CN114925626B - 考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及设备。该方法包括:压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元,基于基本参数计算获取裂纹扩展速率,根据扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t,判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数,根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前裂缝扩展结果。本申请的方法,考虑孔眼磨蚀对裂缝扩展作用,建立多裂缝扩展模型。分析不同施工参数条件下的孔眼动态磨蚀规律,为现场施工提供理论指导依据。
Description
技术领域
本申请涉及但不限定于一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及设备。
背景技术
水平井分段多簇压裂技术已成为非常规低渗储层开采及增产的重要手段。为了满足压裂施工参数优化和促进多裂缝均匀扩展的需要,研究水平井的多裂缝扩展规律具 有重要的现实意义。
考虑到矿场监测的昂贵成本以及不确定性,数值模拟技术是研究多裂缝扩展预测的主要手段。其中,边界元方法由于仅需对裂缝面进行离散求解,使问题维度降低一 维,求解的未知数更少,计算效率明显更高,被广泛应用于多裂缝扩展预测中。
然而,现有的边界元方法在进行裂缝扩展预测时,未考虑孔眼动态磨蚀的影响,存在预测准确度低的问题。
发明内容
本申请提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及设备,用以解决现有技术中无法准确预测裂缝扩展的问题。
本申请一实施例提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法,包括:
压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型;
根据基本参数计算获取裂纹扩展速率,再根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t;
判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数;
根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果。
本申请另一实施例提供一种电子设备,包括:处理器,以及与该处理器通信连接的存储器;
该存储器存储计算机执行指令;
该处理器执行该存储器存储的计算机执行指令,以实现上述实施例描述的方法。
本申请另一实施例提供一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令,计算机执行指令被处理器执行时用于实现如上述实施例所涉及的方 法。
本申请另一实施例提供一种计算机程序产品,该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所涉及的方法。
本申请实施例提供的考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及设备,通过压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模 型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。基于基本参数计算获取裂纹扩展速率, 根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t,实现总泵注时间离散成很 多个时间步。通过判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数,再根据更新后的孔眼直 径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得 当前时刻的多裂缝扩展结果,实现孔眼动态磨蚀模型与多裂缝扩展的数值模型相结合。 由于考虑了支撑剂对孔眼的磨损,提高了裂缝扩展模拟预测的准确性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请一实施例提供的一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法的流程图;
图2为本申请另一实施例提供的裂缝面单元类型的示意图;
图3为本申请又一实施例提供的一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法的流程图;
图4为本申请另一实施例提供的孔眼磨蚀面积与支撑剂进入量相关关系示意图;
图5A为本申请再一实施例提供的射孔摩阻随时间变化关系的示意图;
图5B为本申请另一实施例提供的流量分配随时间变化关系的示意图;
图5C为本申请再一实施例提供的孔眼直径随时间变化关系的示意图;
图5D为本申请另一实施例提供的流量系数随时间变化关系的示意图;
