CN113947041A - 一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，包括以下步骤：S1、采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态；S2、基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画，定量表征页岩储层有机质‑无机质‑裂缝网络之间的流动机制。本发明提供一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，对于制定生产方案及评价压裂措施好坏具有重要的现实意义。

Description

一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法

技术领域

本发明涉及页岩储层模拟领域。更具体地说，本发明涉及一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法。

背景技术

常规油气资源长时间开采已逐渐枯竭，随着技术的进步，非常规油气资源已经成为常规油气资源的有效补充，特别是页岩油气资源具有较好的经济性,使得非常规油气勘探开发成为油气资源战略的重要领域。由于页岩气储层物性差、地层能量低、油气分布复杂，需要利用水平井压裂改造技术方能实现经济开发。水平井体积压裂技术作为非常规储层改造的有效措施，目标是形成复杂的裂缝网络，增大油气藏改造体积(SRV)，从而提高单井产量及油气藏采收率。非常规储层压裂裂缝网络形态很大程度上决定了SRV范围以及增产效果,因此在明晰裂缝网络扩展形态的基础上，通过嵌入式离散裂缝模型对裂缝流动能力进行表征，形成压裂裂缝扩展与流动模拟一体化技术，进而评估压裂改造的好坏具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，对于制定生产方案及评价压裂措施好坏具有重要的现实意义。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，包括以下步骤：

S1、采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态；

S2、基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画，定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的流动机制。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，S1中采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态时，具体包括以下步骤：

S1.1、按照实际地层控制范围将其划分成多个地质单元；

S1.2、根据实际井筒射孔点位置以及初始裂缝方位确定压裂坐标点；

S1.3、根据储层缝网内流体流动，采用流体压降方程修正缝内流压，计算当前地质单元体缝内压裂液流体压力；

S1.4、根据地质参数以及天然裂缝分布规律定量表征裂缝尖端周向应力分布及周围地质单元体临界破裂应力；

S1.5、对比已形成次生裂缝的地质单元体裂缝尖端周向应力与其周围地质单元体的临界破裂应力，若周向应力低于所有相邻单元体临界破裂应力，则输出裂缝形态；否则进入 S1.6；

S1.6、确定周向应力大于临界破裂应力地质单元体分布规律，分析具有压裂可能性地质单元体破裂压力；

S1.7、采用分形概率指数结合裂缝起裂应力强度定量表征次生裂缝尖端周围地质单元体裂缝扩展概率，并引入随机函数结合各方向扩展概率确定下级裂缝扩展方向；

S1.8、采用应力阴影效应校正缝网延伸后对地质单元体地应力变化影响；重复至S1.4，直至裂缝尖端不再有地质单元体存在裂缝扩展的可能性，形成集储层地应力、岩石力学参数以及应力阴影效应于一体的次生裂缝生长算法，定量表征出压裂裂缝网络分布特征。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，S1.4中所述的地质参数包括地应力、岩石脆性和抗拉强度。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，S1.7中所述裂缝起裂应力强度的计算方法如下：

计算S1.4中所述的裂缝尖端周向应力：

上式中，σ_θ(i,j)为裂缝尖端点(i,j)方向的周向应力，Mpa；r为离裂缝尖端距离，m；θ(i,j) 为裂缝尖端点(i,j)方向与裂缝轴向的夹角，[0,π]；K₁(i,j)、K₂(i,j)为(i,j)方向的Ⅰ型和Ⅱ型裂缝应力强度因子，MPa·m^0.5；

其中，K₁(i,j)和K₂(i,j)计算方法如下：

上式中，σ_xx和σ_yy分别为沿裂缝轴向主方向和法向主方向应力，MPa；α为裂缝面法线方向与坐标轴夹角；a为裂缝半长，m；p_net为裂缝净压力，MPa；

计算S1.4中所述的临界破裂应力：

上式中，σ_cr代表裂缝起裂临界应力，MPa；K_IC代表裂缝尖端断裂韧度，MPa m^0.5；

定义裂缝起裂应力强度为周向应力与起裂临界应力之差，则：

上式中，σ_fr为代表裂缝起裂应力强度，MPa。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，S1还包括计算裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率：

