CN113431562A - 一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量的优化方法，主要步骤包括：获取目标井的油藏地质参数；建立随机裂缝地质模型；建立流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型；基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式判断天然裂缝与水力裂缝作用模式；判断注入液量是否达到最大液量；计算储层改造体积；构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量。本发明将缝网酸压施工排量的确定由主观判断上升到定量化设计，针对于裂缝性致密砂岩储层的地质特征，建立流固耦合下复杂缝网裂缝扩展模型，考虑到天然裂缝、流体流动对应力场的影响，使得计算结果更加精确，施工排量的确定更加科学、可信，填补了现有裂缝性致密砂岩储层施工排量优化方法的空缺，能有效提高现有储层改造工艺增产效益。

Description

一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法。

背景技术

近年来，油气勘探开发的方向逐渐由常规油气藏转向非常规油气藏，其中裂缝性致密储层油气勘探开发成为今年来的热点。裂缝性致密砂岩储层基质物性差、非均质性强、应力水平高、天然裂缝发育且充填现象严重，加之钻完井期间钻井液漏失严重，使得单井自然产能较低，储层改造技术成为高效开发的必要手段。对于裂缝性致密油气藏，常规压裂技术难以达到产能要求，通常采用缝网酸压技术进行增产改造。

缝网酸压储层改造技术是通过前置液激活、沟通天然裂缝，然后注入含氟酸液体系溶蚀裂缝内充填矿物、刻蚀裂缝壁面，形成高导流能力的复杂缝网渗流通道，从而提升单井油气产量的一种工艺方法。在缝网酸压改造过程中易形成复杂裂缝网络，复杂缝网系统构成了增产改造区域，一般情况下，改造区域越大，一般产能越高。如何沟通、激活天然裂缝，增大改造区域是致密砂岩储层缝网酸压改造的关键。

在实际储层中，酸压裂缝的扩展受到流体压力、岩石形变、天然裂缝应力干扰等多重因素的影响，而常规的解析解模型（KGD模型、PKN模型、正交缝网模型）仅能解决均质储层中的简单裂纹扩展问题，不能准确描述缝网酸压过程中天然裂缝激活、转向等多个力学变化过程以及渗流场与应力场之间的相互影响。排量是影响裂缝扩展的形态的主要因素之一。现场实际反映，现场前置液施工排量的确定多凭改造经验确定，具有一定的盲目性，迫切需要一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的空缺，提供一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工参数优化方法，用于解决目前缝网酸压技术施工参数依靠主观判断而导致的酸压效果不显著的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下内容：

一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，包括以下步骤：

S1.获取目标井的油藏地质参数

S2.建立随机裂缝地质模型

S3.建立流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型

S4.基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式判断天然裂缝与水力裂缝作用模式；

S5.判断注入液量是否达到最大液量，若未达到将计算结果返回步骤S3，若达到则进行步骤S6；

S6.计算储层改造体积；

S7.构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量。

进一步地，所述步骤S1中油藏地质参数包括孔隙度、渗透率、储层厚度、地层原始压力、地层原始温度、天然裂缝密度、天然裂缝长度、天然裂缝方位角、泊松比、杨氏模量、最大水平主应力、最小水平主应力。

进一步地，所述步骤S2中建立随机地质模型的方法为：

（1）定义坐标系，指定研究区域的坐标范围；

（2）基于天然裂缝密度参数，根据均匀分布模型，确定研究区域内天然裂缝中心点位置坐标；

（3）基于天然裂缝参数，采用正态分布模型，生成裂缝参数（裂缝长度、裂缝开度及裂缝方位角）的随机数列；

（4）利用Monte-Carlo模拟方法对裂缝参数随机数列进行随机抽样，得到每个裂缝具体的几何参数。

进一步地，所述步骤S3中流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型包括以下计算公式：

二维流固耦合情况下应力平衡方程为：

基质流体的运动方程为：

基质流体流动质量守恒方程为：

裂缝内的流体流动方程为：

裂缝内的流体质量守恒方程为：

其中，σ为Cauchy应力张量，MPa；f为体积力张量，MPa；P _m 为基质孔隙内流体压力，MPa；v _m 为基质流体渗流速度，m/min；K _m 为基质渗透率，m²；μ为流体粘度，mPa∙s；ρ为流体密度，kg/m³；ϕ _m 为基质孔隙度，无因次；ϕ _f 为裂缝孔隙度，无因次；v _f 为裂缝内流体渗流速度，m/min；Q _f 为源汇项，m³/min。

采用扩展有限单元法对上述方程进行离散，裂缝型介质扩展有限元位移逼近模式为：

裂缝型介质扩展有限元孔压场逼近模式为：

采用有限差分方法对时间导数项进行离散，对压力和位移时间导数进行向前差分离散：

进一步地，所述步骤S4中基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式建立天然裂缝相交准则包括以下准则：

