CN114943177A - 预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法及相应施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法及相应施工方法，属于油气田水力压裂技术领域。通过间隙流与伯努利方程研究泵送摩阻的基本规律，建立考虑泵送摩阻的井口压力数学模型，采用遗传算法与最小二乘法建立泵送桥塞射孔联作施工自动拟合方法，确定射孔炮眼参数及裂缝缝口压力，进而预测泵送桥塞射孔联作施工压力，为施工提供更准确的压力预测，根据压力预测结果调整施工工艺参数，避免裂缝重新开启，降低施工风险。

Description

预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法及相应施工方法
技术领域
本发明属于油气田水力压裂技术领域，涉及一种预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法及相应施工方法。
背景技术
泵送桥塞射孔联作施工是页岩气完井工程中重要一环，该技术在直井段运用电缆输送方式将射孔枪串和桥塞自由下放，在水平段依靠水力泵送至目的井深，采用多级点火控制器引爆桥塞坐封工具实现水平井筒多级分段，再引爆射孔枪实现段内多簇射孔。目前，页岩气水力压裂分段工具多采用可溶桥塞，能够在高矿化度地层水中快速溶解，施工要求使用清水泵送，并且桥塞泵送到位后在4h内完成压裂施工，避免桥塞溶解失效无法封隔已改造井段。因此，涪陵工区在凌晨进行泵送桥塞射孔联作施工，与前一段压裂施工间隔时间较长、井内压力扩散导致压裂缝闭合，而泵送桥塞射孔联作施工时升压过程伴随闭合裂缝的重新开启。导致泵送压力发生突降，其产生的作用力会给射孔工具串带来泵脱风险，工具串落井后需要使用连续油管打捞，严重影响压裂试气完井进度，进而影响施工效益和施工安全。
目前，国内外学者对泵送桥塞射孔联作技术的研究多集中于工具串在水平井筒中的运移规律及受力情况，以及根据泵送桥塞射孔联作施工压力的利用，比如诊断水力裂缝特征、认识裂缝闭合压力、裂缝开启压力、地层滤失系数以及压裂液效率等。但针对泵送桥塞射孔联作施工压力计算还缺少相关研究，与成熟的水力压裂净压力计算不同，泵送桥塞射孔联作施工压力不仅与地层压力、井筒沿程摩阻、射孔炮眼摩阻有关，也与泵送摩阻有关。泵送摩阻是泵送桥塞射孔联作施工过程中工具串运动带来的流体能量损失，但是国内外学者忽视了对泵送摩阻的研究，导致泵送射孔施工压力计算不准确。
发明内容
针对以上问题，本发明通过间隙流与伯努利方程研究泵送摩阻的基本规律，建立考虑泵送摩阻的井口压力数学模型，采用遗传算法与最小二乘法建立泵送桥塞射孔联作施工自动拟合方法，确定射孔炮眼参数及裂缝缝口压力，进而预测泵送桥塞射孔联作施工压力，为施工提供更准确的压力预测，根据压力预测结果调整施工工艺参数，避免裂缝重新开启，降低施工风险。本发明的具体技术方案如下。
本发明提供一种预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法，包括以下步骤：
（1）计算压裂液摩阻△p fp。页岩气泵送射孔施工时使用清水泵送，以防可溶桥塞在高矿化度压裂液中溶解失效。因此，本发明采用清水沿程摩阻计算压裂液摩阻，具体公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中：△p fp为压裂液摩阻，单位为Pa；D为套管直径，单位为m；q为压裂液排量，单位为m3/min；L为井筒长度，单位为m。
（2）计算射孔炮眼摩阻△p perf。射孔炮眼摩阻（孔眼附近压力降）△p perf与孔眼数密切相关，具体计算公式如下：
Figure 574749DEST_PATH_IMAGE002
式中：△p perf为射孔炮眼摩阻，单位为Pa；ρ l为压裂液密度，单位为kg/m3；d perf为炮眼直径，单位为m；C D为流量系数，无因次；n perf为有效进液孔眼数，无因次。
（3）计算泵送射孔摩阻p pd。泵送射孔时压裂液一部分压力用于推动工具串向井底运动，造成一定的液压能转变为工具串动能。根据伯努利方程可知，泵送射孔工具串受到的驱动力由两部分组成：一部分是由工具串两侧静压力p 1、p 2形成的力，另一部分由压裂液与工具串的速度不同造成的动压力。因此，泵送射孔摩阻p pd由净压力摩阻与动压力摩阻组成，具体计算公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
式中，p pd为泵送射孔摩阻，单位为Pa；△p n为净压力摩阻，单位为Pa；p d为动压力摩阻，单位为Pa。
动压力摩阻计算公式为：
Figure 960731DEST_PATH_IMAGE004
式中，v f、v p分别为压裂液流速、工具串运动速度，单位均为m/min；C为工具串的表面形貌系数，无因次。
净压力摩阻计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
