CN113468831A - 一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，(1)收集地层参数；(2)获取压裂设计参数；(3)建立裂缝宽度计算模型；(4)建立裂缝封堵层摩擦失稳强度准则；(5)建立裂缝延伸导致失稳准则；(6)暂堵剂用量循环迭代计算方法构建。本发明可为现场缝内暂堵压裂暂堵材料用量快速设计提供指导。

Description

一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法

技术领域

本发明涉及一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，属于油气田增产改造领域。

背景技术

中国页岩油气、致密砂岩油气等低渗致密油气资源丰富。水平井分段多簇密切割+缝内暂堵转向压裂是目前该类油气藏储层改造工艺的主要模式。

目前缝内暂堵剂价格昂贵，用过多的暂堵剂会导致压裂施工成本增加，用过少的暂堵剂则会导致缝内暂堵失效，达不到裂缝转向效果。因此形成一套压裂缝内暂堵材料用量设计方法是非常必要的。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，包括：

步骤S1、获取地层参数和压裂设计参数；

步骤S2、根据地层参数确定堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip；

步骤S3、根据压裂设计参数、地层参数确定堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip确定堵层上作用的支撑力p_plug的计算公式；

式中：p_plug为堵层上作用的支撑力；p_ftip为堵层到左边裂缝尖端之间流体压力；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力；a为封堵层长度；w_{plug_mouse}为封堵层靠近缝口端的宽度，m；w_{plug_tip}为封堵层靠近裂缝尖端的宽度；

步骤S4、根据裂缝宽度计算模型计算得到在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度w_tip、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}；

步骤S5、将步骤S4计算得到的数据带入裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则；

若同时满足裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则，则直接进入下一步；

若不满足裂缝延伸导致失稳准则，则减小封堵层到裂缝尖端之间流体压力p_ftip；再重复步骤S3-步骤S5；

若不满足缝封堵层摩擦失稳强度准则，增加封堵层长度a；再重复步骤S3-步骤S5；

步骤S6、根据压裂设计参数、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}计算得到暂堵剂体积V_plug。

进一步的技术方案是，所述地层参数包括最小水平地应力σ_h、岩石弹性模量E和泊松比v、岩石断裂韧性K_Ic；压裂设计参数包括压裂裂缝半长l、暂堵材料预设架桥位置l_mouse、压裂裂缝高度h、缝口到封堵层之间流体压力p_fmouse。

进一步的技术方案是，所述堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip等于最小水平地应力σ_h。

进一步的技术方案是，所述裂缝宽度计算模型为：

W_total(x)＝W_pfmouse(x)+W_{plug_left}(x)+W_{plug_right}(x)+W_{pftip_left}(x)+W_{pftip_right}(x)

式中：W_pfmouse(x)为缝口到封堵层之间流体压力单独作用下裂缝宽度；W_{plug_left}(x)为左边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度；W_{plug_right}(x)为右边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度；W_{pftip_left}(x)为封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力作用下裂缝宽度；W_{pftip_right}(x)为封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度；W_total(x)为所有力共同作用下裂缝宽度。

进一步的技术方案是，所述缝封堵层摩擦失稳强度准则为：

p_fmousehw_{plug_mouse}-p_ftiphw_{plug_tip}≤2p_plugha(1-φ)tanδ₃

式中：p_plug为堵层上作用的支撑力；p_ftip为堵层到左边裂缝尖端之间流体压力；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力；a为封堵层长度。

进一步的技术方案是，所述裂缝延伸导致失稳准则为：

K_I≤K_Ic

式中：K_I为裂缝尖端应力强度因子；K_Ic为岩石断裂韧性；a_tip为距离裂缝尖端一个极小的距离；w_tip为在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度；E为岩石弹性模量；ν为岩石泊松比。

进一步的技术方案是，所述暂堵剂体积V_plug的计算公式为：

V_plug＝ah(w_{plug_mouse}+w_{plug_tip})

式中：V_plug为暂堵剂体积。

本发明具有以下有益效果：。

附图说明

图1为裂缝中任意一段作用均匀流体压力缝宽计算示意图；

图2为缝内暂堵过程中作用力分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，依次包括下列步骤：

步骤S1、获取地层参数和压裂设计参数；

步骤S2、建立裂缝宽度计算模型；

步骤S21、建立裂缝中任意一段作用均匀流体压力条件下的裂缝宽度通用计算公式：

式中：W(x)为裂缝宽度，m；v为岩石泊松比；p_f为任意一段的缝内流体压力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；l为裂缝半长，m；x为裂缝面上任意一点的位置，m；b为裂缝中任意一段最左端处坐标，m(见附图1)；c为裂缝中任意一段最右端处坐标，m(见附图1)；

