CN113627023B - 一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统，以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型，然后以水平层理与水平面的夹角作为输入，利用页岩自吸模型计算不同水平层理下的页岩自吸量。本发明考虑实际页岩中水平层理的状态，引入水平层理与水平面的夹角表征不同水平层理，以建立页岩自吸模型，进而能够准确计算不同水平层理下的页岩自吸量，克服现有模型只考虑单一的水平层理的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统。
背景技术
目前，页岩气开采主要采用大规模水力压裂的方法，在页岩气井的钻完井阶段以及后续开发中，页岩与水存在大范围接触。由于页岩致密并存在粘土矿物及孔隙、层理发育，大量工作液通过层理和毛管进入页岩。页岩的强自吸能力是井壁稳定、工作液损害地层的根本原因之一。页岩自吸的研究成为钻完井阶段井壁稳定以及压裂方法的研究的基础。
目前，现有所建立的页岩自吸模型常被用于页岩自吸过程的研究中，但现有的模型均存在一定的局限性，具体体现为现有的模型中只考虑单一的水平层理，对于任意不同的水平层理并没有深入研究，进而无法准确的计算不同水平层理的页岩自吸量。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统，以水平层理与水平面的夹角作为输入变量构建页岩自吸模型，进而利用该页岩自吸模型能够准确计算不同水平层理下的页岩自吸量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明用于提供一种不同水平层理页岩自吸量计算方法，所述计算方法包括：
以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
优选的，所述页岩自吸模型包括流体自吸进入所述水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量模型。
第二方面，本发明用于提供一种不同水平层理页岩自吸量计算系统，所述计算系统包括：
构建模块，用于以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
计算模块，用于以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
优选的，所述页岩自吸模型包括流体自吸进入所述水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明用于提供一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统，以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型，然后以水平层理与水平面的夹角作为输入，利用页岩自吸模型计算不同水平层理下的页岩自吸量。本发明考虑实际页岩中水平层理的状态，引入水平层理与水平面的夹角表征不同水平层理，以建立页岩自吸模型，进而能够准确计算不同水平层理下的页岩自吸量，克服现有模型只考虑单一的水平层理的局限性。
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为本发明实施例1所提供的计算方法的方法流程图；
图2为本发明实施例1所提供的页岩自吸过程的示意图；
图3为本发明实施例1所提供的计算方法所适用页岩的示意图；
图4为本发明实施例2所提供的计算系统的系统框图。
符号说明：
1-页岩；2-水平层理。
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。
本发明的目的是提供一种不同水平层理页岩自吸量计算方法及系统，以水平层理与水平面的夹角作为输入变量构建页岩自吸模型，进而利用该页岩自吸模型能够准确计算不同水平层理下的页岩自吸量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例用于提供一种不同水平层理页岩自吸量计算方法，如图1所示，所述计算方法包括：
S1：以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
