CN115081352A - 深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，包括如下步骤：对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件分别进行长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及裂缝尺寸计算模型的构建，得到压裂液不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件。
Description
技术领域
本发明涉及石油工程技术领域，具体是关于一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法及装置。
背景技术
海上深水油气藏由于上覆大段海水替代岩石层，导致压实不足而使目标储层疏松，在开采过程中极易出砂。砾石充填是一种有效的防砂技术，主要包括裸眼井砾石充填、套管井砾石充填以及压裂充填。很多现场施工结果表明，尽管裸眼井砾石充填和套管井砾石充填能够起到防砂作用，但同时也会引起较大的表皮因子，影响了最终的无砂产量。压裂充填防砂是在中高渗疏松砂岩油气层中通过水力压裂产生短而宽的裂缝，然后在裂缝中充填高强度、高渗透的砾石，形成高导流能力的人工裂缝。其核心技术是端部脱砂，基本原理是在水力压裂裂缝扩展过程中，有控制地使砂浆中的支撑剂在裂缝端部脱出，桥架形成端部砂堵，从而阻止裂缝沿缝长进一步延伸，继续泵入高砂比砂浆，继而在裂缝周边形成全面砂堵。随着裂缝中储液量增加，压力增大，促使裂缝发生膨胀变宽，形成短宽裂缝，同时裂缝内填砂浓度增大，从而造出一条具有高导流能力的裂缝。端部脱砂形成的短宽裂缝降低了生产压差，缓解岩石结构的破坏，降低了流体对地层微粒的冲刷携带作用，降低了出砂风险。因此既能提高无砂产量，又能通过多裂缝支撑带对地层微粒的桥堵起到有效的防砂。
近年来，尽管压裂充填技术已在现场普遍应用，但在设计关键技术-端部脱砂时，很多还是采用传统的压裂设计模型对裂缝的扩展和规模进行设计。对于中、高渗透疏松砂岩储层，理论设计的结果和现场施工结果会出现较大偏差。特别是对于深水高温高压储层，由于压裂液及砂浆要经过长距离的流动，其外部环境是井口的常温、泥线低温以及储层高温，压裂液在流经通道内的摩阻、物性参数以及在井筒和裂缝中的携砂性能对端部脱砂效果的影响研究较少。针对深水高温高压储层的压裂充填，亟需构建一种端部脱砂的工艺优化设计方法，用于指导现场的设计施工。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法及装置，能够解决目前疏松砂岩端部脱砂设计方法和现场施工误差大，而且还没有考虑深水高温高压的特点的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，包括如下步骤：
对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；
对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；
根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件分别进行长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及裂缝尺寸计算模型的构建，得到压裂液不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
综合考虑压裂液不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述流变性分析包括粘度、密度及剪切性能随温度和压力的变化规律以及分析研究压裂液及不同浓度的砾石砂浆的粘度、剪切性能。
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述长距离多流道温度场模型的构建包括：
长距离多流道前置压裂液和砾石砂浆温度计算模型为：
式中，Qc为热源项，为单位时间单位长度外界对控制体所做的功；ρl,q,Cl分别为流体密度、流量和比热容；rci为管柱内径；Tw,Tc分别为管柱内壁和液体温度；hci为管柱和周围环境的对流换热系数，t为时间。
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述裂缝内温度计算模型的构建包括：
对裂缝中流体的连续性方程和能量守恒方程沿缝高方向积分相加；
对岩石能量方程采用拉普拉斯积分变换；
对裂缝沿缝长进行划分，利用差分方法计算求解；
裂缝中流体的连续性方程为：
