置液用量；

步骤S6：确定压裂车台套数。

优选地，所述步骤S1中图版考察因素包括闭合压力、支撑剂类型、粒径以及铺砂浓度。

优选地，所述步骤S2具体步骤如下：

假设一个支撑剂数N_p，通过支撑剂数理论模型方程获得该支撑剂数对应裂缝导流能力k_fw，在地层闭合压力条件下找出满足上述裂缝导流能力条件的支撑剂类型、粒径、铺砂浓度以及支撑裂缝导流能力，判断假设的支撑剂数是否合理，分析满足条件的支撑剂数对应的压裂规模以及最大无因次生产指数，便可获得支撑剂类型、粒径及支撑剂使用量。

优选地，所述判断假设的支撑剂是否合理的具体步骤为：

根据满足假设支撑剂数对应的裂缝导流能力条件的支撑剂数、粒径、铺砂浓度以及支撑裂缝导流能力等数据，计算出支撑剂的使用体积和裂缝宽度，再由约束条件判断所假设的支撑剂数是否合理，若不合理则更换支撑剂数，直到满足约束条件，约束条件如下：

w_opt＞2～3d_s (1)

V_p＜V_f (2)

其中，w_opt为最优的缝宽，d_s为支撑剂粒径，单位为mm，V_p为支撑剂使用量，V_f为最优缝宽对应的裂缝体积。

优选地，所述步骤S3具体步骤为：

利用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长、缝宽，在步骤S2基础上，再通过以下公式以及支撑剂数最优缝长和缝宽理论模型确定最优的裂缝半长及最优的缝宽：

其中，F_p为图版中读取的支撑裂缝导流能力，k_f为裂缝渗透率。

优选地，所述步骤S4具体步骤为，确定压裂施工排量Q，并通过压裂液滤失机理和步骤S3的基础上，确定施工时间t以及压裂液用量V_L；

压裂施工排量Q计算公式如下所示：

其中，w为裂缝宽度；h_f为裂缝高度，v为泊松比，取v＝0.25，μ_f为压裂液粘度；E为岩石的弹性模量，x_f为最优的裂缝半长；

施工时间t计算公式如下所示：

其中Q为压裂施工排量，C为综合滤失系数，x_f为最优的裂缝半长，h_f为裂缝高度；

压裂液用量V_L计算公式如下所示：

V_L＝Q*t (6)

其中Q为压裂施工排量，t为施工时间；

优选地，所述步骤S5具体步骤为：按照携砂液携砂能力S_p确定携砂液用量V_L携，在步骤S4基础上，确定前置液用量V_L前。

优选地，所述步骤S6具体步骤为：

在步骤S4的基础上，结合压裂总功率和单车性能，运用最大值法确定压裂车台套数n，计算公式如下所示：

n＝max(n₁，n₂) (7)

其中，m_p为压裂车单车功率；q对应施工泵压条件下的压裂车单车排量；Q为施工总排量，压裂所需总功率M_p。

本发明的有益效果是：本发明所述的便捷压裂设计方法，只需要储层泄流区面积、形状、厚度、深度、渗透率、弹性模量、泊松比、闭合压力梯度、破裂压力梯度、油层压力、流体压缩系数、管柱尺寸、射孔参数、压裂车参数、压裂液性能等较少且较易获得的参数便可方便快捷地确定储层支撑剂用量、压裂裂缝最优的裂缝半长、压裂裂缝最优的缝宽、压裂施工排量Q、压裂液用量、压裂车台数，不仅方便现场应用，同时计算的结果也可以为相对更全面的数值模拟压裂设计方法提供数据基础，提高其优化速度。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是确定储层支撑剂用量的流程框图。

图3是常用支撑剂导流能力图版的示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图3所示，本发明所述的便捷压裂设计方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：采用API导流室建立支撑裂缝导流能力图版，图版考察因素包括闭合压力、支撑剂类型、粒径、铺砂浓度等因素。

步骤S2：运用试算法确定储层支撑剂用量。具体步骤如下：

假设一个支撑剂数N_p，单位为无量纲，适当转换支撑剂数理论模型方程，公式如下：

其中，k_fw为支撑裂缝导流能力，N_p为支撑剂数，A_f为裂缝面积，V_r为储层体积，k为储层渗透率；

由上述公式(1)获得该支撑剂数对应的裂缝导流能力，在所述步骤一的基础上，在地层闭合压力条件下找出满足上述支撑裂缝导流能力条件的支撑剂类型、粒径、铺砂浓度C_s以及支撑裂缝导流能力F_p。