上式中，P(i，j)为裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率；N为可能形成破裂的地质单元总个数；γ为分形概率指数。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，S2中基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画时，具体包括以下步骤：

S2.1、页岩储层有机质孔隙考虑单相气体运移的多孔介质表观孔隙度模型和多孔介质表观渗透率模型分别为：

上式中，k_app为多孔介质表观渗透率，m²；R_{int_max}为最大孔径，nm；R_{int_min}为最小孔径，nm；N为孔隙形状级数；K_fe为椭圆类孔隙自由气渗透率；R_int为孔径大小，nm；k_fr为矩形类孔隙自由气渗透率；k_ae为椭圆类孔隙吸附气渗透率；k_ar为矩形类孔隙吸附气渗透率；φ_app为多孔介质表观孔隙度；φ_f为自由气孔隙度；C_a为孔隙表面吸附气气体浓度， mol/m³；Z为气体压缩因子，无因次；R为通用气体常数，8.314J/(K·mol)；T为储层温度， K；φ_a为吸附气孔隙度；

S2.2、考虑页岩储层多孔介质微尺度孔隙流动机理时，多孔介质含水饱和度为S_w时气水两相渗透率分别为：

上式中，k_gas为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质气相渗透率，m²；k_water为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质水相渗透率，m²；k_fulr为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙表观渗透率，m²；k_fule为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙水相渗透率，m²。

S2.3、基于有限体积方法对上式(9)和(10)进行离散，得到上式(9)和(10)的全隐式格式：

上式中，ΔV_i是该网格块的体积，Δt是相邻两时间步之间的时间间隔，G_ij是相邻网格块之间的几何因子，一般仅与网格的几何参数有关，λ_w,ij和λ_g,ij分别是相连接的网格之间的水相流度和气相流度。

S2.4、利用牛顿迭代和自动微分技术对上式(11)和(12)进行高效精确计算。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，上式(12) 中λ_w,ij的计算方法如下：

上式中对于与饱和度相关的物理量k_rw,ij利用上游权格式取值，对于与压力有关的物理量μ_w,ij和B_w,ij则按照算术平均格式取值，具体如下：

上式(14)-(16)中，μ_w,ij为水相i,j位置的粘度，mPa.s；B_w,ij为水相体积系数；k_rw,ij为水相相对渗透率。

本发明采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩储层多分支裂缝网络形态，在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型(EDFM)来定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制，从而实现页岩储层压裂缝网扩展流动一体化模拟。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一实施例中所述的裂缝扩展路径示意图结构示意图；

图2为本发明一实施例中所述的矩形网格嵌入式裂缝；

图3为本发明另一实施例中所述的概念模型渗透率和地应力分布；

图4为本发明另一实施例中所述的概念模型反演裂缝形态的示意图；

图5为本发明另一实施例中含气饱和度分布及产量分布曲线；

图6为本发明另一实施例中不同施工压力下的裂缝形态；

图7为本发明另一实施例中不同施工压力下的含气饱和度分布；

图8为本发明另一实施例中不同施工压力下的产量分布曲线；

图9为本发明另一实施例中不同分形概率指数下的裂缝形态；

图10为本发明另一实施例中不同分形概率指数下的含气饱和度分布；

图11为本发明另一实施例中不同分形概率指数下的产量分布曲线；

图12为本发明另一实施例中不同压裂液粘度下裂缝形态；

图13为本发明另一实施例中不同压裂液粘度下含气饱和度分布；

图14为本发明另一实施例中不同压裂液粘度下产量分布曲线；

图15为本发明另一实施例中不同裂缝模拟精度下的裂缝形态；

图16为本发明另一实施例中不同裂缝模拟精度下含气饱和度分布；

图17为本发明另一实施例中不同裂缝模拟精度下产量分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的实施例提供一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，包括以下步骤：