图6为本申请再一实施例提供的多裂缝扩展形态示意图;
图7为本申请一实施例提供的多裂缝扩展预测装置的结构示意图;
图8为本申请再一实施例提供的一种电子设备结构示意图。
通过上述附图,已示出本申请明确的实施例,后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围,而是通过参考特定实 施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性 实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅 是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为了满足压裂施工参数优化设计和促进多裂缝均匀扩展的需要,改善压后效果和油气产能,研究水平井中多裂缝同步扩展规律具有重要的现实意义。水力压裂过程中, 高速流动的携砂液会严重磨蚀射孔孔眼,增大孔眼直径和流量系数,降低孔眼摩阻及 限流能力,影响各簇裂缝流量分配,加剧多裂缝非均匀扩展程度。考虑到矿场监测的昂贵成本以及不确定性,建立一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展数值模拟技术就显 得尤为重要。
但是由于孔眼磨蚀作用受控因素多,并且与多裂缝扩展呈相互动态影响,目前基于边界元方法模拟多裂缝扩展的模型还未考虑孔眼磨蚀作用的影响。而室内试验和矿 场监测结果均表明孔眼磨蚀作用普遍存在。因此,考虑孔眼动态磨蚀作用对数值模拟 研究多裂缝同步扩展规律的具有重要影响。
针对上述问题,本申请实施例提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法及 设备,旨在解决目前无法准确预测裂缝扩展的问题。本申请的技术构思是:通过压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型 包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。基于基本参数计算获取裂纹扩展速率,根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t,实现总泵注时间离散成很多 个时间步。通过判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据支 撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数,实现孔眼动态磨蚀模型与多裂缝扩展的数值模型相结合。再根据更新后的孔眼 直径、孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获 得当前时刻的多裂缝扩展结果,实现准确预测裂缝扩展效果。
如图1所示,本申请一实施例提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法,方法包括如下步骤:
S101、压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。
在该步骤中,先建立压裂水平井的多裂缝扩展数值模型,在初始时刻对数值模型进行基本参数初始化,具体包括裂缝面的横坐标的距离和纵坐标的距离、支撑剂注入 时间、支撑剂浓度、初始孔眼直径、初始流量系数、最大流量系数、压裂液的总排量、 裂缝的初始宽度和压力和总泵注时间。
为建立压裂水平井的多裂缝扩展的数值模型,先获得压裂水平井的地质构造及特征,建立压裂水平井的多裂缝扩展的物理模型。其中,压裂水平井的物理模型的建立 是为了模拟地层环境。
在建立压裂水平井的物理模型后,通过对物理模型进行裂缝面划分获得多个裂缝面单元。更具体地,将裂缝面离散为若干尺寸为Δx×Δy的矩形网格,以网格中心为坐标原点,Δx为二维裂缝面的横坐标的距离,Δy为二维裂缝面的纵坐标的距离, 网格中心用于计算裂缝宽度和缝内压力,网格边界用于计算流体流量。
为便于数值计算和边界捕捉,定义了4种网格单元类型,图2为本申请实施例提 供的裂缝面单元类型的示意图,如图2所示,裂缝面单元类型包括通道单元、尖端单 元、待定单元和初始单元。通道单元和尖端单元为已激活的单元,待定单元和初始单 元为未激活的单元。
整个数值模型是一个与时间相关的一个过程,将全过程时间离散成很多个时间步, 再根据离散的时间步,通过计算判断是否需要将未激活单元纳入为已激活单元。在对裂缝面单元的类型进行更新后,通过裂缝面单元的类型可捕捉每一离散的时间步的裂 缝边界。
数值模型是所研究系统动态特性的数学表达式,是系统输入作用与输出作用之间的数学关系,是通过明确各个变量之间的相互关系建立起相互联系的整体。因此,可 以通过确定物理模型中的相关参数,以及各个参数之间的动态关系得到数值模型。
在一实施例中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。井筒流体流动模型是根据基尔霍夫定律建立的流量分配模型,即流量分配满足体积守恒和压力平衡 条件。