页岩中的水平层理发育，流体自吸进入水平层理的过程中，有一部分流体贮存在水平层理中，另一部分流体会从水平层理自吸进入页岩基块孔隙中，但用于描述页岩自吸过程的现有页岩自吸模型中并不包括描述水平层理中的流体向页岩孔隙自发运动的部分，进而会导致计算得到的页岩自吸量并不准确。基于此，本实施例的页岩自吸模型包括流体自吸进入水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从水平层理自吸进入页岩孔隙的第三自吸量模型，进而本实施例所建立的页岩自吸模型考虑到了流体从水平层理到页岩孔隙的自发运动，利用本实施例的页岩自吸模型计算得到的页岩自吸量准确度得到显著提高。
假设本实施例的页岩为一个圆柱体页岩岩样，其页岩端面直径为d，并存在一条左右贯穿圆柱体页岩岩样且过轴心的平板状水平层理，水平层理宽度为w(w<<d)，页岩岩样的端面在整个自吸过程中始终与充足且过量的流体接触，外部无外加流体压力，则本实施例的页岩自吸过程的示意图如图2所示，当然，本实施例所用的页岩也可为其他形状，在此仅以圆柱形页岩为例进行页岩自吸过程的示意图的绘制。在某一个时间t，页岩自吸量由三部分组成，它们分别是流体自吸进入水平层理的第一自吸量、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量和流体从水平层理自吸进入页岩孔隙的第三自吸量，则本实施例所用的页岩自吸模型如下：
S(t)＝Sc(t)+Sm1(t)+Sm2(t)； (1)
式(1)中，S(t)为t时刻的页岩自吸量(单位为g)；Sc(t)为t时刻，流体自吸进入水平层理的第一自吸量(单位为g)；Sm1(t)为t时刻，流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量(单位为g)；Sm2(t)为t时刻，流体从水平层理自吸进入页岩孔隙的第三自吸量(单位为g)。
以下，对页岩自吸模型所包括模型的构建方法进行进一步说明：
1、流体自吸进入水平层理的第一自吸量模型的构建方法包括：
1)采用LW模型构建流体在所述水平层理中的第一自吸高度模型；
假设页岩孔隙为圆形毛细管束，则采用Lucas-Washburn(LW模型)公式的显性解作为第一自吸高度模型的具体表示式，如下：
式(2)中，hc(t)为t时刻(即自吸时间为t时)，流体在水平层理中的第一自吸高度(单位为cm)；W(·)为LambertW函数；第一中间值a和第二中间值b的具体表达式如下：
式(3)中，σ为流体界面张力(单位为mN/m)；w为水平层理宽度(单位为cm)，在页岩1为圆柱体岩样时，其为圆柱体岩样中水平层理2的宽度；θ为页岩润湿角(单位为°)；μ为流体黏度(单位为mPa·s)；ρ为流体密度(其单位为g/cm3)；g为重力加速度(其值为9.8m/s2)；α为水平层理与水平面的夹角(单位为°)。
2)基于流体密度、流体在水平层理的充满系数、水平层理宽度、第一自吸高度模型、页岩端面直径、水平层理长度和水平层理与水平面的夹角构建第一自吸量模型；流体密度和流体在水平层理的充满系数属于流体特性参数；水平层理宽度和水平层理长度属于水平层理形态参数；页岩端面直径属于页岩形态参数。
假设流体在水平层理2中推进前缘是均匀的，则构建得到的第一自吸量模型如下：
式(4)中，ζc为流体在水平层理的充满系数，其取值范围为0-1，无因次；d为页岩端面直径(单位为cm)；L为水平层理长度(单位为cm)。
需要说明的是，式(4)的ζc为流体在水平层理的充满系数，取值范围为0～1。但考虑到各种页岩由于性质不一无法建立量化的公式和模型来进行计算，所以ζc一般采用经验值，范围是0.6～0.9，进而通过进一步限定ζc的取值范围为0.6～0.9，使得各种性质的页岩均可采用本实施例的第一自吸量模型进行第一自吸量的计算。
2、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型的构建方法包括：
1)将渗透压和周围岩石的驱动力引入LW模型，得到流体在页岩孔隙中的第二自吸高度模型；
现有的页岩自吸模型中对页岩岩样都是单独考虑，对流体的驱动力认识存在局限性。本实施例考虑到，由于不存在外部液体的驱动力，但因为周围的页岩膨胀会产生驱动力，而页岩岩样内部存在大量的微孔隙，使页岩产生一定的半透膜特性，当外来流体与页岩接触时产生一定的渗透压，改变了自吸过程。使用LW模型仅可以考虑毛细管的存在，故本实施例将渗透压以及周围岩石的驱动力引入LW模型，以更准确的确定流体在页岩孔隙中的第二自吸高度。此时，本实施例所得到的第二自吸高度模型如下：