式中，λ(x,t)为单位裂缝长度上压裂液的漏失率；A(x,t)为t时刻裂缝中x处的裂缝截面面积；q(x,t)为裂缝中t时刻x处的截面流量；x为井筒上孔眼入口处为原点的裂缝中的位置；t为时间；
裂缝中流体的能量守恒方程为：
式中，w为裂缝宽度；Tf为裂缝中流体温度；t为时间；u为平均缝宽时的液体流速；vl为液体滤失速度；λ为换热系数；ρf为液体密度；Cf为液体比热；Trw为缝壁储层的温度；
滤失带的能量方程为：
岩石能量方程为：
式中，(ρC)ef＝φρfCf+(1-φ)ρrCr；kef＝φkf+(1-φ)kr；δ为滤失带厚度；φ定为储层孔隙度；Cr为储层岩石比热；ρr为储层岩石密度；Tr为储层岩石温度；kf为液体热传导系数；kr为储层岩石热传导系数；y为垂直于裂缝壁面的距离。
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述裂缝中压力分布模型和压裂液漏失计算模型的构建包括：
裂缝中压力分布模型为：
式中，pe为储层压力；
为水力扩散系数；pfw为裂缝入口处的压力；p为裂缝压力；x为裂缝入口处和原点的距离；t为时间；φ为储层孔隙度；
假设裂缝在一个连续的节段内延伸，对于任意j段：
式中，pj、pf,j分别为j段对应的储层压力和裂缝压力；pf,0＝pe；
为中间变量；
为考虑剪切影响和内外部滤饼造成的滤饼阻力，α'c为校正后的滤饼系数；VL为压裂液滤失体积；erf为误差函数；α为水力扩散系数；j为段序号；
由达西定律决定的漏失量为：
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述裂缝尺寸计算模型的构建包括：
对于中高渗储层，考虑在裂缝延伸过程中压裂液的漏失，修改KGD径向模型构建了裂缝半径、宽度及净压力的计算模型；
其中，对于任意阶段j，裂缝半径：
式中，
有效平均宽度为：
和裂缝几何形状有关的净压力为：
式中，qj为第j时间段的注入量；Δtj为注入时间间隔；erfc为互补误差函数；Aj为第j段渗透裂缝面积；G为剪切模量；υ为泊松比；uj为第j段表观流速；
为滤饼阻力；μf为压裂液粘度；
为有效平均宽度；λ为换热系数；k为储层渗透率；Rj为第j段裂缝半径；Δρj为和裂缝几何形状有关的净压力。
所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，优选地，所述对端部脱砂进行优化设计包括：
终止裂缝生长：
设tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间，则有如下平衡关系：
式中，VL1为砾石砂浆注入前的前置液漏失体积；VL2为自砾石砂浆注入开始到端部脱砂之间的前置液漏失体积；qi为泵入排量；tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间；
VL1满足下式：
VL1＝qitpad-Vf,pad (13)
式中，Vf,pad是由前置液产生的裂缝体积；
将上述两式整合，可得：
Vf,pad＝VL2 (14)
式中：
ttso为端部脱砂时间；Aj为j段裂缝中暴露在前置液中的裂缝面面积；upad,j为j段的漏失速率；
停止裂缝膨胀时间的确定：
设tINFL为达到预先设定的裂缝宽度的时间，Vf,tso为端部脱砂时裂缝的体积，则有：
式中，Rf为裂缝截面半径；tTSO为脱砂时间；uINFL,k为裂缝膨胀阶段压裂液漏失速率。m为裂缝膨胀后体积相比较端部脱砂时裂缝体积的倍数，根据现场要求加以确定；一旦满足，即可确定停止裂缝膨胀的时间tINFL。
本发明还提供一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化装置，包括：
第一处理单元，用于对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；
第二处理单元，用于对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；
第三处理单元，用于根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件对长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、对裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及对裂缝尺寸计算方法模型的构建，得到压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