（1）水力裂缝与天然裂缝相交后，当交点处的有效拉应力大于裂缝的抗拉强度时，天然裂缝被流体激活张开，水力裂缝转向延伸：

σ _e 为汇交点的有效法向拉应力，MPa；σ ^f _t 为天然裂缝面的抗拉强度，MPa；

对于有效拉应力未达到裂缝面的抗张强度的情况：（1）水力裂缝与天然裂缝的交点处裂尖有效应力大于岩石的抗张强度时，裂缝壁面破裂，水力裂缝穿过天然裂缝延伸；（2）交点处有效应力未达到岩石抗张强度时，水力裂缝捕获天然裂缝，使其不再继续延伸。

σ _tip 为酸压裂缝裂尖的有效应力，MPa；σ _t ^rock 为基质岩石的抗张强度，MPa。

进一步地，所述步骤S6中计算储层改造体积包含以下计算公式：

当天然裂缝内的有效法向拉应力足以克服天然裂缝面的抗拉强度时天然裂缝被激活，天然裂缝发生张性破坏：

其中，

为天然裂缝法向接触应力，MPa；p _f 为汇交点的流体压力，MPa。

然裂缝切向接触力可以克服法向接触力时天然裂缝发生剪切滑移：

其中，μ _f 为天然裂纹面间的Coulomb摩擦系数，p _t 为天然裂缝切向接触力，p _N 为天然裂缝法向接触力。

进一步地，所述步骤S7中构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量包括以下步骤：

（1）按照步骤S3~S6计算不同排量下的储层改造体积

（2）将计算结果通过绘制曲线的形式显示，基于改造体积大小，优化缝网酸压施工排量。

本发明的有益效果是：

本发明将缝网酸压施工排量的确定由主观判断上升到定量化设计，针对于裂缝性致密砂岩储层的地质特征，建立流固耦合下复杂缝网裂缝扩展模型，考虑到天然裂缝、流体流动对应力场的影响，使得计算结果更加精确，施工排量的确定更加科学、可信，填补了现有裂缝性致密砂岩储层施工排量优化方法的空缺，能有效提高现有储层改造工艺增产效益。

附图说明

图1是本发明的整体流程图。

图2是随机裂缝地质模型。

图3是水力裂缝扩展图。

图4是储层剪切、张性破坏区域图。

图5是排量与储层改造体积关系图版。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量的优化方法，包括以下步骤：

S1.获取目标井的油藏地质参数

S2.建立随机裂缝地质模型

S3.建立流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型

S4.基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式判断天然裂缝与水力裂缝作用模式；

S5.判断注入液量是否达到最大液量，若未达到将计算结果返回步骤S3，若达到则进行步骤S6；

S6.计算储层改造体积；

S7.构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量。

本发明的整体流程见图1。

步骤S1中油藏地质参数包括孔隙度、渗透率、储层厚度、地层原始压力、地层原始温度、天然裂缝密度、天然裂缝长度、天然裂缝方位角、泊松比、杨氏模量、最大水平主应力、最小水平主应力。

步骤S2中建立随机地质模型的方法为：

（1）定义坐标系，指定研究区域的坐标范围；

（2）基于天然裂缝密度参数，根据均匀分布模型，确定研究区域内天然裂缝中心点位置坐标；

（3）基于天然裂缝参数，采用正态分布模型，生成裂缝参数（裂缝长度、裂缝开度及裂缝方位角）的随机数列；

（4）利用Monte-Carlo模拟方法对裂缝参数随机数列进行随机抽样，得到每个裂缝具体的几何参数。

步骤S3中流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型包括以下计算公式：

二维流固耦合情况下应力平衡方程为：

基质流体的运动方程为：

基质流体流动质量守恒方程为：

裂缝内的流体流动方程为：

裂缝内的流体质量守恒方程为：

其中，σ为Cauchy应力张量，MPa；f为体积力张量，MPa；P _m 为基质孔隙内流体压力，MPa；v _m 为基质流体渗流速度，m/min；K _m 为基质渗透率，m²；μ为流体粘度，mPa∙s；ρ为流体密度，kg/m³；ϕ _m 为基质孔隙度，无因次；ϕ _f 为裂缝孔隙度，无因次；v _f 为裂缝内流体渗流速度，m/min；Q _f 为源汇项，m³/min。