S1、采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态；具体的，包括以下步骤：

S1.1、按照实际地层控制范围将其划分成多个地质单元；

S1.2、根据实际井筒射孔点位置以及初始裂缝方位确定压裂坐标点；

S1.3、根据储层缝网内流体流动，采用流体压降方程修正缝内流压，计算当前地质单元体缝内压裂液流体压力；

S1.4、根据地质参数以及天然裂缝分布规律定量表征裂缝尖端周向应力分布及周围地质单元体临界破裂应力；所述地质参数包括地应力、岩石脆性和抗拉强度；

S1.5、对比已形成次生裂缝的地质单元体裂缝尖端周向应力与其周围地质单元体的临界破裂应力，若周向应力低于所有相邻单元体临界破裂应力，则输出裂缝形态；否则进入 S1.6；

S1.6、确定周向应力大于临界破裂应力地质单元体分布规律，分析具有压裂可能性地质单元体破裂压力；

S1.7、采用分形概率指数结合裂缝起裂应力强度定量表征次生裂缝尖端周围地质单元体裂缝扩展概率，并引入随机函数结合各方向扩展概率确定下级裂缝扩展方向；其中，所述裂缝起裂应力强度的计算方法如下：

2020年，赵辉等首次提出了一种基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，该方法可以更为精细的刻画裂缝网络形态，且具有计算效率高，可以大规模缝网反演的特点，模型具体思路如下：当压裂液进入射孔通道时，高压流体会撑开射孔通道向地层继续延伸，从而形成新的裂缝通道。模型采用改进的最大周向拉应力理论，即裂缝扩展不再是固定沿着最大的周向拉应力方向进行扩展，而是存在一个裂缝扩展临界周向应力σ_cr，当水力裂缝尖端各方向的周向拉应力大于临界周向拉应力时，裂缝就存在可能沿着该方向进行扩展：

计算S1.4中所述的裂缝尖端周向应力：

上式中，σ_θ(i,j)为裂缝尖端点(i,j)方向的周向应力，Mpa；r为离裂缝尖端距离，m；θ(i,j) 为裂缝尖端点(i,j)方向与裂缝轴向的夹角，[0,π]；K₁(i,j)、K₂(i,j)为(i,j)方向的Ⅰ型和Ⅱ型裂缝应力强度因子，MPa·m^0.5；

其中，K₁(i,j)和K₂(i,j)计算方法如下：

上式中，σ_xx和σ_yy分别为沿裂缝轴向主方向和法向主方向应力，MPa；α为裂缝面法线方向与坐标轴夹角；a为裂缝半长，m；p_net为裂缝净压力，MPa；

计算S1.4中所述的临界破裂应力：

上式中，σ_cr代表裂缝起裂临界应力，MPa；K_IC代表裂缝尖端断裂韧度，MPa m^0.5；

定义裂缝起裂应力强度为周向应力与起裂临界应力之差，则：

上式中，σ_fr为代表裂缝起裂应力强度，MPa。

S1.8、采用应力阴影效应校正缝网延伸后对地质单元体地应力变化影响；重复至S1.4，直至裂缝尖端不再有地质单元体存在裂缝扩展的可能性，形成集储层地应力、岩石力学参数以及应力阴影效应于一体的次生裂缝生长算法，定量表征出压裂裂缝网络分布特征；

S1还包括计算裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率：

随着裂缝的扩展，缝内流体压力也会随之发生变化，采用流体压降方程对裂缝流体压降进行修正。裂缝扩展具有随机性，并不是每一个满足破裂条件(即上式(17))的地质单元都能形成裂缝通道，同一时间步下，只会形成一个裂缝通道。因此破裂点的选择满足概率函数，且相关地质单元破裂的概率与其破裂的难易程度和分形概率指数有关，其满足的表达式为

上式中，P(i，j)为裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率；N为可能形成破裂的地质单元总个数；γ为分形概率指数。