第四处理单元，用于考虑压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1)本发明实现了深水高温高压多参数实时分析预测，更加真实模拟端部脱砂过程参数的实时设计；
2)本发明实现了中高渗疏松砂岩压裂液漏失条件下端部脱砂形成裂缝延伸、尺寸、裂缝中的压力分布等参数的耦合，对端部脱砂全过程各个阶段的模型进行了集成，具有通用性的优点；
3)本发明根据目标储层的特点，按照设计的裂缝规模和裂缝导流能力的要求，可以实现前置液、砾石砂浆的注入时间、压裂液及砾石砂浆体积等参数的优化。具有操作具体、实用的优点。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明中前置液注入时间的确定图；
图2是本发明中裂缝宽度设计曲线图；
图3是本发明中注入量随注入时间的变化关系图；
图4是本发明中裂缝半径和裂缝宽度随注入时间的变化关系图；
图5是本发明中裂缝中体积浓度和面积浓度随注入时间的变化关系图；
图6是本发明中压裂充填和常规压裂之间流体效率的对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，目标储层的特点，按照设计的裂缝规模和裂缝导流能力的要求，可以实现前置液、砾石砂浆的注入时间、压裂液及砾石砂浆体积等参数的优化。具有操作具体、实用的优点。
本发明提供的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，包括如下步骤：
对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线：压裂液及砾石砂浆沿长距离流道流动时，沿程环境变化影响压裂液及砾石砂浆流变性。本发明对压裂液及砾石砂浆的性能进行压力、温变条件下的流变性分析，包括粘度、密度及剪切性能随温度和压力的变化规律，分析研究压裂液及不同浓度的砾石砂浆的粘度、剪切性能。选择的温度模拟地表、泥线、井筒、裂缝及储层等条件。
对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件：高压储层由于地层压力高，需要高密度压裂液及砾石砂浆进行端部脱砂设计。本发明在模拟地层条件下，研究压裂液的携砂性能及砾石颗粒在裂缝中的沉降和悬浮的条件。
根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件对长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、对裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及对裂缝尺寸计算方法模型的构建，得到压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
考虑压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
在上述实施例中，优选地，所述流变性分析包括粘度、密度及剪切性能随温度和压力的变化规律以及分析研究压裂液及不同浓度的砾石砂浆的粘度、剪切性能，其中，考虑的温度包括井口温度、泥线温度及储层温度，计算模拟的温度是井筒中及裂缝中温度变化。
深水高温高压储层疏松砂岩的端部脱砂，在目标储层形成裂缝后，需要根据压裂液及砾石砂浆的性能进行合理设计；压裂液和砾石砂浆自地表面注入历经随海水深度的增加，外部温度逐渐降低，到达泥线后，温度达到最低；随深度的进一步增加，温度逐渐升高，到达目标储层温度达到最高。
在上述实施例中，优选地，所述长距离多流道温度场模型的构建包括：
长距离多流道前置压裂液和砾石砂浆温度计算模型为：
式中，Qc为热源项，为单位时间单位长度外界对控制体所做的功；ρl,q,Cl分别为流体密度、流量和比热容；rci为管柱内径；Tw,Tc分别为管柱内壁和液体温度；hci为管柱和周围环境的对流换热系数，t为压裂液注入时间。
在上述实施例中，优选地，所述裂缝内温度计算模型的构建包括：
对连续性方程和流体能量守恒方程沿缝高方向积分相加；
对岩石能量方程采用拉普拉斯积分变换；
对裂缝沿缝长进行划分，利用差分方法计算求解；
裂缝中流体的连续性方程为：
式中，λ(x,t)为单位裂缝长度上压裂液的漏失率；A(x,t)为t时刻裂缝中x处的裂缝截面面积；q(x,t)为裂缝中t时刻x处的截面流量；x为井筒上孔眼入口处为原点的裂缝中的位置；t为时间。
裂缝中流体的能量守恒方程为：
式中，w为裂缝宽度；Tf为裂缝中流体温度；t为时间；u为平均缝宽时的液体流速；vl为液体滤失速度；λ为换热系数；ρf为液体密度；Cf为液体比热；Trw为缝壁储层的温度。
滤失带的能量方程为：
岩石能量方程为：