采用扩展有限单元法对上述方程进行离散，裂缝型介质扩展有限元位移逼近模式为：

裂缝型介质扩展有限元孔压场逼近模式为：

采用有限差分方法对时间导数项进行离散，对压力和位移时间导数进行向前差分离散：

步骤S4中基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式建立天然裂缝相交准则包括以下准则：

（1）水力裂缝与天然裂缝相交后，当交点处的有效拉应力大于裂缝的抗拉强度时，天然裂缝被流体激活张开，水力裂缝转向延伸：

σ _e 为汇交点的有效法向拉应力，MPa；σ ^f _t 为天然裂缝面的抗拉强度，MPa；

对于有效拉应力未达到裂缝面的抗张强度的情况：（1）水力裂缝与天然裂缝的交点处裂尖有效应力大于岩石的抗张强度时，裂缝壁面破裂，水力裂缝穿过天然裂缝延伸；（2）交点处有效应力未达到岩石抗张强度时，水力裂缝捕获天然裂缝，使其不再继续延伸。

σ _tip 为酸压裂缝裂尖的有效应力，MPa；σ _t ^rock 为基质岩石的抗张强度，MPa。

步骤S5判断注入液量是否达到最大液量，若未达到将计算结果返回步骤S3，若达到则进行步骤S6；

步骤S6中计算储层改造体积包含以下计算公式：

当天然裂缝内的有效法向拉应力足以克服天然裂缝面的抗拉强度时天然裂缝被激活，天然裂缝发生张性破坏：

其中，

为天然裂缝法向接触应力，MPa；p _f 为汇交点的流体压力，MPa。

然裂缝切向接触力可以克服法向接触力时天然裂缝发生剪切滑移：

其中，μ _f 为天然裂纹面间的Coulomb摩擦系数，p _t 为天然裂缝切向接触力，p _N 为天然裂缝法向接触力。

步骤S7中构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量包括以下步骤：

（1）按照步骤S3~S6计算不同排量下的储层改造体积

（2）将计算结果通过绘制曲线的形式显示，基于改造体积大小，优化缝网酸压施工排量。

在一个具体的实施例中，目标单井为W8-15井，属于裂缝性致密砂岩储层，为提高单井产量，有必要对储层进行缝网酸压改造。设定缝网酸压总液量为400m³，优化缝网酸压施工排量。

S1.获取目标井的油藏地质参数

目标储层平均孔隙度为5%、平均渗透率为0.1mD、储层厚度为70.5m、地层原始压力132.2MPa、地层原始温度172.3℃、天然裂缝密度0.31条/m、天然裂缝平均长度20.5m、天然裂缝平均方位角25°、泊松比0.23、杨氏模量38GPa、最大水平主应力192MPa、最小水平主应力158MPa。

S2.建立随机裂缝地质模型

首先定义坐标系，指定研究区域的坐标范围为400m×400m，而后输入天然裂缝密度、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均方位角，采用均匀分布模型确定研究区域内天然裂缝中心点位置坐标，再采用正态分布模型，生成裂缝参数（裂缝长度、裂缝开度及裂缝方位角）的随机数列，最后利用Monte-Carlo模拟方法对裂缝参数随机数列进行随机抽样，得到每个裂缝具体的几何参数。生成的随机裂缝地质模型如图2所示。

S3.建立流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型

以S2中建立的随机裂缝模型为基础，对流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型进行离散求解，网格大小为3m×3m，共计10000个网格；计算排量为2m³/min时注液单位时间1min后裂缝-基质双重介质压力场、应力场，进一步的计算水力裂缝扩展路径。水力裂缝扩展图如图3所示。

S4.基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式判断天然裂缝与水力裂缝作用模式；

在S3计算的水力裂缝扩展路径结果的基础上，若天然裂缝与水力裂缝相交，判断水力裂缝与天然裂缝作用模式为下列之一：（1）水力裂缝直接穿过天然裂缝延伸；（2）水力裂缝被天然裂缝阻断；（3）水力裂缝被天然裂缝阻断，天然裂缝未被张开；若水力裂缝未与天然裂缝相交，则转到步骤5。

S5.判断注入液量是否达到最大液量，若未达到将计算结果返回步骤S3，若达到则进行步骤S6；

S6.计算储层改造体积；

以注入液量达到400m³时复杂裂缝扩展路径为基础，结合S3中所计算的压力场、应力场，根据天然裂缝发生张性破坏、剪切滑移准则计算储层改造体积，计算结果储层张性破坏区域体积为6.6×10⁴m³，剪切破坏区域体积为8.7×10⁴m³，储层改造体积为张性破坏区域与剪切破坏区域体积之和为15.3×10⁴m³，储层剪切、张性破坏示意图为图4。

S7.构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量。

以总液量为限制，进行不同排量（2.5、3、3.5、4、4.5和5m³/min）的裂缝扩展路径模拟，分别计算其储层改造体积，构建排量与储层改造体积关系图版，见图5。从图5可知，当总液量为400m³，在给定的储层油藏地质参数下，随着排量的增大储层改造体积先增大后减小，当排量为3.5~4.0m³时，储层改造体积达到最大值，优化施工排量为3.5~4.0m³/min。

