CN113283197A - 一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，包括以下步骤：S1：收集目标工区的基础参数，模拟复杂裂缝扩展，获得复杂裂缝形态与缝宽分布；S2：根据缝宽分布的统计结果，确定各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径；S3：根据支撑剂目数粒径对照表，确定支撑剂多粒径组合，并结合各缝宽的占比，确定各粒径支撑剂的初始比例；S4：开展复杂裂缝支撑剂输送数值模拟实验，确定各粒径支撑剂的滞留比例；S5：根据滞留比例，对所述初始比例进行校正，获得最终比例；S6：根据最终比例，结合目标工区的加砂强度和压裂段长，计算各粒径支撑剂的用量。本发明无需开展实验测试，基于目标工区的基础参数通过简单计算即可高效获得相应的加砂参数。

Description

一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法
技术领域
本发明涉及石油天然气工程技术领域，特别涉及一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法。
背景技术
水平井分段分簇体积改造已成为非常规油气实现有效开发的关键技术，现场施工过程中通过分簇射孔，利用多簇簇间应力干扰使得裂缝转向并通过水力裂缝沟通天然裂缝，形成多尺度缝宽分布的复杂裂缝网络。通过压裂液携带支撑剂进入裂缝对裂缝通道进行有效支撑形成人造渗透率，大幅度提高单井产量。
为了满足复杂裂缝多尺度缝宽所需的导流能力，工程师考虑采用多粒径组合的支撑剂对各级裂缝进行有效支撑。然而，现有加砂工艺方法难以实际满足多尺度裂缝对于导流能力的需求，一方面，各级粒径支撑剂比例的确定往往依靠经验设计，无法针对不同储层地质工程条件进行优化，支撑剂粒径与实际缝宽无法匹配，部分裂缝无法获得有效支撑；另一方面，现有方法未考虑复杂缝支撑剂输运过程中会出现支撑剂主缝滞留现象，导致次级裂缝的实际加量偏小。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种更适合复杂裂缝的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，包括以下步骤：
S1：收集目标工区的基础参数，模拟复杂裂缝扩展，获得复杂裂缝形态与缝宽分布；
S2：根据所述缝宽分布的统计结果，确定各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径；
S3：根据支撑剂目数粒径对照表，确定支撑剂多粒径组合，并结合各缝宽的占比，确定各粒径支撑剂的初始比例；
S4：开展复杂裂缝支撑剂输送数值模拟实验，确定各粒径支撑剂的滞留比例；
S5：根据所述滞留比例，对各粒径支撑剂的初始比例进行校正，获得各粒径支撑剂的最终比例；
S6：根据各粒径支撑剂的最终比例，结合目标工区的加砂强度和压裂段长，计算各粒径支撑剂的用量。
作为优选，所述基础参数包括地质参数和工程参数；所述地质参数包括地应力、天然裂缝分布、以及岩石力学参数；所述工程参数包括射孔参数、单段加砂强度、施工排量。
作为优选，步骤S1中，模拟复杂裂缝扩展时，采用基于损伤场演化的裂缝扩展模型进行模拟。
作为优选，所述基于损伤场演化的裂缝扩展模型包括：
1)裂缝损伤场演化方程：
Figure BDA0003110785930000021
式中：η为阻尼系数，MPa·s；
Figure BDA0003110785930000022
为损伤场函数，无因次；t为时间，s；λ为拉梅第一系数，Pa；S为斜坡函数，无因次；εi为i方向(i＝x,y，x,y为质点位移的方向)的主应变，无因次；G为拉梅第二系数，Pa；gf为断裂韧性，Pa；l为长度度量参数，无因次；
Figure BDA0003110785930000027
为损伤场变化量，无因次；d为形式参数，无因次；
2)基质应力场方程：
Figure BDA0003110785930000023
Figure BDA0003110785930000024
式中：ρ为岩石体密度，kg/m3；ui为位移在i方向的分量，m；ui,jj、uj,ji、ui,i、uj,j、ui,j、uj,i均为位移增量的张量形式，其中j表示j方向(j＝x,y,z)，无因次；ν为岩石泊松比，无因次；
Figure BDA0003110785930000025
为哈密顿算子，无因次；νi为质点在i方向的速度，m/s；σ为质点应力，Pa；
3)裂缝流动方程：
Figure BDA0003110785930000026