在堆积体积测试数据基础上，根据公式(2)、(3)，初步计算出支撑剂的使用体积和最优裂缝宽度，再由约束条件判断所假设的支撑剂数N_p是否合理，若不合理则更换支撑剂数N_p进行判定，直至满足约束条件，约束条件公式如下所示：

w_opt＞2～3d_s (4)

V_p＜V_f (5)

其中，W_opt为最优裂缝宽度，单位为；d_s为支撑剂粒径，单位为mm；V_p为支撑剂使用体积，单位为m³；V_f为支撑裂缝的体积，单位为m³。

根据储层泄流区域形状，选择相应最大无因次生产指数方程，综合分析满足条件的支撑剂数N_p对应的压裂规模以及最大无因次生产指数，便可获得支撑剂类型、粒径以及支撑剂使用量。

最大无因次生产指数方程：

(1)正方形泄流面积：

(2)矩方形泄流面积：

等效支撑剂数N_pe：

式中：C_A--形状因子，无量纲，值如下表1所示。

表1不同纵横比对应的形状因子

y<sub>eD</sub>	0.1	0.2	0.25	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
												C<sub>A</sub>	0.025	2.36	5.38	9.00	16.17	21.84	25.80	28.36	29.89	30.66	3.088

矩形储层最大无因次生产指数和最优无因次裂缝导流能力计算公式如下所示：

其中：

u_opt＝ln(C_fD,opt) (11)

表2 F函数中常数取值

步骤S3：采用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长及裂缝宽度，具体步骤如下：

在步骤S2的基础上，根据支撑剂数最优裂缝长度方程(公式13)和裂缝宽度理论方程(公式3)确定最优的裂缝半长、最优的裂缝宽度，单位均为m。

步骤S4：确定压裂施工排量、压裂液量；定压裂施工排量Q，并通过压裂液滤失机理和步骤S3的基础上，确定施工时间t以及压裂液用量V_L。

压裂施工排量Q计算公式如下所示：

其中，w为裂缝宽度；h_f为裂缝高度，v为泊松比，取v＝0.25，μ_f为压裂液粘度；E为岩石的弹性模量；

施工时间t计算公式如下所示：

其中Q为压裂施工排量，C为综合滤失系数，xf为最优的裂缝半长；

综合滤失系数的计算公式如下所示：

C₃＝1.8～9×10^-3m/min^0.5 (19)

其中，C₁为压裂液粘度控制的滤失系数，单位为m/min^0.5；C₂为储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数，单位为m/min^0.5；k为地层渗透率，单位为um²；Δp为裂缝内外压差(可取延伸压力或破裂压力与油藏压力之差)，单位为KPa；φ为孔隙度；μ_f为压裂液粘度，单位为Pa·s，

K为稠度系数，单位为Pa·sⁿ；n为流体指数(可假设n＝1)，无量纲；C_f为油藏综合压缩系数，单位为KPa^-1；

油藏综合压缩系数计算公式如下所示：

C_f＝C_s+φC_l (20)

其中，C_s为油藏岩石压缩系数，单位为KPa^-1；

油藏样式压缩系数计算公式如下所示：

其中，C_l为流体压缩系数，单位为KPa^-1。

压裂液用量V_L计算公式如下所示：

V_L＝Q*t (22)

其中Q为压裂施工排量，t为施工时间；。

步骤S5：按照现场施工携砂液的携砂能力确定携砂液用量、前置液用量。由施工排量Q(m³/min)、施工时间t(min)，得到压裂液用量V_L(m³)＝Q(m³/min)*t(min)。按照15％(现场施工最大施工砂比)、优选出的加砂量V_p(m³)，得到前置液用量V_L前＝V_L(m³)-V_L携、携砂液用量V_L携＝V_p(m³)/15％；

步骤S6：确定压裂车台套数。具体步骤如下：

在步骤S4的基础上，结合压裂总功率和单车性能，运用最大值法确定压裂车台套数n，计算公式如下所示：

n＝max(n₁，n₂) (23)