流固耦合模型包括固体变形控制方程和缝内流体流动方程,固体变形控制方程是采用三维位移不连续方法求解,且平面三维裂缝仅考虑法向位移不连续量,裂缝面单 元的压力与宽度有一定的关系。缝内流体流动方程考虑了流体滤失行为,缝内流体是 指平行板间不可压缩流体的层流。
整个数值模型是一个与时间相关的一个过程,求解模型中含时间项微分方程时,将全过程时间离散成很多个时间步,数值模型在每一个时间步长对应的时刻进行求解。 当上一时刻为初始时刻,在获得多裂缝扩展模型在初始时刻的基本参数时,以初始时 间步长对应的时刻对数值模型在当前时刻进行求解,获得多裂缝扩展的数值模型在当前时刻的求解结果。当上一时刻为初始时刻之外的时刻,在获取压裂水平井多裂缝扩 展的数值模型在初始时刻之外的时刻的求解结果时,以更新当前时间步长对应的时刻 对数值模型在当前时刻进行求解,获得多裂缝扩展的数值模型在当前时刻的结果。例 如:上一时刻为t1时刻,则可以对数值模型在当前时刻t=t1+△t1进行求解,获得数 值模型在t=t1+△t1时刻的数值模型求解结果。
S102、基于基本参数计算获取裂纹扩展速率,根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t。
在该步骤中,针对每个待定单元,裂纹扩展速率分解成横向扩展速度Vx和纵向扩展速度Vy。其中,横向扩展速率Vx与待定单元的横坐标的距离Δx、待定单元的左侧相 邻单元的激活时间待定单元的右侧相邻单元的激活时间/>有关。纵向扩展速率Vy与 待定单元的纵坐标的距离Δy、待定单元的上侧相邻单元的激活时间/>待定单元的 下侧相邻单元的激活时间/>有关。
在一实施例中,在上一时刻的多裂缝扩展的数值模型中获得待定单元的横坐标的距离Δx、待定单元的左侧相邻单元的激活时间待定单元的右侧相邻单元的激活时 间待定单元的纵坐标的距离Δy、待定单元的上侧相邻单元的激活时间/>以及待 定单元的下侧相邻单元的激活时间/>根据如下公式计算每个待定单元的横向扩展速 度VX和纵向扩展速度Vy。
在获得每个待定单元的横向扩展速度VX和纵向扩展速度Vy后,从所有待定单元的横向扩展速度中选择最大的横向扩展速率从所有待定单元的横向扩展速度中选 择最大的纵向扩展速率/>
在获得最大的横向扩展速率和最大的纵向扩展速率/>后,根据最大的横向 扩展速率/>和最大的纵向扩展速率/>计算获得当前时间步长。
在上述技术方案中,最大的横向扩展速率和最大的纵向扩展速率/>计算获 得当前时间步长。
在一实施例中,根据如下公式计算当前时间步长Δt。
式中,α为第一无因次附加参数,取0.2,β为第二无因次附加参数,取0.08,lf为 裂缝半长,由于整个裂缝面是对称的,裂缝半长为裂缝总长的一半,单位为m。
在一实施例中,根据如下公式计算当前时刻t。
t=t1+Δt
式中,Δt为当前时间步长;n为时间步长更新次数;t1为上一时刻。
S103、判断当前时刻t是否大于或等于支撑剂注入时间,若是,进入S104,否则, 进入S106。
在该步骤中,水力压裂是一个与时间相关过程,不是瞬间完成的。水力压裂过程中一般先注入不含有支撑剂的液体,即前置液,到达某个时刻注入含有支撑剂的液体, 主要为携砂液。孔眼磨蚀主要是支撑剂造成的,所以,当判断到当前时刻t大于或等 于支撑剂注入时间,即有支撑剂注入,需考虑孔眼磨蚀的影响。
其中,当前时刻是指上一时间加上当前时间步长。例如:上一时刻为t1,当前时 间步长Δt,则当前时刻t=t1+Δt。
在判断当前时刻是否有支撑剂注入时,先获取支撑剂注入时间,再将当前时刻与支撑剂注入时间比较,若当前时刻小于支撑剂注入时间,则没有支撑剂注入。若当前 时刻大于或等于支撑剂注入时间,则有支撑剂注入。其中,支撑剂注入时间为参数初 始化设置的时间。
S104、根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数。
在该步骤中,孔眼动态磨蚀模型是基于支撑剂参数和压裂液参数的一个数值模型, 孔眼磨蚀改变孔眼直径和孔眼流量系数。因此,在确定当前时间步长对应时间段内有支撑剂注入时,基于支撑剂参数和压裂液参数更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系 数,得到当前时刻的孔眼直径和孔眼流量系数,保证孔眼直径和孔眼流量系数随磨蚀作用呈动态变化。
S105、根据更新后的孔眼直径、孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行再当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果。
在该步骤中,多裂缝扩展的数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。当有支撑剂注入时,由于孔眼直径和孔眼流量系数随时间发生了变化,并将更新后的孔 眼直径和孔眼流量系数代入井筒流体流动模型,采用牛顿-拉夫逊(Newton-Raphson) 方法求解井筒流体流动模型,得到各裂缝分配流量和井底压力,再将各裂缝分配流量和井底压力代入到流固耦合方程中,并采用显示求解方法,获得当前时刻的各个裂缝 压力和各个裂缝宽度,也就是得到t时刻的各个裂缝压力和各个裂缝宽度。