式中：w为裂缝缝宽，m；μ为流体粘度，Pa·s；L为单元长度，m；p为流体压力，Pa；qs为网格源项，kg/(m3·s)；C为岩石压缩系数，Pa-1；
4)基质流动方程：
Figure BDA0003110785930000031
式中：k为岩石渗透率，m2；φ为岩石孔隙度，％。
作为优选，步骤S2中，所述各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径通过下式进行确定：
dmax＝w/7 (6)
式中：dmax为裂缝允许进入的最大支撑剂粒径，m；当某级裂缝的最小裂缝宽度为0m时，w为该级裂缝的中位数宽度或占比最大的裂缝宽度；当某级裂缝的最小裂缝宽度不为0m时，w为该级裂缝的最小裂缝宽度。
作为优选，步骤S3中，确定各粒径支撑剂的初始比例时，若多种粒径的支撑剂均可进入某级裂缝，则选择可进入的最大粒径支撑剂进入该级裂缝。
作为优选，步骤S5中，采用下式对各粒径支撑剂的初始比例进行校正：
nc＝n(1+α) (7)
式中：nc为支撑剂的校正比例，无因次；n为支撑剂的初始比例，无因次；α为支撑剂的滞留比例，无因次；
以优先满足更小粒径支撑剂的比例为准则，去除占比之和超过100％比例之后的更大粒径的支撑剂，获得各粒径支撑剂的最终比例。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对性强。在给定储层地质工程条件下，本发明可以针对性地设计加砂参数，做到方案个性化设计；
2、本发明应用性强。通过全程量化计算，能够明确给出不同缝宽具体的加砂参数，对实际工程设计具有指导意义；
3、本发明效率高、投资低。无需开展实验测试，2个小时之内即可完成设计计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的储层压裂地质模型示意图；
图2为本发明一个实施例的复杂裂缝扩展形态模拟结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明提供一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，包括以下步骤：
S1：收集目标工区的基础参数，模拟复杂裂缝扩展，获得复杂裂缝形态与缝宽分布。
在一个具体的实施例中，所述基础参数包括地质参数和工程参数；所述地质参数包括地应力、天然裂缝分布、以及岩石力学参数；所述工程参数包括射孔参数、单段加砂强度、施工排量。
在一个具体的实施例中，采用基于损伤场演化的裂缝扩展模型进行复杂裂缝扩展模拟，所述基于损伤场演化的裂缝扩展模型包括：
1)裂缝损伤场演化方程：
Figure BDA0003110785930000041
式中：η为阻尼系数，MPa·s；
Figure BDA0003110785930000042
为损伤场函数，无因次；t为时间，s；λ为拉梅第一系数，Pa；S为斜坡函数，无因次；εi为i方向(i＝x,y，x,y为质点位移的方向)的主应变，无因次；G为拉梅第二系数，Pa；gf为断裂韧性，Pa；l为长度度量参数，无因次；
Figure BDA0003110785930000043
为损伤场变化量，无因次；d为形式参数，无因次s；
2)基质应力场方程：
Figure BDA0003110785930000044
Figure BDA0003110785930000045
式中：ρ为岩石体密度，kg/m3；ui为位移在i方向的分量，m；ui,jj、uj,ji、ui,i、uj,j、ui,j、uj,i均为位移增量的张量形式，其中j表示j方向(j＝x,y,z)，无因次；ν为岩石泊松比，无因次；
Figure BDA0003110785930000051
为哈密顿算子，无因次；νi为质点在i方向的速度，m/s；σ为质点应力，Pa；
3)裂缝流动方程：
Figure BDA0003110785930000052
式中：w为裂缝缝宽，m；μ为流体粘度，Pa·s；L为单元长度，m；p为流体压力，Pa；qs为网格源项，kg/(m3·s)；C为岩石压缩系数，Pa-1；
4)基质流动方程：
Figure BDA0003110785930000053
式中：k为岩石渗透率，m2；φ为岩石孔隙度，％。
需要说明的是，除了上述实施例的复杂裂缝扩展模拟方法外，也可采用现有技术中的其他模拟方法进行模拟。
S2：根据所述缝宽分布的统计结果，通过下式进行确定各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径：
dmax＝w/7 (6)
式中：dmax为裂缝允许进入的最大支撑剂粒径，m；当某级裂缝的最小裂缝宽度为0m时，w为该级裂缝的中位数宽度或占比最大的裂缝宽度；当某级裂缝的最小裂缝宽度不为0m时，w为该级裂缝的最小裂缝宽度。