该方法将储层划分为若干个等间距的地质单元，各相邻地质单元间彼次构成连接，如图1中所示。其中黑色点为划分的地质单元，红色点为已经形成击穿的水力裂缝地质单元，红色实线为沟通的水力裂缝通道，蓝色点为可能形成裂缝的地质单元。裂缝在扩展时有多条途径，其破裂点的选择满足概率分布。

S2、基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画，定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的流动机制；具体的，包括以下步骤：

S2.1、页岩储层中气体主要以自由气和吸附气的形式赋存，现有认识表明烃生成过程中形成的有机孔是疏水的，其表面赋存大量吸附气。页岩储层多孔介质由于其孔隙细小，孔隙中自由气与壁面发生膨胀几率增加，对流体运移影响较大。一般认为，页岩储层有机质孔隙内气体流动主要有滑移流、努森扩散以及吸附解吸等。同时，页岩有机质多孔介质孔隙细小，静动态结构特征复杂，常规油藏现有的孔隙度/渗透率模型无法适用于页岩储层。前人在对孔径分布、孔隙截面形状、迂曲度和表面粗糙度等多孔介质静态结构特征和多种应力作用影响下孔径动态变化规律综合表征的基础上，建立了页岩储层有机质孔隙考虑单相气体运移的多孔介质表观孔隙度模型和多孔介质表观渗透率模型，分别为：

上式中，k_app为多孔介质表观渗透率，m²；R_{int_max}为最大孔径，nm；R_{int_min}为最小孔径，nm；N为孔隙形状级数；K_fe为椭圆类孔隙自由气渗透率；R_int为孔径大小，nm；k_fr为矩形类孔隙自由气渗透率；k_ae为椭圆类孔隙吸附气渗透率；k_ar为矩形类孔隙吸附气渗透率；φ_app为多孔介质表观孔隙度；φ_f为自由气孔隙度；C_a为孔隙表面吸附气气体浓度， mol/m³；Z为气体压缩因子，无因次；R为通用气体常数，8.314J/(K·mol)；T为储层温度， K；φ_a为吸附气孔隙度；

S2.2、页岩储层原始含水饱和度较低，多呈束缚水状态，具有超低含水饱和度现象(原始含水饱和度小于束缚水饱和度)，气井在生产过程中基本不产水或者产生极少数量的水。然而在压裂改造区域，由于压裂液滞留影响，孔隙中含水饱和度高于束缚水饱和度，即存在体相水，进而导致页岩生产中存在明显的气水两相流动。考虑页岩储层多孔介质微尺度孔隙流动机理时，多孔介质含水饱和度为S_w时气水两相渗透率分别为：

上式中，k_gas为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质气相渗透率，m²；k_water为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质水相渗透率，m²；k_fulr为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙表观渗透率，m²；k_fule为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙水相渗透率，m²。

S2.3、基于指定的缝网形态和基质的孔隙度/渗透率方程，采用数值计算方法实现流动模拟。其中：储层发育三种介质，有机质-无机质采用双重介质表征，大尺度裂缝显式表征，考虑气水两相流动。本实施例拟基于嵌入式离散裂缝模型(EDFM)对生成的裂缝形态进行刻画，EDFM的核心思想是将裂缝嵌入到结构化基质网格中，从而得到裂缝网格分布，如图2所示，两条裂缝嵌入到矩形网格体系中，得到1-10个裂缝网格，并根据裂缝网格的几何位置建立裂缝网格与包含该裂缝网格的基质网格之间的连接(例如裂缝网格 7-基质网格6)、相邻的裂缝网格之间的连接(例如裂缝网格3-裂缝网格5)、相邻基质网格之间的连接(例如基质网格6-基质网格7)。

基于有限体积方法对上式(9)和(10)进行离散，得到上式(9)和(10)的全隐式格式：

上式中，ΔV_i是该网格块的体积，Δt是相邻两时间步之间的时间间隔，G_ij是相邻网格块之间的几何因子，一般仅与网格的几何参数有关，λ_w,ij和λ_g,ij分别是相连接的网格之间的水相流度和气相流度。