步骤S22、建立缝口到封堵层之间流体压力单独作用下裂缝宽度计算公式；

根据如附图2所示缝内暂堵过程中作用力分布规律，以及公式(1)，可建立起缝口到封堵层之间流体压力单独作用下裂缝宽度计算公式：

式中：W_pfmouse(x)为缝口到封堵层之间流体压力作用下裂缝宽度，m；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力，MPa；l_mouse为裂缝口到封堵层的距离，m；

步骤S23、建立左边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度计算公式；

根据如附图2所示缝内暂堵过程中作用力分布规律，以及公式(1)，可建立起左边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度计算公式：

式中：W_{plug_left}(x)为左边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度，m；p_plug为封堵层上作用的支撑力，MPa；a为封堵层长度，m；

步骤S24、建立右边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度计算公式；

根据如附图2所示缝内暂堵过程中作用力分布规律，以及公式(1)，可建立起右边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度计算公式：

式中：W_{plug_right}(x)为右边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度，m；p_plug为封堵层上作用的支撑力，MPa；

步骤S25、建立封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度计算公式；

根据如附图2所示缝内暂堵过程中作用力分布规律，以及公式(1)，可建立起封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力作用下裂缝宽度计算公式：

式中：W_{pftip_left}(x)为封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度，m；p_ftip为封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力，MPa；

步骤S26、建立封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度计算公式

根据如附图2所示缝内暂堵过程中作用力分布规律，以及公式(1)，可建立起封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度计算公式：

式中：W_{pftip_right}(x)为封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度，m；p_ftip为封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力，MPa；

步骤S27、建立所有力共同作用下裂缝宽度计算公式

所有力共同作用下裂缝宽度等于各个力单独作用下裂缝宽度之和,即

W_total(x)＝W_pfmouse(x)+W_{plug_left}(x)+W_{plug_right}(x)+W_{pftip_left}(x)+W_{pftip_right}(x)(7)

式中：W_total(x)为所有力共同作用下裂缝宽度，m。

步骤S3、建立裂缝封堵层摩擦失稳强度准则；

当裂缝口压力、裂缝尖端压力和封堵层所受的静摩擦力处于力学平衡时，裂缝封堵层保持稳定。当裂缝口压力与裂缝尖端压力压差大于封堵层与裂缝面间最大静摩擦力时，裂缝封堵层发生摩擦失稳；

裂缝封堵层保持稳定前提是压差作用在封堵层上的推力F_ΔP小于或等于封堵层与裂缝面间的最大静摩擦力f_z，其数学表达式为：

F_Δp≤f_z (8)

压差作用在封堵层上的推力F_ΔP计算公式为：

F_Δp＝p_fmouseA_{z_plug_mouse}-p_ftipA_{z_plug_tip}＝p_fmousehw_{plug_mouse}-p_ftiphw_{plug_tip} (9)

式中：F_ΔP为压差作用在封堵层上的推力，MPa；A_{z_plug_mouse}为封堵层靠近缝口端的面积，m²；A_{z_plug_tip}为封堵层靠近裂缝尖端的面积，m²；h为封堵层高度，m；w_{plug_mouse}为封堵层靠近缝口端的宽度，m；w_{plug_tip}为封堵层靠近裂缝尖端的宽度，m；

封堵层裂缝面间最大静摩擦力可近似为其滑动摩擦力，为为：

f_z＝2p_plugha(1-φ)tanδ₃ (10)

将式(10)和式(9)代入式(8)，可得到裂缝封堵层摩擦失稳强度准则：

p_fmousehw_{plug_mouse}-p_ftiphw_{plug_tip}≤2p_plugha(1-φ)tanδ₃ (11)

式中：φ为封堵层孔隙度；δ₃为封堵层与裂缝面间摩擦角；

步骤S4、建立裂缝延伸导致失稳准则；

要想保证封堵层稳定，需要保证裂缝不延伸，即裂缝尖端应力强度因子需要小于或等于岩石断裂韧性，如公式(12)所示：

K_I≤K_Ic (12)

式中：K_I为裂缝尖端应力强度因子，MPa.m^0.5，可通过公式(13)计算得到；K_Ic为岩石断裂韧性，MPa.m^0.5。

式中：a_tip为距离裂缝尖端一个极小的距离，m；w_tip为在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度，m，可通过公式(7)计算得到；

步骤S6、确定堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip；

步骤S7、确定堵层上作用的支撑力p_plug的计算公式如下；

式中：p_plug为堵层上作用的支撑力；p_ftip为堵层到左边裂缝尖端之间流体压力；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力；a为封堵层长度；w_{plug_mouse}为封堵层靠近缝口端的宽度，m；w_{plug_tip}为封堵层靠近裂缝尖端的宽度；

步骤S8、根据裂缝宽度计算模型计算得到在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度w_tip、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}；