S3：根据支撑剂目数粒径对照表，确定支撑剂多粒径组合，并结合各缝宽的占比，确定各粒径支撑剂的初始比例；确定各粒径支撑剂的初始比例时，若多种粒径的支撑剂均可进入某级裂缝，则选择可进入的最大粒径支撑剂进入该级裂缝。
S4：开展复杂裂缝支撑剂输送数值模拟实验，确定各粒径支撑剂的滞留比例。
S5：根据所述滞留比例，采用下式对各粒径支撑剂的初始比例进行校正，获得各粒径支撑剂的最终比例：
nc＝n(1+α) (7)
式中：nc为支撑剂的校正比例，无因次；n为支撑剂的初始比例，无因次；α为支撑剂的滞留比例，无因次；
以优先满足更小粒径支撑剂的比例为准则，去除占比之和超过100％比例之后的更大粒径的支撑剂，获得各粒径支撑剂的最终比例。
S6：根据各粒径支撑剂的最终比例，结合目标工区的加砂强度和压裂段长，计算各粒径支撑剂的用量。
以某一裂缝性储层为例，对该储层进行水平井分段分簇体积改造，其基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法包括以下步骤：
(1)收集目标工区的基础参数，结果如表1所示：
表1裂缝性储层分段多簇压裂地质工程参数
参数 数值 参数 数值
最大水平主应力，MPa 70 地层压力系数 1.5
最小水平主应力，MPa 60 地层渗透率，10<sup>-3</sup>μm<sup>2</sup> 0.3
地层孔隙度，％ 5 最大水平主应力方位角，° 90
井筒方位角，° 0 簇数，簇 5
压裂段长，m 80 簇间距，m 15
天然裂缝平均长度，m 20 天然裂缝条数，条 200
静态杨氏模量，MPa 22000 天然裂缝方位角 60，120
施工排量，m<sup>3</sup>/min 14 静态泊松比 0.22
加砂强度，m<sup>3</sup>/m 1.5 用液强度，m<sup>3</sup>/m 25
(2)基于表1的储层地质参数，建立如图1所示的储层压裂地质模型。
(3)基于所述储层压裂地质模型，采用基于损伤场演化的裂缝扩展模型，模拟表1所述工程参数条件下裂缝扩展形态，并统计各尺度裂缝缝宽分布，结果分别如图2和表2所示：
表2各尺度裂缝缝宽分布统计结果
缝宽，mm 0～1.5 1.5～2.5 2.5～3.5 3.5～4.5 4.5～4.7
占比 0.05 0.1 0.4 0.35 0.1
(4)根据表2的缝宽分布统计结果，结合式(6)计算得到各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径，结果如表3所示：
表3各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径
缝宽，mm 0～1.5 1.5～2.5 2.5～3.5 3.5～4.5 4.5～4.7
最大粒径，mm 0.16 0.21 0.36 0.50 0.64
表3中，0～1.5级裂缝计算裂缝允许进入的最大支撑剂粒径时，先通过统计该级裂缝占比最多的裂缝宽度，然后以该裂缝宽度作为式(6)中的w进行计算；其他各级裂缝计算裂缝允许进入的最大支撑剂粒径时，式(6)中的w即为各级裂缝的最小宽度。
(5)对照表4常用支撑剂的粒径目数对照表，依据多种粒径的支撑剂均可进入某级裂缝时，选择可进入的最大粒径支撑剂进入该级裂缝的原则，确定支撑剂多粒径组合，并结合各缝宽的占比，确定各粒径支撑剂的初始比例，结果如表5所示：
表4常用支撑剂的粒径目数对照表
支撑剂目数 20～40 30～50 40～70 70～140 100～200
粒径范围，mm 0.84～0.42 0.59～0.297 0.42～0.2 0.2～0.104 0.15～0.074
表5支撑剂多粒径组合及初始比例
Figure BDA0003110785930000071
(6)利用AnsysFluent软件开展不同粒径支撑剂输运数值模拟，确定不同粒径支撑剂滞留比，结果如表6所示：
表6不同粒径支撑剂滞留比
支撑剂目数 100～200 70～140 40～70 30～50
滞留比α，％ 30 40 50 60
(7)根据表6的不同粒径支撑剂滞留比结果，结合式(7)对各粒径支撑剂的初始比例进行校正，并以优先满足更小粒径支撑剂的比例为准则，去除占比之和超过100％比例之后的更大粒径的支撑剂，获得各粒径支撑剂的最终比例，结果如表7所示：
表7各粒径支撑剂的最终比例
支撑剂目数 100～200 70～140 40～70 30～50
校正比例，％ 6.5 70 52.5 16
最终比例，％ 6.5 70 23.5 0
(8)根据各粒径支撑剂的最终比例，结合目标工区的加砂强度和压裂段长，计算各粒径支撑剂的用量(某级粒径支撑剂用量＝加砂强度*压裂段长*该级粒径支撑剂最终比例)。