式中，(ρC)ef＝φρfCf+(1-φ)ρrCr；kef＝φkf+(1-φ)kr；δ为滤失带厚度；φ为储层孔隙度；Cr为储层岩石比热；ρr为储层岩石密度；Tr为储层岩石温度；kf为液体热传导系数；kr为储层岩石热传导系数；y为垂直于裂缝壁面的距离。
中高渗储层压裂过程中，由于裂缝和周围储层的压力梯度，部分压裂液会漏失进入周围储层，裂缝中压力的变化影响压裂液的漏失量。本发明考虑非牛顿流体压裂液漏失进入周围储层，建立从裂缝到周围储层的压力剖面，进而计算压裂液漏失量。
在上述实施例中，优选地，对裂缝中压力分布模型和压裂液漏失计算模型的构建包括：
裂缝中压力分布模型为：
式中，pe为储层压力；
为水力扩散系数；pfw为裂缝中的压力；p为裂缝压力；x为裂缝入口处和原点的距离；t为时间；φ为储层孔隙度；
假设裂缝在一个连续的节段内延伸，对于任意j段：
式中，pj、pf,j分别为j段对应的储层压力和裂缝压力；pf,0＝pe；
为中间变量；
为考虑剪切影响和内外部滤饼造成的滤饼阻力；α'c为校正后的滤饼系数；VL为压裂液滤失体积；erf为误差函数；α为水力扩散系数；j为段序号；
由达西定律决定的漏失量为：
式中，
是作为流量函数的视粘度；
为有效流体粘度；n为幂律流体的流动特性指数；k为储层渗透率。
在上述实施例中，优选地，裂缝尺寸计算方法模型的构建包括：
对于中高渗储层，考虑在裂缝延伸过程中压裂液的漏失，修改KGD径向模型构建了裂缝半径、宽度及静压力的计算模型；
其中，对于任意阶段j，裂缝半径：
式中，
有效平均宽度为：
和裂缝几何形状有关的静压力为：
式中，qj为第j时间段的注入量；Δtj为注入时间间隔；erfc为互补误差函数；Aj为第j段渗透裂缝面积；G为剪切模量；υ为泊松比；uj为第j段表观流速；
为滤饼阻力；μf为压裂液粘度；
为有效平均宽度；λ为换热系数；k为储层渗透率；Rj为第j段裂缝半径；Δpj为和裂缝几何形状有关的净压力。
端部脱砂是中高渗储层压裂充填中的关键技术，基本步骤是：首先泵入一定量的的无支撑剂的前置液，尽管前置液体积小，但可以形成大部分最终裂缝的轮廓。然后泵入一定含量的支撑剂砂浆，由于裂缝尖端狭窄和高漏失，使得砂浆中的砾石在裂缝端部沉积，从而抑制/阻止裂缝生长，即出现端部脱砂。本发明构建了终止裂缝增长的模型和方法，以及停止裂缝膨胀的时间计算方法。
在上述实施例中，优选地，所述对端部脱砂进行优化设计包括：
终止裂缝生长：
中高储层压裂充填过程中，当泵入前置液形成预先确定的裂缝长度后，马上接着泵入的砾石砂浆，由于沿裂缝壁面压裂液的漏失，在不发生裂缝中提前砂堵的情况下，会出现两种情况：支撑剂砂浆要么在裂缝尖端桥堵，要么在高渗漏尖端区域脱水，从而形成高粘性桥塞。在任何一种情况下，持续注入都会导致充填形成，局部限制裂缝的进一步扩展。出现端部脱砂时，几乎所有注入的前置液都将泄漏到地层中。
设tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间，则有如下平衡关系：
式中，VL1为砾石砂浆注入前的前置液漏失体积；VL2为自砾石砂浆注入开始到端部脱砂之间的前置液漏失体积；qi为泵入排量；tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间；
VL1满足下式：
VL1＝qitpad-Vf,pad (13)
式中，Vf,pad是由前置液产生的裂缝体积；
将上述两式整合，可得：
Vf,pad＝VL2 (14)
式中：
ttso为端部脱砂时间；Aj为j段裂缝中暴露在前置液中的裂缝面面积；upad,j为j段的漏失速率；
停止裂缝膨胀时间的确定：
设tINFL为达到预先设定的裂缝宽度的时间，Vf,tso为端部脱砂时裂缝的体积，则有：
式中，Rf为裂缝截面半径；tTSO为脱砂时间；uINFL,j为裂缝膨胀阶段压裂液漏失速率。m为裂缝膨胀后体积相比较端部脱砂时裂缝体积的倍数，根据现场要求加以确定；一旦满足，即可确定停止裂缝膨胀的时间tINFL。
需要说明的是，本发明模型耦合条件为：压裂液和砾石砂浆由通过长距离多流道到达井底后，井底的条件即为裂缝处的条件，这些数据通过模拟计算得到。本发明结合多流道计算，得到的结果实时变化。压裂裂缝初始温度为井底温度，压裂裂缝初始压力等于计算得到的井底压力，压裂裂缝的初始流量等于到达井底的流量。
本发明还提供一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化装置，包括：
第一处理单元，用于对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；
第二处理单元，用于对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；