S106、根据初始化的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果。
在该步骤中,在确定没有支撑剂注入时,孔眼直径和孔眼流量系数未发生变化,并将初始化的孔眼直径和孔眼流量系数代入井筒流体流动模型中,采用牛顿-拉夫逊方 法求解井筒流体流动模型,得到各裂缝流量分配和井底压力,再将各裂缝流量分配和井底压力代入到流固耦合方程中,并采用显示求解方法,获得当前时刻的各个裂缝压 力和各个裂缝宽度,得到了当前时刻的多裂缝扩展结果,也就是得到t1+Δt时刻的多 裂缝扩展结果。
在上述技术方案中,通过压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型;基于初 始化参数计算获取裂纹扩展速率,并根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当 前时刻t,实现将全过程时间离散成很多个时间步;判断当前时刻t是否有支撑剂注入, 若没有,采用初始孔眼直径和孔眼流量系数;若有,根据支撑剂参数和压裂液参数计算孔眼动态磨蚀模型,更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数,实现了孔眼磨蚀对 孔眼直径和孔眼流量系数影响的实时动态计算;根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系 数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂 缝扩展结果,实现准确预测孔眼动态磨蚀下的裂缝扩展效果。
如图3所示,本申请一实施例提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法,方法包括如下步骤:
S201、压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型。该步骤已经在上述实施例中详 细说明,此次不在赘述。
S202、基于基本参数计算获取裂纹扩展速率,并根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t。
该步骤已经在上述实施例中详细说明,此次不在赘述。
S203、判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,进入S204, 否则,进入S205。
该步骤已经在上述实施例中详细说明,此次不在赘述。
S204、根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数。
在该步骤中,支撑剂参数包括支撑剂浓度,压裂液参数包括压裂液在孔眼处的平均流速;孔眼动态磨蚀模型是基于支撑剂参数和压裂液参数的数值模型;孔眼直径和 孔眼流量系数是关于时间的微分,又支撑剂参数和压裂液参数会影响孔眼直径和孔眼 流量系数。所以,根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型能够更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数。
在一实施例中,根据孔眼动态磨蚀模型计算获得更新后的孔眼直径和更新后的孔眼流量系数。
其中,孔眼动态磨蚀模型包括:
其中,D为孔眼直径,单位为mm;Cd为孔眼流量系数,为最大流量系数, 取值为0.9,单位为kg/m3;t为时间;C为支撑剂浓度,v为压裂液在孔眼处的平均流 速,m/3;α为第一无因次附加参数,β为第二无因次附加参数。
再通过四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)方法显示求解上述孔眼动态磨蚀模型,获得更新后的孔眼直径和更新后的孔眼流量系数。
在一实施例中,当时刻t小于支撑剂注入时刻时,没有支撑剂注入时,不需考虑 孔眼动态磨蚀的影响,孔眼直径和孔眼流量系数不会发生变化;当时刻t大于支撑剂 注入时刻时,说明有支撑剂注入,可以根据上一时刻孔眼直径和孔眼流量系数,以及孔眼动态磨蚀模型获得当前时刻的孔眼直径和孔眼流量系数。例如:上一时刻为t1 时刻,则可以根据t1时刻的孔眼直径、t1时刻的孔眼流量系数以及孔眼动态磨蚀模型 获得t=t1+Δt1时刻的孔眼直径和t=t1+Δt1时刻的孔眼流量系数。其中,△t1为时 间步长。
S205、根据孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获取当前时刻的多裂缝扩展结果,并转入S206。
在该步骤中,当确定支撑剂注入时,根据更新后孔眼直径、孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获取当前时刻的多裂缝扩展结 果。
具体采用步骤S301和S302计算获得多裂缝扩展结果。
S301、根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的各裂缝的流量和当前时刻的井底压力。
其中,井筒流体流动模型包括如下公式:
PBHTP=Pf,i+Pp,i+Pc,i