步骤S9、将步骤S4计算得到的数据带入裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则；

若同时满足裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则，则直接进入下一步；

若不满足裂缝延伸导致失稳准则，

p_fmousehw_{plug_mouse}-p_ftiphw_{plug_tip}＞2p_plugha(1-φ)tanδ₃ (15)

则减小封堵层到裂缝尖端之间流体压力p_ftip；

a＝a+Δa (16)

再重复步骤S7-步骤S9；

若不满足缝封堵层摩擦失稳强度准则，

K_I＞K_Ic (17)

增加封堵层长度a；

p_ftip＝p_ftip-Δp_ftip (18)

再重复步骤S7-步骤S9；

步骤S10、根据压裂设计参数、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}计算得到暂堵剂体积V_plug；

式中：V_plug为暂堵剂体积。

下面结合某井参数对本发明做进一步的详细说明，但不构成对发明的任何限制，其中计算所采用的基本参数见表1。

表1实施例1计算所采用基本参数表

将表1中数据带入本发明所建立的方程和算法步骤，可计算得到暂堵剂的用量为0.118m³。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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，可利用上述揭示的技术内容作出些变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)

1.一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获取地层参数和压裂设计参数；

步骤S2、根据地层参数确定堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip；

步骤S3、根据压裂设计参数、地层参数确定堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip确定堵层上作用的支撑力p_plug的计算公式；

式中：p_plug为堵层上作用的支撑力；p_ftip为堵层到左边裂缝尖端之间流体压力；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力；a为封堵层长度；w_{plug_mouse}为封堵层靠近缝口端的宽度，m；w_{plug_tip}为封堵层靠近裂缝尖端的宽度；φ为封堵层孔隙度；δ₃为封堵层与裂缝面间摩擦角；

步骤S4、根据裂缝宽度计算模型计算得到在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度w_tip、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}；

步骤S5、将步骤S4计算得到的数据带入裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则；

若同时满足裂缝延伸导致失稳准则、缝封堵层摩擦失稳强度准则，则直接进入下一步；

若不满足裂缝延伸导致失稳准则，则减小封堵层到裂缝尖端之间流体压力p_ftip；再重复步骤S3-步骤S5；

若不满足缝封堵层摩擦失稳强度准则，增加封堵层长度a；再重复步骤S3-步骤S5；

步骤S6、根据压裂设计参数、封堵层靠近缝口端的宽度w_{plug_mouse}和封堵层靠近裂缝尖端的宽度w_{plug_tip}计算得到暂堵剂体积V_plug。

2.根据权利要求1所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述地层参数包括最小水平地应力σ_h、岩石弹性模量E和泊松比v、岩石断裂韧性K_Ic；压裂设计参数包括压裂裂缝半长l、暂堵材料预设架桥位置l_mouse、压裂裂缝高度h、缝口到封堵层之间流体压力p_fmouse。

3.根据权利要求1所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述堵层到左边裂缝尖端之间流体压力p_ftip等于最小水平地应力σ_h。

4.根据权利要求1所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述裂缝宽度计算模型为：

W_total(x)＝W_pfmouse(x)+W_{plug_left}(x)+W_{plug_right}(x)+W_{pftip_left}(x)+W_{pftip_right}(x)

式中：W_pfmouse(x)为缝口到封堵层之间流体压力单独作用下裂缝宽度；W_{plug_left}(x)为左边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度；W_{plug_right}(x)为右边封堵层支撑力单独作用下裂缝宽度；W_{pftip_left}(x)为封堵层到左边裂缝尖端之间流体压力作用下裂缝宽度；W_{pftip_right}(x)为封堵层到右边裂缝尖端之间流体压力单独作用下裂缝宽度；W_total(x)为所有力共同作用下裂缝宽度。

5.根据权利要求4所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述缝封堵层摩擦失稳强度准则为：

p_fmousehw_{plug_mouse}-p_ftiphw_{plug_tip}≤2p_plugha(1-φ)tanδ₃

式中：p_plug为堵层上作用的支撑力；p_ftip为堵层到左边裂缝尖端之间流体压力；p_fmouse为缝口到封堵层之间流体压力；a为封堵层长度。

6.根据权利要求4所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述裂缝延伸导致失稳准则为：

K_I≤K_Ic

式中：K_I为裂缝尖端应力强度因子；K_Ic为岩石断裂韧性；a_tip为距离裂缝尖端一个极小的距离；w_tip为在距离裂缝尖端a_tip处的裂缝宽度；E为岩石弹性模量；ν为岩石泊松比。

7.根据权利要求1所述的一种压裂缝内暂堵材料用量设计方法，其特征在于，所述暂堵剂体积V_plug的计算公式为：

V_plug＝ah(w_{plug_mouse}+w_{plug_tip})

式中：V_plug为暂堵剂体积。

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