S2.4、利用牛顿迭代和自动微分技术对上式(11)和(12)进行高效精确计算。

优选的是，所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法中，传导系数的计算是根据EDFM中定义的各类连接分别计算的，而流度的计算方法对于EDFM中任意类型的网格连接是相同的，上式(12)中λ_w,ij的计算方法如下：

上式中对于与饱和度相关的物理量k_rw,ij利用上游权格式取值，对于与压力有关的物理量μ_w,ij和B_w,ij则按照算术平均格式取值，具体如下：

上式(14)-(16)中，μ_w,ij为水相i,j位置的粘度，mPa.s；B_w,ij为水相体积系数；k_rw,ij为水相相对渗透率。

该实施例中，基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法模拟页岩储层多分支裂缝网络形态，并结合嵌入式离散裂缝模型(EDFM)来定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制，实现了页岩储层压裂缝网扩展流动一体化模拟。

优选的，作为本文的另一个实施例，建立了一个页岩储层压裂水平井概念模型，选取单簇单侧射孔进行缝网气水两相流动一体化仿真模拟。

1、概念算例；

模型实际控制范围为200m×200m，地层初始最大主应力为45MPa，方向为井筒法线方向，即为射孔方向；地层初始最小主应力大小为36MPa，方向为井筒轴线方向；地层垂向应力大小为40MPa，地层孔隙压力为15MPa，岩石弹性模量为2.5×104MPa。模型假设地层应力不是均匀分布，最大主应力和最小主应力之间存在应力差梯度，从井筒到地层无穷远处应力差逐渐减小，水平主应力大小也趋于相等，模型建立的地应力差梯度场如图 3(b)所示，地应力差梯度初始值设置为0.05MPa/m。由于页岩储层地层非均质程度明显，且地层渗透率比常规地层要低几个数量级，因此本实施例考虑了储层非均质性的特点，建立了一个非均质渗透率分布场，如图3(a)中所示。在图3中上边缘存在一条高渗带，最大渗透率值为0.5mD，而在井筒附近地层渗透率则偏低，最小值达到了0.03mD。

对该模型进行压裂设计，建立了200×200个地质单元，单个地质单元实际控制范围为1m×1m。模型在井筒中间位置进行射孔处理，形成了一条射孔通道，由于井筒内的注入压力较大，因此初始射孔通道内的流体压力近似等于初始压裂液注入压力。模型采用的相关计算参数如表1所示。采用上述实施例中中所介绍的方法计算裂缝形态以及缝网流动模拟。

表1缝网扩展相关实际参数

模型最终反演的裂缝形态如图4所示，从图4中可以看出裂缝朝多方向扩展，形成了多分支缝网形态，因为最大主应力为井筒法线方向，所以裂缝主体依然是朝着垂直井筒方向扩展。裂缝扩展过程中由于存在应力阴影效应，且裂缝扩展具有随机性，前一时刻形成的裂缝会对下一步裂缝扩展方向产生影响，因此在主裂缝局部形成了较多的分支裂缝。由于应力差梯度的影响，越远离井筒地层水平主应力差逐渐减小，裂缝扩展方向也越呈现多向性，因此从井筒到裂缝尖端分支缝数目也逐渐增多。

采用嵌入式离散裂缝模型(EDFM)对生成的裂缝形态进行刻画，定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制。图5(a)为将计算出来裂缝网络形态在模拟生产200天后地层含气饱和度分布，图5(b)为该生产周期下的产量分布曲线。从图5 中可以看出在裂缝控制范围内地层含气饱和度明显降低，页岩气沿着裂缝优势通道被快速采出，在开采初始时段单天产气量也达到最大值，随着开采时间的增加裂缝周围的页岩气逐渐枯竭，而远离裂缝通道区域由于地层渗透率太小，页岩气流动困难，从而很难被开采出来，含气饱和度也趋于原始值，这也导致后期的单天产气量下降迅速，只有开采初期的四分之一左右。这也体现出了对于页岩储层要想经济有效的开发，压裂是必要的手段，增大有效的改造体积是目的，只有扩大裂缝的控制范围，形成多分枝裂缝网络才能够显著提高页岩气产量以及页岩储层采收率。