式中:Q为压裂液注入总排量,为预先设定的已知量,m3/min;Qi为各裂缝流量, m3/min;PBHTP为井底压力,MPa;Pf,i为第i条裂缝的缝口压力,MPa;Pp,i为第i条裂 缝的孔眼摩阻,MPa;Pc,i为第i条裂缝的井筒摩阻,MPa。
其中,对于第一步计算,Pf,i为预先给定一个初始值,对于第一步之外的其他步,Pf,i为上一步流固耦合方程计算得到的缝口压力值。
孔眼的摩阻公式为:
式中:Pp为孔眼摩阻,Pa;D为孔眼直径,m,通过更新获得;Cd为孔眼流量系数, 无因次,通过更新获得;Qi为支撑剂的流量,m3/s;ρ为压裂液的密度,kg/m3;Np为 孔眼数。
井筒摩阻计算公式:
式中:Dw为压裂管柱内径,m;lw为压裂管柱长度,m;fc为沿程摩阻系数,无 因次;ρ为压裂液的密度,kg/m3;Vw为井筒内液体流速,m/s;Qi为各裂缝流量,m3/min。 在该步骤中,采用牛顿-拉夫逊方法求解井筒流体流动模型,获得当前时刻的各裂缝的 流量和当前时刻的井底压力。
S302、根据当前时刻的各裂缝的流量、当前时刻的井底压力对流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的各裂缝的压力和当前时刻的各裂缝的宽度。
在该步骤中,流固耦合模型包括固体变形控制方程和缝内流体流动方程。
其中,缝内流体流动方程是指平行板间不可压缩流体的层流的流动方程,且在缝内流体流动方程流体滤失行为。
缝内流体流动方程为:
式中:q为缝内流体体积流量,m2/s;u为动力粘度,Pa·s;w为为裂缝宽度,m;, P为裂缝的缝口压力,MPa。
在缝内流体流动方程基础上,考虑流体滤失行为后,获得缝内流体的质量守恒方程为:
式中,w为缝宽,m;q为缝内流体体积流量,m2/s;qL为卡特滤失模型中的滤 失速度,m/s;Qi为第i条裂缝的流体注入量,m3/s;δ为克罗内克符号;xi为第i条裂 缝注入位置,x为裂缝单元的中心点位置。
岩体变形控制方程是采用三维位移不连续方法求解,且平面三维裂缝仅考虑法向位移不连续量,裂缝面单元的压力与宽度有一定的关系。
其中,裂缝面单元的压力与宽度关系满足以下方程:
式中,p(x,t)-σh(x)为点x处的有效应力,Mpa;w(ξi)为激活的裂缝面单元的裂 缝宽度,m;C(x,ξi)为在点x处的裂缝宽度为w(ξi)时的影响系数,Mpa/m;N为激活 的裂缝面单元数量。
在获得上述流固耦合模型后,基于勒让德(Legendre)多项式的龙格-库塔方法显示求解流固耦合方程。
首先基于当前时间步长计算显示求方法的级数s,具体采用如下公式计算:
对流固耦合模型进行简化后得到如下方程:
具有2阶精度的s级的勒让德多项式的龙格-库塔方法计算格式为:
其中,2≤j≤s,w0=w(t0),w(t0+Δt)=ws;
b0=b1=b2=1/3
采用上述方法求解流固耦合模型,获得当前时刻的各裂缝的压力和当前时刻的各裂缝的宽度。
当确定没有支撑剂注入时,根据初始化的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获取当前时刻的多裂缝扩展结果。
S206、判断裂缝流量是否收敛,若是,进入S207,若否,进入S205。
在该步骤中,根据当前时间步的各裂缝单元压力(当前时间步对应时刻的缝口压力),再次带入井筒流动模型重新计算一次各裂缝流量分配,判断两次计算的各裂缝 流量分配是否收敛,即两次计算的各裂缝流量分配的差值是否小于给定误差限,若是 则收敛;若不是,则用后一次计算的各裂缝流量分配带入流固耦合模型,再次计算各 裂缝压力,再带入井筒流体流动模型计算各裂缝流量分配并判断收敛性,重复这一步骤,直到各裂缝流量分配收敛即可。
S207、判断当前时刻t是否大于或等于总泵注时间,若是,进入S208。否则,进 入S202。
在确定裂缝流量稳定后,判断裂缝是否发生扩展。其中,判断裂缝是否扩展的方法为,先根据多尺度尖端解的近似解法计算尖端单元的临界宽度,也就是根据如下公 式计算尖端单元的临界宽度。
式中:ls为尖端单元距离裂缝尖端的长度,m;V为裂缝尖端的扩展速度,m/s,u为液体动力粘度,Pa·s,E为杨氏模量,MPa;v为泊松比,无因次;/>KIC为断裂韧性,MPa·m0.5。
然后将尖端单元的临界宽度与S205中获得尖端单元内裂缝宽度比较,若临界宽度更小,则裂缝发生扩展,待定单元被激活;否则,裂缝不扩展。
总泵住时间T为人为事先给定的一个时间。当前时刻t大于或者等于预设总泵注时间T,结束流程,并输出当前时刻的各裂缝的压力和各裂缝的宽度。当前时刻t小 于预设总泵注时间T,返回至S202,进入到下一个时间步循环。
S208、输出当前时刻的各裂缝的压力和各裂缝的宽度。
在上述技术方案中,通过孔眼动态磨蚀模型和多裂缝扩展数值模型的结合,在支撑剂注入之后,利用孔眼动态磨蚀模型更新计算每一时间步的孔眼直径和孔眼流量系 数,采用Newton-Raphson方法求解井筒流体流动模型,得到各裂缝流量分配和井底压力,再代入到流固耦合方程显示求解缝内单元压力和宽度,重复上述步骤直到模拟 到给定的压力时间T,结束流程,获得最终的多裂缝扩展结果,实现了考虑孔眼动态 磨蚀作用的多裂缝扩展准确模拟。
本申请一实施例中,为了确保建立的考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展数值模型的准确 性,在开展数值模拟时,可根据矿场监测结果校正数值模型。