根据本发明计算得到的各粒径支撑剂的用量，用于实际水力压裂，实际工程效果优异，与现有技术相比，压裂效果有显著的进步，且本发明计算量小，无需开展导流能力测试等实验，节省了大量成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集目标工区的基础参数，模拟复杂裂缝扩展，获得复杂裂缝形态与缝宽分布；
S2：根据所述缝宽分布的统计结果，确定各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径；
S3：根据支撑剂目数粒径对照表，确定支撑剂多粒径组合，并结合各缝宽的占比，确定各粒径支撑剂的初始比例；
S4：开展复杂裂缝支撑剂输送数值模拟实验，确定各粒径支撑剂的滞留比例；
S5：根据所述滞留比例，对各粒径支撑剂的初始比例进行校正，获得各粒径支撑剂的最终比例；
S6：根据各粒径支撑剂的最终比例，结合目标工区的加砂强度和压裂段长，计算各粒径支撑剂的用量。
2.根据权利要求1所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，所述基础参数包括地质参数和工程参数；所述地质参数包括地应力、天然裂缝分布、以及岩石力学参数；所述工程参数包括射孔参数、单段加砂强度、施工排量。
3.根据权利要求1所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，步骤S1中，模拟复杂裂缝扩展时，采用基于损伤场演化的裂缝扩展模型进行模拟。
4.根据权利要求3所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，所述基于损伤场演化的裂缝扩展模型包括：
1)裂缝损伤场演化方程：
Figure FDA0003110785920000011
式中：η为阻尼系数，MPa·s；
Figure FDA0003110785920000012
为损伤场函数，无因次；t为时间，s；λ为拉梅第一系数，Pa；S为斜坡函数，无因次；εi为i方向(i＝x,y，x,y为质点位移的方向)的主应变，无因次；G为拉梅第二系数，Pa；gf为断裂韧性，Pa；l为长度度量参数，无因次；
Figure FDA0003110785920000013
为损伤场变化量，无因次；d为形式参数，无因次；
2)基质应力场方程：
Figure FDA0003110785920000021
Figure FDA0003110785920000022
式中：ρ为岩石体密度，kg/m3；ui为位移在i方向的分量，m；ui,jj、uj,ji、ui,i、uj,j、ui,j、uj,i均为位移增量的张量形式，其中j表示j方向(j＝x,y,z)，无因次；ν为岩石泊松比，无因次；▽为哈密顿算子，无因次；νi为质点在i方向的速度，m/s；σ为质点应力，Pa；
3)裂缝流动方程：
Figure FDA0003110785920000023
式中：w为裂缝缝宽，m；μ为流体粘度，Pa·s；L为单元长度，m；p为流体压力，Pa；qs为网格源项，kg/(m3·s)；C为岩石压缩系数，Pa-1；
4)基质流动方程：
Figure FDA0003110785920000024
式中：k为岩石渗透率，m2；φ为岩石孔隙度，％。
5.根据权利要求1所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述各级裂缝允许进入的最大支撑剂粒径通过下式进行确定：
dmax＝w/7 (6)
式中：dmax为裂缝允许进入的最大支撑剂粒径，m；当某级裂缝的最小裂缝宽度为0m时，w为该级裂缝的中位数宽度或占比最大的裂缝宽度；当某级裂缝的最小裂缝宽度不为0m时，w为该级裂缝的最小裂缝宽度。
6.根据权利要求1所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，步骤S3中，确定各粒径支撑剂的初始比例时，若多种粒径的支撑剂均可进入某级裂缝，则选择可进入的最大粒径支撑剂进入该级裂缝。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法，其特征在于，步骤S5中，采用下式对各粒径支撑剂的初始比例进行校正：
nc＝n(1+α) (7)
式中：nc为支撑剂的校正比例，无因次；n为支撑剂的初始比例，无因次；α为支撑剂的滞留比例，无因次；
以优先满足更小粒径支撑剂的比例为准则，去除占比之和超过100％比例之后的更大粒径的支撑剂，获得各粒径支撑剂的最终比例。
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