第三处理单元，用于根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件对长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、对裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及对裂缝尺寸计算方法模型的构建，得到压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
第四处理单元，用于考虑压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
实施例1：
(1)输入参数：目标储层的渗透率、孔隙度、压裂液及砾石参数、设计裂缝长度。采用所建立的裂缝延伸数学模型，图1为前置液注入期间所形成的裂缝体积和漏失体积随注入时间的变化关系。
(2)在此阶段，形成的裂缝体积Vf,pad随注入时间的增加而增加，同时由于砂浆开始注入到端部脱砂，所以前置液漏失体积随时间逐渐减小。两条曲线的交点即满足(14)式，对应的横坐标即为前置液的注入时间的平方根
进而可以得到tpad，同时利用裂缝半径和注入时间的关系模型可以确定端部脱砂时间ttso。
(3)图2为裂缝宽度设计曲线，表示裂缝延伸随时间的变化曲线。裂缝在ttso时间满足设计的裂缝半径长度，端部脱砂后，继续泵入可导致裂缝膨胀，即裂缝宽度的增加。图2说明到达端部脱砂后，继续泵入导致裂缝宽度增加，反映到产生的裂缝体积的增加量，若要求设计膨胀后裂缝体积是端部脱砂时裂缝体积的2倍、3倍，从图中即可得出所需要注入的时间，即裂缝膨胀阶段的时间tINFL，即即满足模型(15)。
(4)利用此种方法，可以根据模型实现端部脱砂的设计优化。图3为注入量随注入时间的变化关系。图4为裂缝半径和裂缝宽度随注入时间的变化关系。图5为裂缝中体积浓度和面积浓度随注入时间的变化关系。图6为压裂充填和常规压裂之间流体效率的对比。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；
对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；
根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件分别进行长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及裂缝尺寸计算模型的构建，得到压裂液不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
综合考虑压裂液不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述流变性分析包括粘度、密度及剪切性能随温度和压力的变化规律以及分析研究压裂液及不同浓度的砾石砂浆的粘度、剪切性能。
3.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述长距离多流道温度场模型的构建包括：
长距离多流道前置压裂液和砾石砂浆温度计算模型为：
式中，Qc为热源项，为单位时间单位长度外界对控制体所做的功；ρl,q,Cl分别为流体密度、流量和比热容；rci为管柱内径；Tw,Tc分别为管柱内壁和液体温度；hci为管柱和周围环境的对流换热系数，t为时间。
4.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述裂缝内温度计算模型的构建包括：
对裂缝中流体的连续性方程和能量守恒方程沿缝高方向积分相加；
对岩石能量方程采用拉普拉斯积分变换；
对裂缝沿缝长进行划分，利用差分方法计算求解；
裂缝中流体的连续性方程为：
式中，λ(x,t)为单位裂缝长度上压裂液的漏失率；A(x,t)为t时刻裂缝中x处的裂缝截面面积；q(x,t)为裂缝中t时刻x处的截面流量；x为井筒上孔眼入口处为原点的裂缝中的位置；t为时间；
裂缝中流体的能量守恒方程为：
式中，w为裂缝宽度；Tf为裂缝中流体温度；t为时间；u为平均缝宽时的液体流速；vl为液体滤失速度；λ为换热系数；ρf为液体密度；Cf为液体比热；Trw为缝壁储层的温度；
滤失带的能量方程为：
岩石能量方程为：
式中，(ρC)ef＝φρfCf+(1-φ)ρrCr；kef＝φkf+(1-φ)kr；δ为滤失带厚度；φ定为储层孔隙度；Cr为储层岩石比热；ρr为储层岩石密度；Tr为储层岩石温度；kf为液体热传导系数；kr为储层岩石热传导系数；y为垂直于裂缝壁面的距离。