更具体地,基于某一具体油藏水力压裂施工后的射孔成像数据,计算出各簇孔眼的磨蚀面积,再统计出各段孔眼磨蚀面积与对应的支撑剂进入量。由于孔眼磨蚀面积 与支撑剂进入量具有较好的正相关关系,故可计算出孔眼磨蚀面积与支撑剂进入量的 实际比例系数。
再根据数值模型中孔眼动态磨蚀模型确定孔眼磨蚀面积与支撑剂进入量的模拟比例系数,并将实际比例系数与模拟比例系数进行对比,当实际比例系数与模拟比例 系数不相等时,则调整孔眼动态磨蚀模型中的第一无因次参数α和第二无因次参数β, 并将调整后的第一无因次参数α和第二无因次参数β代入孔眼动态磨蚀模型进行重新模拟,直到实际比例系数与模拟比例系数相同,并将实际比例系数与模拟比例系数相 同时的第一无因次参数α的数值和第二无因次参数β数值作为上述多裂缝扩展预测方 法的实施例中孔眼动态磨蚀模型中第一因次参数α的数值和第二无因次参数β的数值。
图4为数值模拟得到的孔眼磨蚀面积与支撑剂进入量相关关系示意图,可见两者的比 例系数为14.575。
在上述技术方案中,通过校正第一无因次附加参数α和第二无因次附加参数β,校正孔眼动态磨蚀模型,提高模拟数据的准确性,实现准确预测裂缝扩展效果。
基于上述实施例提供的多裂缝扩展预测方法进行孔眼动态磨蚀作用下的多裂缝扩展数值模拟,获得图5A至图5D所示结果,数值模型参数如表1所示。
表1数值模型参数
参数名称 | 单位 | 取值 | 参数名称 | 单位 | 取值 |
杨氏模量 | GPa | 35 | 泊松比 | -- | 0.20 |
断裂韧性 | MPa·m0.5 | 1.5 | 滤失系数 | m/s0.5 | 1×10-5 |
簇数 | -- | 3 | 簇间距 | m | 10 |
最小水平主应力 | MPa | 60 | 支撑剂浓度 | Kg/m3 | 720 |
支撑剂注入时间 | Min | 15 | 总泵注时间 | Min | 45 |
图5A为泵注过程中各簇孔眼摩阻随时间变化关系曲线,图5B为泵注过程中各簇流量分配比例随时间变化关系曲线。图5A和图5B表明在支撑剂注入之后,各簇的孔眼摩 阻迅速降低然后再缓慢下降,并且流量分配也产生明显变化,跟端簇孔眼分配的流量进一 步增加,而中间簇更加受到限制,说明各簇裂缝流量分配差异程度加剧。
图5C为各簇孔眼直径随时间变化关系曲线,图5D为各簇流量系数随时间变化关系曲线。图5C和图5D表明支撑剂开始注入后,各簇孔眼的流量系数迅速增加然后趋于稳 定,孔眼直径呈缓慢上升趋势。并且跟端簇孔眼的直径增加的最快,泵注结束后直径增加 了0.19mm。而中间簇孔眼增加的最慢,直径增加了0.10mm。如图6所示,跟端簇裂缝宽 度和趾端簇裂缝宽度较大,而中端簇裂缝宽度较小,由于上述裂缝宽度分布,在缝间应力 干扰的作用下,跟端簇裂缝比中间簇裂缝受到的应力干扰作用更小,流量分配的更多,孔眼磨蚀作用更强。
在上述技术方案中,基于某一具体油藏水力压裂施工后的射孔成像数据,计算出各 簇孔眼的磨蚀面积,再统计出各段孔眼磨蚀面积与对应的支撑剂进入量。由于孔眼磨蚀面 积与支撑剂进入量具有较好的正相关关系。将矿场监测结果与数值模拟得到的比例系数对比,若两种方法的比例系数不相等,则通过调整孔眼动态磨蚀模型中的修正参数α和β进 行重新模拟,直到数值模拟结果与试验结果吻合。通过校正之后的数值模型得到各时刻的 各射孔簇的孔眼直径、流量系数、射孔摩阻和入口流量,并获得最终的水平井水力压裂多 裂缝扩展形态。进一步能够分析水力压裂过程在不同施工参数条件下的孔眼动态磨蚀规律,以及孔眼动态磨蚀作用对孔眼直径、流量系数、孔眼摩阻和各簇裂缝流量分配的影响,现 场施工提供理论指导依据。
如图7所示,本申请一实施例提供一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测装置,预测装置500包括:
获取模块501,用于压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型;
处理模块502,用于根据基本参数计算获取裂纹扩展速率,再根据裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t;
处理模块502还用于判断当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据该支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和 孔眼流量系数;
处理模块502还用于根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果。
在一实施例中,处理模块502还用于:
若当前时刻t小于支撑剂注入时间,根据基本参数初始化的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多 裂缝扩展结果。
在一实施例中,处理模块502具体用于:
根据孔眼动态磨蚀模型计算获得更新后的孔眼直径和更新后的孔眼流量系数;其中,该孔眼动态磨蚀模型包括:
其中,D为孔眼直径,单位为mm;t为时间;C为支撑剂浓度,v为压裂液在孔眼 处的平均流速,m/3;Cd为孔眼流量系数,为最大流量系数;单位为kg/m3;α为 第一无因次附加参数,β为第二无因次附加参数。