式中，p 1、p 2分别为工具串两侧的静压力，单位均为Pa；η为压裂液粘度，单位为Pa•s；l为工具串的长度，单位为m；d为工具串的直径，单位为m；h为工具串与套管之间的间隙，单位为m；ε为偏心率，无因次，取值范围为0-1，偏心率越大，工具串所受摩阻越大。
（4）计算压裂液净水柱压力p h：
Figure 6048DEST_PATH_IMAGE006
式中，p h为压裂液净水柱压力，单位为Pa；g为重力加速度，单位为m/s2；H为水平井垂深，单位为m。
（5）拟合裂缝压力p w：
根据泵送射孔施工历史数据，拟合裂缝压力p w，单位为Pa。
历史拟合方法是用选取的施工参数来反演地层参数的一种计算方法。泵送射孔施工自动历史拟合可以根据地面监测参数更加准确地确定井筒参数与地层参数，为泵送射孔施工工艺提供指导。历史拟合方法主要有经验拟合与人工智能拟合两种方式，近期国内外研究人员多采用人工智能拟合来筛选最优解，以减少历史拟合耗时，提高拟合精度。
（6）预测预测泵送桥塞射孔联作施工压力p s。泵送桥塞射孔联作施工压力与裂缝压力、压裂液摩阻、射孔炮眼摩阻、压裂液静水柱压力、泵送射孔摩阻有关，具体计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
式中，p s为泵送桥塞射孔联作施工压力，单位为Pa。
进一步地，本发明采用遗传算法（GA）拟合裂缝压力p w。遗传算法(GA)是由美国Michigan大学的Holland教授于1995年提出的，它是借鉴自然界遗传机制和生物进化论而形成的一种过程搜索最优解的算法。遗传算法具有较好的全局搜索能力，而且搜索过程既不受优化函数连续性的约束，也不要求优化函数可导。算法的基本思想简单，具有全局并行搜索、简单通用、鲁棒性强等优点。本发明将遗传算法应用到泵送桥塞射孔联作施工压力预测过程的流程如下：
①基因编码及生成初始群体
基因编码由matlab内部程序确定；泵送射孔施工过程中工具串参数、清水性能参数为已知参数，部分井筒参数已知，而地层压力与炮眼摩阻是未知的。因此，地层压力、有效进液孔眼数与流量系数作为自动历史拟合研究的变量，则问题的维数为3。选定种群数量为N s，初始群体具体格式如下：
Figure 604519DEST_PATH_IMAGE008
②适应度
最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。本发明选用页岩气水平井泵送射孔施工压力作为历史拟合的样本，选择最小二乘法的残差平方和为适应度函数。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
式中，F t为残差平方和；p s(i)为第i个点的泵送射孔数学模型计算压力值，单位为Pa；p a(i)为第i个点的实际泵送射孔施工压力值，单位为Pa；num为地面监测实际泵送射孔施工压力的个数，无因次。
③判断准则
给定最大迭代次数（例如选取150），当迭代次数超过最大迭代次数后停止迭代并输出最优结果X(p w, C D, n perf)，否则进行选择操作。
④选择
依据个体适应度的大小，进行轮盘赌选择操作。
⑤交叉
依据个体适应度的大小计算交叉概率，进行交叉操作。
⑥变异
依据个体适应度的大小计算变异概率，进行变异操作。
本发明还提供一种泵送桥塞射孔联作施工方法，根据上述方法预测泵送桥塞射孔联作施工压力，然后根据预测结果调整施工工艺参数，避免裂缝重新开启，减小射孔枪串泵脱风险。
进一步地，所述施工工艺参数为泵送排量。
本发明可以用于预测泵送射孔施工压力，为泵送施工提供更准确的压力预测，避免裂缝重新开启，减小射孔枪串泵脱风险。
附图说明
图1是工具串运动示意图。
图2是泵送桥塞射孔联作施工压力拟合曲线。
图3是泵送桥塞射孔联作施工压力预测曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，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方式，都属于本发明的保护范围。
图1是工具串运动示意图，通过间隙流与伯努利方程得到泵送摩阻的基本规律，根据发明内容部分提供的方法计算压裂液摩阻、射孔炮眼摩阻、泵送射孔摩阻和压裂液静水柱压力。
泵送桥塞射孔联作施工时可以实时获取电缆张力、工具串下放速度、泵送排量、液量及泵压等参数，选取一口井的一段泵送桥塞射孔联作施工曲线进行自动历史拟合。
统计泵送桥塞射孔联作施工基本参数，见表1。
表1：泵送桥塞射孔联作施工基本参数
Figure 137001DEST_PATH_IMAGE010
统计第1段泵送射孔施工数据，见表2。
表2：第1段泵送射孔施工数据
Figure DEST_PATH_IMAGE011
根据发明内容部分提供的方法，拟合第1段泵送桥塞射孔联作施工压力，结果如图2所示。由图2可知，泵送射孔施工压力理论模型与实际数据拟合效果较好，说明泵送射孔施工压力模型准确可靠，可以用于泵送射孔压力预测。通过拟合发现凌晨压裂施工时，炮眼开启个数为3，流量系数为0.6左右，缝口压力40MPa左右。