式(5)中，hm(t)为t时刻，流体在页岩孔隙中的第二自吸高度(单位为cm)；δ为页岩孔隙形状因子，无因次；ΔP为页岩中的流体受到的驱动力(单位为Pa)；r为页岩孔隙平均半径(单位为m)；ε为流体因页岩孔隙半径过小产生滑移而引入的滑移系数(单位为m)；τ为页岩孔隙迂曲度，无因次。
其中，ΔP＝Pw+Pπ+Pc； (6)
式(6)中，Pw为周围岩石的驱动力(单位为Pa)；Pπ为页岩1的渗透压(单位为Pa)；Pc为毛细管力(单位为Pa)。
本实施例根据周围岩石驱动力、页岩渗透压和毛细管力的叠加作为驱动力，进而利用式(5)能够更准确的确定流体在页岩孔隙中的第二自吸高度。
2)基于流体在页岩孔隙中的驱替效率、流体密度、页岩孔隙度、第二自吸高度模型和页岩端面直径构建第二自吸量模型；流体在页岩孔隙中的驱替效率和流体密度属于流体特性参数；页岩孔隙度和页岩端面直径属于页岩形态参数。
假设流体从圆柱体端面进入岩样基块孔隙的推进前缘是均匀的，则构建得到的第二自吸量模型如下：
式(7)中，ζm为流体在页岩孔隙中的驱替效率，取值范围为0-1，无因次；φ为页岩孔隙度，无因次。
更为具体的，页岩1没有可靠的模型分析页岩基块中流体的自吸效率，所以可以采用致密砂岩孔隙驱替效率半经验公式或相近的致密砂岩或碳酸盐地层驱替效率的半经验公式对ζm进行求解，具体半经验公式如下：
ζm＝-0.094+4.6587φ-5.4348φ2； (8)
进而可以根据页岩孔隙度计算流体在所述页岩孔隙中的驱替效率，相较于在取值范围内随机取值的方法，能够更加贴合实际。
3、流体从水平层理自吸进入页岩孔隙的第三自吸量模型的构建方法包括：
1)采用LW模型构建流体在所述水平层理中的第一自吸高度模型；
该步骤与1中1)的具体步骤相同，所构建得到的第一自吸高度模型如式(2)所示。
2)将渗透压和周围岩石的驱动力引入LW模型，得到流体在页岩孔隙中的第二自吸高度模型；
该步骤与2中1)的具体步骤相同，所构建得到的第二自吸高度模型如式(5)所示。
3)基于流体在页岩孔隙中的驱替效率、流体在水平层理的充满系数、流体密度、页岩孔隙度、第二自吸高度模型、第一自吸高度模型、页岩端面直径、水平层理长度和水平层理与水平面的夹角构建第三自吸量模型；流体在页岩孔隙中的驱替效率、流体在水平层理的充满系数和流体密度属于流体特性参数；水平层理长度属于水平层理形态参数；页岩孔隙度和页岩端面直径属于页岩形态参数。
所构建得到的第三自吸量模型包括：
S2：以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
在确定水平层理2与水平面的夹角后，将式(6)带入式(5)，计算得到t时刻，流体在页岩孔隙中的第二自吸高度hm(t)，将式(3)带入式(2)，计算得到t时刻，流体在水平层理中的第一自吸高度hc(t)，进而在得到hm(t)，hc(t)和α后，分别根据式(4)、式(7)和式(9)计算得到t时刻，流体自吸进入水平层理的第一自吸量Sc(t)、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量Sm1(t)和流体从水平层理自吸进入页岩孔隙的第三自吸量Sm2(t)，再将Sc(t)、Sm1(t)和Sm2(t)带入式(1)，即可得到不同时刻不同水平层理下的页岩自吸量。
本实施例在建立页岩自吸模型时，既考虑到了流体从水平层理2自吸进入页岩孔隙的第三自吸量的计算，也考虑到了周围页岩对研究对象的影响以及页岩岩样内部理化反应对自吸过程的影响，即本实施例同时考虑到层理和孔隙自吸基周围岩石压力来建立页岩自吸模型，能够更加准确的反映页岩自吸过程，更加准确、真实的计算得到页岩自吸量。
本实施例考虑实际页岩岩样层理的状态，建立页岩自吸物理和数学模型，引入α表征不同水平层理，以计算不同层理对自吸量的影响，进而计算得到不同层理下的页岩自吸量。如图3所示，其为本实施例所述计算方法的适用页岩的结构示意图，可以看出，本实施例的计算方法适用于与水平面成任何夹角的水平层理2。
实施例2：
本实施例用于提供一种不同水平层理页岩自吸量计算系统，如图4所示，所述计算系统包括：
构建模块M1，用于以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
计算模块M2，用于以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