在一实施例中,根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型和流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果,具体包括:
根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型进行当前时刻的模型求解,获得当前时刻的各裂缝的流量和当前时刻的井底压力;
根据当前时刻的各裂缝的流量、当前时刻的井底压力和多裂缝扩展的数值模型在上一时刻的模型求解结果流固耦合模型进行当前时刻的求解,获得当前时刻的各裂缝 的压力和当前时刻的各裂缝的宽度。
在一实施例中,处理模块502还用于:
当当前时刻的裂缝流量收敛时,判断当前时刻t是否大于或等于预设总泵注时间,若是,输出当前时刻的各裂缝的压力和各裂缝的宽度。
在一实施例中,处理模块502还用于:
若当前时刻t小于预设总泵注时间,获取当前时刻的裂缝扩展速率,并根据裂纹扩展速率计算下一时间步长;
判断下一个时间步长对应时刻是否大于或等于支撑剂注入时间,若是,根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新当前时刻的孔眼直径和孔眼流量系 数;
根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对井筒流体流动模型流固耦合模型进行下一时刻的求解,获得下一时刻的多裂缝扩展结果。
在一实施例中,处理模块502还用于:
当当前时刻的各裂缝的流量分配不收敛时,以当前时刻的各裂缝流量分配计算流固耦合模型,获取当前时刻的各裂缝压力,当前时刻的各裂缝压力包含当前时刻的缝 内压力;
根据当前时刻的各裂缝压力对井筒流体流动模型进行下一次的计算求解,计算获取下一次的各裂缝流量分配;
根据当前时刻的各裂缝流量分配和下一次的各裂缝流量分配,进行流量分配收敛判断。
如图8所示,本申请一实施例提供一种电子设备600,电子设备600包括存储器 601和处理器602。
其中,存储器601用于存储处理器可执行的计算机指令;
处理器602在执行计算机指令时实现上述实施例中方法中的各个步骤。具体可以参见前述方法实施例中的相关描述。
可选地,上述存储器601既可以是独立的,也可以跟处理器602集成在一起。当 存储器601独立设置时,该电子设备还包括总线,用于连接存储器601和处理器602。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质中存储有计算机指令,当处理器执行计算机指令时,实现上述实施例中方法中的各个步骤。
本申请实施例还提供一种计算机程序产品,包括计算机指令,该计算机指令被处理器执行时实现上述实施例中方法中的各个步骤。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、 用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中 的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来 限制。
Claims (10)
1.一种考虑孔眼动态磨蚀的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,包括:
压裂水平井多裂缝扩展的数值模型的基本参数初始化,并划分裂缝面单元;其中,所述数值模型包括井筒流体流动模型和流固耦合模型,所述划分裂缝面单元的方法为:将所述裂缝面离散为多个尺寸为Δx×Δy的矩形网格,以网格中心为坐标原点,Δx为二维裂缝面的横坐标的距离,Δy为二维裂缝面的纵坐标的距离,网格中心用于裂缝宽度和缝内压力,网格边界用于计算流体流量;裂缝面单元类型包括通道单元、尖端单元、待定单元和初始单元,所述通道单元和所述尖端单元为已激活的单元,所述待定单元和所述初始单元为未激活的单元;
根据所述基本参数计算获取裂纹扩展速率,再根据所述裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t;针对每个所述待定单元,裂纹扩展速率分解成横向扩展速度Vx和纵向扩展速度Vy,其中,横向扩展速率Vx与待定单元的横坐标的距离Δx、待定单元的左侧相邻单元的激活时间待定单元的右侧相邻单元的激活时间/>有关;纵向扩展速率Vy与待定单元的纵坐标的距离Δy、待定单元的上侧相邻单元的激活时间/>待定单元的下侧相邻单元的激活时间/>有关;
判断所述当前时刻t是否大于或等于预设支撑剂注入时间,若是,根据支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的孔眼直径和孔眼流量系数;
根据更新后的所述的孔眼直径和所述的孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果;
所述根据所述基本参数计算获取裂纹扩展速率,再根据所述裂纹扩展速率计算当前时间步长,并更新当前时刻t,包括:
根据如下公式1计算每个待定单元的横向扩展速度VX和纵向扩展速度Vy;