2、敏感性分析；

缝网扩展形态受多种因素综合影响，水力压裂缝网形态会直接影响到页岩储层开发的经济效益。本文采用表一中的相关实际参数，将地层划分为200×200个地质单元，分别探究不同施工压力、分形概率指数、压裂液粘度、以及网格大小(裂缝模拟精细程度)等参数对最终裂缝扩展形态，含气饱和度分布以及产量曲线的影响。

2.1、压裂液施工压力的影响：

压裂液施工压力是水力裂缝扩展的直接动力来源，施工压力的大小会显著影响到裂缝扩展的距离以及控制范围。因此本文分别选取了三种压裂液施工压力分别为50MPa、60MPa、65MPa来探究压裂液施工压力对裂缝形态，含气饱和度分布以及产量曲线的影响。其结果如图6所示。

从图6中可以看出当压裂液注入压力增大时，裂缝扩展距离明显增加，且分支缝的数量也有所增多。这是由于压裂液注入压力提供裂缝扩展的动力，当裂缝延伸的过程能量来源充足时，裂缝能够破开地层岩石的距离也就更远，裂缝所控制的范围也增大。从图7不同施工压力下的裂缝含气饱和度分布中可以看出裂缝扩展的距离越远、扩展规模越大，在裂缝周围含气饱和度下降越快，页岩气的产量也得到显著提高，因此要想有效的提高油气产量以及采收率，需要适当的增加压裂注入压力，从而增大区域压裂裂缝控制范围。

2.2、分形概率指数γ；

裂缝扩展具有随机性，每一步裂缝扩展方向的选取都满足概率分布函数，而分形概率指数的大小会影响裂缝扩展概率分布的均匀程度，分形概率指数越大会加剧优势裂缝的扩展，因此分形概率指数会潜在的影响裂缝扩展形态。本文选取了分形概率指数γ分别为1、 1.5、2来探究分形概率指数对裂缝形态，含气饱和度分布以及产量曲线的影响。其结果如图9所示。

分形概率指数是影响裂缝扩展局部过程中裂缝单元的选择，分形概率指数的大小会改变裂缝扩展各点的难易程度。从图9中可以看出分形概率指数不同时裂缝的形态也不尽相同，且最明显的特点是，当分形概率指数减小时，主裂缝周围的分支缝数目明显增多，裂缝形态增加舒展，这是因为分形概率指数越小，各单元破裂难易程度差异性被缩小，各点破裂概率都大体相当，因此会形成较多的分支缝。由于应力阴影效应，现存裂缝对后续裂缝扩展产生影响，因此裂缝最终形态不尽相同。在图10-图11中看出分形概率指数越小，裂缝越舒展，裂缝周围含气饱和度分布下降范围越大，单井的产气量也明显增多。对于不同地层分形概率指数不尽相同，且不能任意选取，需要结合微地震数据等实际参数进行约束，选择相应d地层合适的分形概率指数，研究表明,地层裂缝模拟的分形概率指数在 0.5～2.5之间。

2.3、压裂液粘度；

压裂液粘度主要是影响裂缝扩展过程中缝内流体压降分布，而缝内流体压力是支撑裂缝扩展的直接动力，因此压裂液粘度的大小也会到影响裂缝扩展最终形态。本文选取了压裂液粘度μ分别为5mPa·s、50mPa·s、100mPa·s来探究压裂液粘度对裂缝形态，含气饱和度分布以及产量曲线的影响。其结果如图12-图14所示。