其中，m_p为压裂车单车功率；q对应施工泵压条件下的压裂车单车排量；Q为施工总排量，压裂所需总功率M_p。

压裂所需总功率计算公式如下所示：

M_p＝16.67p_pQ/η (24)

其中，p_p为地面泵压，单位为Mpa；Q为压裂施工排量，单位为m³/min；η为压裂车效率；

地面泵压计算公式如下所示：

p_p＝p_F+Δp_f-p_h (25)

其中p_F为，Δp_f为压裂施工摩阻，p_h为；

压裂施工摩阻的计算公式如下所示：

Δp_f＝(Δp_f)_管+(Δp_f)_perf+(Δp_f)_frac (26)

其中，(Δp_f)_管为油管内摩阻压降，单位为Kpa；(Δp_f)_perf为射孔孔眼内摩阻压降，单位为Kpa；(Δp_f)_frac为裂缝内摩阻压降，单位为Kpa，计算公式分别如下所示：

其中，K为稠度系数，单位为Pa·sⁿ；n为流体指数(可假设n＝1)，无量纲；q，q₀，q_f分别为管内流量、炮眼内流量、缝内流量，单位为m3/s；L_t为油管长度，单位为m；d，d₀分别为油管内径、孔眼直径，单位为cm；α为流量系数，取值0.56～0.89；ρ为压裂液密度，单位为kg/m3；h_f为裂缝高度，单位为m；w为裂缝宽度，单位为cm；x_f为裂缝半长，单位为m。

实施例2：

A井含油储层泄流区面积为400m×400m，油层埋深2500m，厚度15m，渗透率2.5×10-3um2，孔隙度10％，油层压力26.2MPa，流体压缩系数6×10-3MPa-1，岩石弹性模量2.5×104MPa，泊松比0.25，闭合压力梯度0.012MPa/m，破裂压力梯度0.018MPa/m，压裂液流态指数n＝1，稠度系数K＝0.03N·Sn/m2，C3＝9×10-3m/min0.5，油管尺寸

有效射孔10孔，孔径10mm，压裂车单车功率为530Kw，压裂车效率0.85，泵压20-30MPa时，排量0.96-0.85m3/min。设计步骤如下：

步骤S1：建立支撑裂缝导流能力图版：如图2所示。闭合压力10-80MPa，支撑剂类型包括陶粒、石英砂，粒径有20/40目、40/70目、铺砂浓度5、7.5、10kg/m2。

步骤S2：根据步骤S1建立的图版，闭合压力P_c＝30MPa条件下，运用试算法计算支撑剂数N_p＝0.02788，5kg/m2的40/70目石英砂满足w_opt＞2～3d_s和V_p＜V_f的约束条件，压裂液用量V_L＝41m³，支撑剂用量V_p＝2.58m³，最大无因次生产指数J_Dmax＝0.36；撑剂数N_p＝0.037885，5kg/m2的20/40目石英砂满足w_opt＞2～3d_s和V_p＜V_f的约束条件，压裂液用量V_L＝75m³，支撑剂用量V_p＝3.00m³，最大无因次生产指数J_Dmax＝0.38；支撑剂数N_p＝0.15951，10kg/m2的20/40目石英砂满足w_opt＞2～3d_s和V_p＜V_f的约束条件，压裂液用量V_L＝427m³，支撑剂用量V_p＝12.29m³，最大无因次生产指数J_Dmax＝0.52；对比压裂规模和最大无因次增产指数，优选出支撑剂为石英砂、粒径为40/70目、支撑剂使用量V_p＝2.58m³。

步骤S3根据步骤S2优选出的支撑剂使用量V_p，利用

和支撑剂数最优缝长和缝宽理论模型，其中F_p＝10.56um²·cm，确定最优的裂缝半长x_fopt＝26.4m，最优的缝宽w_opt＝3.26mm。

步骤S4根据步骤S3最优缝宽，利用吉尔兹玛缝宽方程确定压裂施工排量Q＝2.43m³/min，根据岩石弹性模量、泊松比、流体压缩系数、孔隙度确定油藏综合压缩系数，C_f＝1.2×10^-6kPa^-1，根据压裂液滤失机理确定压裂液综合滤失系数C＝4×10^-3m/min^0.5，吉尔兹玛缝长方程确定施工时间t＝17min，进而确定压裂液用量V_L＝41m³。