从所有所述待定单元的横向扩展速度中选择最大的横向扩展速率以及从所有待定单元的纵向扩展速度中选择最大的纵向扩展速率/>
根据所述最大的横向扩展速率和最大的纵向扩展速率/>通过如下公式2计算当前时间步长;
式2中,α为第一无因次附加参数,取0.2,β为第二无因次附加参数,取0.08,lf为裂缝半长,由于整个裂缝面是对称的,裂缝半长为裂缝总长的一半,单位为m;
根据如下公式3和公式4计算当前时刻t;
t=t1+Δt 公式4
公式3和公式4中,Δt为当前时间步长;n为时间步长更新次数;t1为上一时刻。
2.根据权利要求1所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,所述方法还包括:
若所述当前时刻t小于支撑剂注入时间,根据所述基本参数初始化的孔眼直径和所述基本参数初始化的孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果。
3.根据权利要求1所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,根据所述支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新上一时刻的所述孔眼直径和所述孔眼流量系数,具体包括:
根据孔眼动态磨蚀模型计算获得更新后的所述孔眼直径和更新后的所述孔眼流量系数;其中,所述孔眼动态磨蚀模型包括:
其中,D为孔眼直径,单位为mm;t为时间;C为支撑剂浓度,v为压裂液在孔眼处的平均流速,m/3;Cd为孔眼流量系数,为最大流量系数;单位为kg/m3;α为第一无因次附加参数,β为第二无因次附加参数。
4.根据权利要求1或2所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,根据更新后的所述孔眼直径和所述孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行在当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果,具体包括:
根据更新后的所述孔眼直径和所述孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型进行当前时刻的求解,获得当前时刻的各裂缝的流量和当前时刻的井底压力;
根据当前时刻的所述各裂缝的流量和当前时刻的井底压力对所述流固耦合模型进行当前时刻的求解,获得当前时刻的各裂缝的压力和当前时刻的各裂缝的宽度。
5.根据权利要求4所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,在根据更新后的所述孔眼直径和所述孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展之后,所述方法还包括:
当所述当前时刻的裂缝流量收敛时,判断所述当前时刻t是否大于或等于预设总泵注时间,若是,输出当前时刻的各裂缝的压力和各裂缝的宽度。
6.根据权利要求5所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,所述方法还包括:
若所述当前时刻t小于所述预设总泵注时间,获取当前时刻的裂缝扩展速率,并根据所述裂纹扩展速率计算下一时间步长;
判断下一个时间步长对应时刻是否大于或等于支撑剂注入时间,若是,根据所述支撑剂参数和压裂液参数,通过孔眼动态磨蚀模型更新当前时刻的孔眼直径和孔眼流量系数;
根据更新后的孔眼直径和孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行下一时刻的求解,获得下一时刻的多裂缝扩展结果。
7.根据权利要求4所述的多裂缝扩展预测方法,其特征在于,在根据更新后的所述孔眼直径和所述孔眼流量系数对所述井筒流体流动模型和所述流固耦合模型进行当前时刻的求解,获得当前时刻的多裂缝扩展结果之后,所述方法还包括:
当所述当前时刻的各裂缝的流量分配不收敛时,以当前时刻的各裂缝流量分配计算所述流固耦合模型,获取当前时刻的各裂缝压力,所述当前时刻的各裂缝压力包含当前时刻的缝内压力;
根据所述当前时刻的各裂缝压力对所述井筒流体流动模型进行下一次的计算求解,计算获取下一次的各裂缝流量分配;
根据所述当前时刻的各裂缝流量分配和所述下一次的各裂缝流量分配,进行流量分配收敛判断。
8.一种电子设备,包括:处理器,以及与所述处理器通信连接的存储器;
所述存储器存储计算机执行指令;
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令,以实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令,所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机程序产品,包括计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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