接下来进行第2段泵送桥塞射孔联作施工压力预测。第2段施工开井压力为14.44MPa，根据第1段拟合得到的炮眼开启个数（3个）、流量系数（0.6）与缝口压力（40MPa）进行预测，预测结果如图3所示。分析发现预测结果与实际泵送曲线变化趋势基本一致，压力变化范围也基本一致，模型准确可靠。
后续泵送桥塞射孔联作施工中，根据预测结果调整泵送排量，避免裂缝重新开启，减小射孔枪串泵脱风险。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (4)

1.预测泵送桥塞射孔联作施工压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）计算压裂液摩阻△p fp：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：△p fp为压裂液摩阻，单位为Pa；D为套管直径，单位为m；q为压裂液排量，单位为m3/min；L为井筒长度，单位为m；
（2）计算射孔炮眼摩阻△p perf：
Figure 754782DEST_PATH_IMAGE002
式中：△p perf为射孔炮眼摩阻，单位为Pa；ρ l为压裂液密度，单位为kg/m3；d perf为炮眼直径，单位为m；C D为流量系数，无因次；n perf为有效进液孔眼数，无因次；
（3）计算泵送射孔摩阻p pd：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，p pd为泵送射孔摩阻，单位为Pa；△p n为净压力摩阻，单位为Pa；p d为动压力摩阻，单位为Pa；
动压力摩阻计算公式为：
Figure 739924DEST_PATH_IMAGE004
式中，v f、v p分别为压裂液流速、工具串运动速度，单位均为m/min；C为工具串的表面形貌系数，无因次；
净压力摩阻计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，p 1、p 2分别为工具串两侧的静压力，单位均为Pa；η为压裂液粘度，单位为Pa•s；l为工具串的长度，单位为m；d为工具串的直径，单位为m；h为工具串与套管之间的间隙，单位为m；ε为偏心率，无因次；
（4）计算压裂液净水柱压力p h：
Figure 407666DEST_PATH_IMAGE006
式中，p h为压裂液净水柱压力，单位为Pa；g为重力加速度，单位为m/s2；H为水平井垂深，单位为m；
（5）拟合裂缝压力p w：
根据泵送射孔施工历史数据，拟合裂缝压力p w，单位为Pa；
（6）预测预测泵送桥塞射孔联作施工压力p s：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，p s为泵送桥塞射孔联作施工压力，单位为Pa。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用遗传算法拟合裂缝压力p w，具体流程如下：
①基因编码及生成初始群体
基因编码由matlab内部程序确定；选定种群数量为N s，初始群体具体格式如下：
Figure 545386DEST_PATH_IMAGE008
②适应度
选择最小二乘法的残差平方和为适应度函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
式中，F t为残差平方和；p s(i)为第i个点的泵送射孔数学模型计算压力值，单位为Pa；p a(i)为第i个点的实际泵送射孔施工压力值，单位为Pa；num为地面监测实际泵送射孔施工压力的个数，无因次；
③判断准则
给定最大迭代次数，当迭代次数超过最大迭代次数后停止迭代并输出最优结果X(p w,C D, n perf)，否则进行选择操作；
④选择
依据个体适应度的大小，进行轮盘赌选择操作；
⑤交叉
依据个体适应度的大小计算交叉概率，进行交叉操作；
⑥变异
依据个体适应度的大小计算变异概率，进行变异操作。
3.泵送桥塞射孔联作施工方法，其特征在于，根据权利要求1或2所述的方法预测泵送桥塞射孔联作施工压力，然后根据预测结果调整施工工艺参数，避免裂缝重新开启，减小射孔枪串泵脱风险。
4.根据权利要求3所述的泵送桥塞射孔联作施工方法，其特征在于，所述施工工艺参数为泵送排量。
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CN116877067A (zh) * 2023-07-18 2023-10-13 重庆地质矿产研究院 一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116877067A (zh) * 2023-07-18 2023-10-13 重庆地质矿产研究院 一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法
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