所述页岩自吸模型包括流体自吸进入所述水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量模型。
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种不同水平层理页岩自吸量计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：
以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
所述页岩自吸模型包括流体自吸进入所述水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量模型；
所述第一自吸量模型的构建方法包括：
采用LW模型构建流体在所述水平层理中的第一自吸高度模型；
基于流体密度、流体在水平层理的充满系数、水平层理宽度、所述第一自吸高度模型、页岩端面直径、水平层理长度和所述水平层理与水平面的夹角构建第一自吸量模型；所述流体密度和所述流体在水平层理的充满系数属于所述流体特性参数；所述水平层理宽度和所述水平层理长度属于所述水平层理形态参数；所述页岩端面直径属于所述页岩形态参数；
所述第二自吸量模型的构建方法包括：
将渗透压和周围岩石的驱动力引入LW模型，得到流体在所述页岩孔隙中的第二自吸高度模型；
基于流体在页岩孔隙中的驱替效率、流体密度、页岩孔隙度、所述第二自吸高度模型和页岩端面直径构建第二自吸量模型；所述流体在页岩孔隙中的驱替效率和所述流体密度属于所述流体特性参数；所述页岩孔隙度和所述页岩端面直径属于所述页岩形态参数；
所述第三自吸量模型的构建方法包括：
采用LW模型构建流体在所述水平层理中的第一自吸高度模型；
将渗透压和周围岩石的驱动力引入所述LW模型，得到流体在所述页岩孔隙中的第二自吸高度模型；
基于流体在页岩孔隙中的驱替效率、流体在水平层理的充满系数、流体密度、页岩孔隙度、所述第二自吸高度模型、所述第一自吸高度模型、页岩端面直径、水平层理长度和所述水平层理与水平面的夹角构建第三自吸量模型；所述流体在页岩孔隙中的驱替效率、所述流体在水平层理的充满系数和所述流体密度属于所述流体特性参数；所述水平层理长度属于所述水平层理形态参数；所述页岩孔隙度和所述页岩端面直径属于所述页岩形态参数；
以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述第二自吸高度模型包括：
其中，hm(t)为t时刻，流体在所述页岩孔隙中的第二自吸高度；δ为页岩孔隙形状因子；ΔP为页岩中的流体受到的驱动力；r为页岩孔隙平均半径；ε为流体因页岩孔隙半径过小产生滑移而引入的滑移系数；τ为页岩孔隙迂曲度；μ为流体黏度；t为时间；
ΔP＝Pw+Pπ+Pc；
其中，Pw为周围岩石的驱动力；Pπ为页岩的渗透压；Pc为毛细管力。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，根据所述页岩孔隙度计算所述流体在所述页岩孔隙中的驱替效率。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述第三自吸量模型包括：
其中，Sm2(t)为t时刻，流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量；ζm为流体在页岩孔隙中的驱替效率；ζc为流体在水平层理的充满系数；ρ为流体密度；φ为页岩孔隙度；hm(t)为t时刻，流体在所述页岩孔隙中的第二自吸高度；hc(t)为t时刻，流体在所述水平层理中的第一自吸高度；d为页岩端面直径；L为水平层理长度；α为水平层理与水平面的夹角。
5.一种不同水平层理页岩自吸量计算系统，用于实现权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算系统包括：
构建模块，用于以水平层理与水平面的夹角作为输入变量，根据流体特性参数、水平层理形态参数和页岩形态参数构建页岩自吸模型；
计算模块，用于以所述水平层理与水平面的夹角作为输入，利用所述页岩自吸模型计算不同所述水平层理下的页岩自吸量。
6.根据权利要求5所述的计算系统，其特征在于，所述页岩自吸模型包括流体自吸进入所述水平层理的第一自吸量模型、流体由页岩端面自吸进入页岩孔隙的第二自吸量模型和流体从所述水平层理自吸进入所述页岩孔隙的第三自吸量模型。
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