从图12的裂缝形态可以看出，压裂液粘度越小，裂缝越易形成多分支缝网结构，压裂液粘度越大，其缝网分支少，但其扩展距离明显增加。并且当压裂液粘度减小时裂缝分支多，在开采时裂缝周围含气饱和度显著降低，初始产气量大，但是产气量随天数增加下降较快，因此低粘度压裂液能够更好的形成缝网体系，提高页岩气单井产量，但是想要进一步提高页岩储层采收率，需要对单井进行加密射孔、多簇压裂设计。

2.4、裂缝模拟精细程度；

裂缝网格尺寸划分的大小是影响裂缝模拟的精细程度主要因素，网格尺寸划分越大，裂缝模拟越精细，会极大的提高模型产量预测的精度，因此本文将200m×200m的地层划分为200×200、100×100、50×50三种大小的地质单元，其单个地质单元控制面积分别为1m×1m、2m×2m、4m×4m来探究不同的裂缝模拟精细程度对裂缝形态，含气饱和度分布以及产量曲线的影响。其结果如图15所示。

网格精细程度会影响裂缝控制范围，网格划分越粗，会扩大裂缝的实际控制区域，从而影响到产量计算的正确性。从图15中可以明显的看出当裂缝网格划分越多，裂缝刻画的越加精细，而网格划分越粗，裂缝形态大体虽然没有变化，但是其局部裂缝内渗透率明显粗化，并且在图16-图17含气饱和度分布图中可以看出被粗化的裂缝其含气饱和度下降范围明显比精细裂缝范围大，其页岩气产量也得到相应的增加。因此在实际储层裂缝反演中，为了更加准确的描述油井的生产动态，应该合适选择划分裂缝网格的精细程度。

上述实施例中，采用本申请的页岩储层缝网扩展及流动一体化模拟方法分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液粘度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明：压裂液注入压力越高，分形概率指数越小，压裂液粘度越小裂缝扩展范围越大，含气饱和度减小范围越大，单井产量越高。裂缝网格精细程度会显著影响产量误差，因此在模拟允许范围内应尽量精细刻画裂缝形态。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (7)

1.一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态；

S2、基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画，定量表征页岩储层有机质-无机质-裂缝网络之间的流动机制。

2.如权利要求1所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，S1中采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法，模拟得到页岩储层多分支裂缝网络形态时，具体包括以下步骤：

S1.1、按照实际地层控制范围将其划分成多个地质单元；

S1.2、根据实际井筒射孔点位置以及初始裂缝方位确定压裂坐标点；

S1.3、根据储层缝网内流体流动，采用流体压降方程修正缝内流压，计算当前地质单元体缝内压裂液流体压力；

S1.4、根据地质参数以及天然裂缝分布规律定量表征裂缝尖端周向应力分布及周围地质单元体临界破裂应力；

S1.5、对比已形成次生裂缝的地质单元体裂缝尖端周向应力与其周围地质单元体的临界破裂应力，若周向应力低于所有相邻单元体临界破裂应力，则输出裂缝形态；否则进入S1.6；

S1.6、确定周向应力大于临界破裂应力地质单元体分布规律，分析具有压裂可能性地质单元体破裂压力；

S1.7、采用分形概率指数结合裂缝起裂应力强度定量表征次生裂缝尖端周围地质单元体裂缝扩展概率，并引入随机函数结合各方向扩展概率确定下级裂缝扩展方向；

S1.8、采用应力阴影效应校正缝网延伸后对地质单元体地应力变化影响；重复至S1.4，直至裂缝尖端不再有地质单元体存在裂缝扩展的可能性，形成集储层地应力、岩石力学参数以及应力阴影效应于一体的次生裂缝生长算法，定量表征出压裂裂缝网络分布特征。

3.如权利要求2所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，S1.4中所述的地质参数包括地应力、岩石脆性和抗拉强度。

4.如权利要求2所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，S1.7中所述裂缝起裂应力强度的计算方法如下：