步骤S5根据步骤S3支撑剂使用量V_p＝2.58m³，按照携砂液携砂能力s_p＝15％(现场施工最大携砂能力)，确定携砂液用量V_L槽＝17.2m³，确定前置液用量V_L前＝23.8m³。

步骤S6根据压裂液摩阻Δp_f＝(Δp_f)_管+(Δp_f)_perf+(Δp_f)_frac＝5.14MPa，获得压裂总功率

其中p_p为地面泵压，p_p＝25.64MPa，根据功率和排量数据，运用最大值法确定压裂车台套数n＝3。

本发明的有益效果是：本发明所述的便捷压裂设计方法不受时间、空间限制、优化速度快、应用便捷，不仅提高了压裂设计效率，更重要的是压裂设计需求参数的数量减少了，降低了现场测试的实验次数，降低压裂成本。

本发明可广泛运用于油田开采场合。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种便捷压裂设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：采用API导流室建立支撑裂缝导流能力图版；

步骤S2：运用试算法确定储层支撑剂用量；

步骤S3：采用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长及裂缝宽度；

步骤S4：确定压裂施工排量、压裂液量；

步骤S5：按照现场施工携砂液的携砂能力确定携砂液用量、前置液用量；

步骤S6：确定压裂车台套数。

2.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S1中图版考察因素包括闭合压力、支撑剂类型、粒径以及铺砂浓度。

3.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体步骤如下：

假设一个支撑剂数N_p，通过支撑剂数理论模型方程获得该支撑剂数对应裂缝导流能力k_fw，在地层闭合压力条件下找出满足上述裂缝导流能力条件的支撑剂类型、粒径、铺砂浓度以及支撑裂缝导流能力，判断假设的支撑剂数是否合理，分析满足条件的支撑剂数对应的压裂规模以及最大无因次生产指数，便可获得支撑剂类型、粒径及支撑剂使用量。

4.根据权利要求3所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述判断假设的支撑剂是否合理的具体步骤为：

根据满足假设支撑剂数对应的裂缝导流能力条件的支撑剂数、粒径、铺砂浓度以及支撑裂缝导流能力等数据，计算出支撑剂的使用体积和裂缝宽度，再由约束条件判断所假设的支撑剂数是否合理，若不合理则更换支撑剂数，直到满足约束条件，约束条件如下：

w_opt＞2～3d_s (1)

V_p＜V_f (2)

其中，w_opt为最优的缝宽，d_s为支撑剂粒径，V_p为支撑剂使用量，V_f为最优缝宽对应的裂缝体积。

5.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体步骤为：

利用支撑剂数理论模型确定压裂裂缝最优的裂缝半长、缝宽，在步骤S2基础上，再通过以下公式以及支撑剂数最优缝长和缝宽理论模型确定最优的裂缝半长及最优的缝宽：

其中，Fp为图版中读取的支撑裂缝导流能力，kf为裂缝渗透率。

6.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体步骤为，确定压裂施工排量Q，并通过压裂液滤失机理和步骤S3的基础上，确定施工时间t以及压裂液用量V_L；

压裂施工排量Q计算公式如下所示：

其中，w为裂缝宽度；h_f为裂缝高度，v为泊松比，取v＝0.25，μ_f为压裂液粘度；E为岩石的弹性模量，x_f为最优的裂缝半长；

施工时间t计算公式如下所示：

其中Q为压裂施工排量，C为综合滤失系数，x_f为最优的裂缝半长，h_f为裂缝高度；

压裂液用量V_L计算公式如下所示：

V_L＝Q*t (6)

其中Q为压裂施工排量，t为施工时间。

7.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体步骤为：按照携砂液携砂能力S_p确定携砂液用量V_L携，在步骤S4基础上，确定前置液用量V_L前。

8.根据权利要求1所述的便捷压裂设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体步骤为：

在步骤S4的基础上，结合压裂总功率和单车性能，运用最大值法确定压裂车台套数n，计算公式如下所示：

其中，m_p为压裂车单车功率；q对应施工泵压条件下的压裂车单车排量；Q为施工总排量，压裂所需总功率M_p。

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