本发明将缝网酸压施工排量的确定由主观判断上升到定量化设计，针对于裂缝性致密砂岩储层的地质特征，建立流固耦合下复杂缝网裂缝扩展模型，考虑到天然裂缝、流体流动对应力场的影响，使得计算结果更加精确，施工排量的确定更加科学、可信，填补了现有裂缝性致密砂岩储层施工排量优化方法的空缺，能有效提高现有储层改造工艺增产效益。

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做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)

1.一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取目标井的油藏地质参数

S2.建立随机裂缝地质模型

S3.建立流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型

S4.基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式判断天然裂缝与水力裂缝作用模式；

S5.判断注入液量是否达到最大液量，若未达到将计算结果返回步骤S3，若达到则进行步骤S6；

S6.计算储层改造体积；

S7.构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S1中油藏地质参数包括孔隙度、渗透率、储层厚度、地层原始压力、地层原始温度、天然裂缝密度、天然裂缝长度、天然裂缝方位角、泊松比、杨氏模量、最大水平主应力、最小水平主应力。

3.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S2中建立随机地质模型的方法为：

(1)定义坐标系，指定研究区域的坐标范围；

(2)基于天然裂缝密度参数，根据均匀分布模型，确定研究区域内天然裂缝中心点位置坐标；

(3)基于天然裂缝参数，采用正态分布模型，生成裂缝参数(裂缝长度、裂缝开度及裂缝方位角)的随机数列；

(4)利用Monte-Carlo模拟方法对裂缝参数随机数列进行随机抽样，得到每个裂缝具体的几何参数。

4.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S3中流固耦合下裂缝性致密砂岩储层裂缝延伸模型包括以下计算公式：

二维流固耦合情况下应力平衡方程为：

基质流体的运动方程为：

基质流体流动质量守恒方程为：

裂缝内的流体流动方程为：

裂缝内的流体质量守恒方程为：

其中，σ为Cauchy应力张量，MPa；f为体积力张量，MPa；P_m为基质孔隙内流体压力，MPa；v_m为基质流体渗流速度，m/min；K_m为基质渗透率，m²；μ为流体粘度，mPa·s；ρ为流体密度，kg/m³；φ_m为基质孔隙度，无因次；φ_f为裂缝孔隙度，无因次；v_f为裂缝内流体渗流速度，m/min；Q_f为源汇项，m³/min。

采用扩展有限单元法对上述方程进行离散，裂缝型介质扩展有限元位移逼近模式为：

裂缝型介质扩展有限元孔压场逼近模式为：

采用有限差分方法对时间导数项进行离散，对压力和位移时间导数进行向前差分离散：

5.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S4中基于酸压裂缝与天然裂缝的相交作用模式建立天然裂缝相交准则包括以下准则：

(1)水力裂缝与天然裂缝相交后，当交点处的有效拉应力大于裂缝的抗拉强度时，天然裂缝被流体激活张开，水力裂缝转向延伸：

σ_e为汇交点的有效法向拉应力，MPa；σ^f _t为天然裂缝面的抗拉强度，MPa；

对于有效拉应力未达到裂缝面的抗张强度的情况：(1)水力裂缝与天然裂缝的交点处裂尖有效应力大于岩石的抗张强度时，裂缝壁面破裂，水力裂缝穿过天然裂缝延伸；(2)交点处有效应力未达到岩石抗张强度时，水力裂缝捕获天然裂缝，使其不再继续延伸；

σ_tip为酸压裂缝裂尖的有效应力，MPa；σ_t ^rock为基质岩石的抗张强度，MPa。

6.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S6中计算储层改造体积包含以下计算公式：

当天然裂缝内的有效法向拉应力足以克服天然裂缝面的抗拉强度时天然裂缝被激活，天然裂缝发生张性破坏：

其中，

为天然裂缝法向接触应力，MPa；p_f为汇交点的流体压力，MPa。

然裂缝切向接触力可以克服法向接触力时天然裂缝发生剪切滑移：

|p_T|-μ_f|p_N|＝0

其中，μ_f为天然裂纹面间的Coulomb摩擦系数，p_t为天然裂缝切向接触力，p_N为天然裂缝法向接触力。

7.根据权利要求1所述的一种裂缝性致密砂岩储层缝网酸压施工排量优化方法，其特征在于，所述步骤S7中构建排量与储层改造体积关系图版优化缝网酸压施工排量包括以下步骤：

(1)按照步骤S3～S6计算不同排量下的储层改造体积

(2)将计算结果通过绘制曲线的形式显示，基于改造体积大小，优化缝网酸压施工排量。

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