计算S1.4中所述的裂缝尖端周向应力：

上式中，σ_θ(i,j)为裂缝尖端点(i,j)方向的周向应力，Mpa；r为离裂缝尖端距离，m；θ(i,j)为裂缝尖端点(i,j)方向与裂缝轴向的夹角，[0,π]；K₁(i,j)、K₂(i,j)为(i,j)方向的Ⅰ型和Ⅱ型裂缝应力强度因子，MPa·m^0.5；

其中，K₁(i,j)和K₂(i,j)计算方法如下：

上式中，σ_xx和σ_yy分别为沿裂缝轴向主方向和法向主方向应力，MPa；α为裂缝面法线方向与坐标轴夹角；a为裂缝半长，m；p_net为裂缝净压力，MPa；

计算S1.4中所述的临界破裂应力：

上式中，σ_cr代表裂缝起裂临界应力，MPa；K_IC代表裂缝尖端断裂韧度，MPa m^0.5；

定义裂缝起裂应力强度为周向应力与起裂临界应力之差，则：

上式中，σ_fr为代表裂缝起裂应力强度，MPa。

5.如权利要求4所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，S1还包括计算裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率：

上式中，P(i，j)为裂缝尖端点(i，j)方向的破裂概率；N为可能形成破裂的地质单元总个数；γ为分形概率指数。

6.如权利要求1所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，S2中基于嵌入式离散裂缝模型对S1中得到的页岩储层多分支裂缝网络形态进行刻画时，具体包括以下步骤：

S2.1、页岩储层有机质孔隙考虑单相气体运移的多孔介质表观孔隙度模型和多孔介质表观渗透率模型分别为：

上式中，k_app为多孔介质表观渗透率，m²；R_{int_max}为最大孔径，nm；R_{int_min}为最小孔径，nm；N为孔隙形状级数；K_fe为椭圆类孔隙自由气渗透率；R_int为孔径大小，nm；k_fr为矩形类孔隙自由气渗透率；k_ae为椭圆类孔隙吸附气渗透率；k_ar为矩形类孔隙吸附气渗透率；φ_app为多孔介质表观孔隙度；φ_f为自由气孔隙度；C_a为孔隙表面吸附气气体浓度，mol/m³；Z为气体压缩因子，无因次；R为通用气体常数，8.314J/(K·mol)；T为储层温度，K；φ_a为吸附气孔隙度；

S2.2、考虑页岩储层多孔介质微尺度孔隙流动机理时，多孔介质含水饱和度为S_w时气水两相渗透率分别为：

上式中，k_gas为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质气相渗透率，m²；k_water为含体相水且含水饱和度为S_w时无机质多孔介质水相渗透率，m²；k_fulr为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙表观渗透率，m²；k_fule为完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_e}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的椭圆类孔隙水相渗透率，m²；k_{gas_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙气体渗透率，m²；k_{water_part_r}为不完全饱和水时孔径为R_int，形状因子为

的矩形类孔隙水相渗透率，m²。

S2.3、基于有限体积方法对上式(9)和(10)进行离散，得到上式(9)和(10)的全隐式格式：

上式中，ΔV_i是该网格块的体积，Δt是相邻两时间步之间的时间间隔，G_ij是相邻网格块之间的几何因子，一般仅与网格的几何参数有关，λ_w,ij和λ_g,ij分别是相连接的网格之间的水相流度和气相流度。

S2.4、利用牛顿迭代和自动微分技术对上式(11)和(12)进行高效精确计算。

7.如权利要求6所述的一种页岩储层压裂缝网络扩展流动一体化模拟方法，其特征在于，上式(12)中λ_w,ij的计算方法如下：

上式中对于与饱和度相关的物理量k_rw,ij利用上游权格式取值，对于与压力有关的物理量μ_w,ij和B_w,ij则按照算术平均格式取值，具体如下：

上式(14)-(16)中，μ_w,ij为水相i,j位置的粘度，mPa.s；B_w,ij为水相体积系数；k_rw,ij为水相相对渗透率。

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