5.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述裂缝中压力分布模型和压裂液漏失计算模型的构建包括：
裂缝中压力分布模型为：
式中，pe为储层压力；
为水力扩散系数；pfw为裂缝入口处的压力；p为裂缝压力；x为裂缝入口处和原点的距离；t为时间；φ为储层孔隙度；
是作为流量函数的视粘度，
为有效流体粘度，n为幂律流体的流动特性指数，H为流体的稠度指数；k为储层渗透率；ct为总的压缩系数；
假设裂缝在一个连续的节段内延伸，对于任意j段：
式中，pj、pf,j分别为j段对应的储层压力和裂缝压力；pf,0＝pe；
为中间变量；
为考虑剪切影响和内外部滤饼造成的滤饼阻力，α'c为校正后的滤饼系数；VL为压裂液滤失体积；erf为误差函数；α为水力扩散系数；j为段序号；
由达西定律决定的漏失量为：
6.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述裂缝尺寸计算模型的构建包括：
对于中高渗储层，考虑在裂缝延伸过程中压裂液的漏失，修改KGD径向模型构建了裂缝半径、宽度及净压力的计算模型；
其中，对于任意阶段j，裂缝半径：
式中，
有效平均宽度为：
和裂缝几何形状有关的净压力为：
式中，qj为第j时间段的注入量；Δtj为注入时间间隔；erfc为互补误差函数；Aj为第j段渗透裂缝面积；G为剪切模量；υ为泊松比；uj为第j段表观流速；
为滤饼阻力；μf为压裂液粘度；
为有效平均宽度；λ为换热系数；k为储层渗透率；Rj为第j段裂缝半径；Δpj为和裂缝几何形状有关的净压力。
7.根据权利要求1所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法，其特征在于，所述对端部脱砂进行优化设计包括：
终止裂缝生长：
设tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间，则有如下平衡关系：
式中，VL1为砾石砂浆注入前的前置液漏失体积；VL2为自砾石砂浆注入开始到端部脱砂之间的前置液漏失体积；qi为泵入排量；tpad是泵入排量为qi时需要的前置液的注入时间；
VL1满足下式：
VL1＝qitpad-Vf,pad (13)
式中，Vf,pad是由前置液产生的裂缝体积；
将上述两式整合，可得：
Vf,pad＝VL2 (14)
式中：
ttso为端部脱砂时间；Aj为j段裂缝中暴露在前置液中的裂缝面面积；upad,j为j段的漏失速率；
停止裂缝膨胀时间的确定：
设tINFL为达到预先设定的裂缝宽度的时间，Vf,tso为端部脱砂时裂缝的体积，则有：
式中，Rf为裂缝截面半径；tTSO为脱砂时间；uINFL,k为裂缝膨胀阶段压裂液漏失速率。m为裂缝膨胀后体积相比较端部脱砂时裂缝体积的倍数，根据现场要求加以确定；一旦满足，即可确定停止裂缝膨胀的时间tINFL。
8.一种深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化装置，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于对温度交变及压力变化时的压裂液及砾石砂浆进行流变性分析，得到压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线；
第二处理单元，用于对高温高压下不同密度压裂液中砾石颗粒进行沉降及悬浮规律分析，得到不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件；
第三处理单元，用于根据压裂液及砾石砂浆的粘温变化曲线以及不同密度下压裂液的携砂能力和砾石颗粒沉降及悬浮条件对长距离多流道温度场及裂缝内温度计算模型的构建、对裂缝中压力分布和压裂液漏失计算模型的构建以及对裂缝尺寸计算方法模型的构建，得到压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件；
第四处理单元，用于考虑压裂液及砾石砂浆的不同位置处粘温变化和携砂性能的变化条件、压裂液的漏失量的条件以及裂缝尺寸的条件对端部脱砂进行优化设计。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任意一项所述深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210645712.3A CN115081352B (zh) | 2022-06-09 | 深水高温高压疏松砂岩端部脱砂工艺设计优化方法及装置 |
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| CN115081352A true CN115081352A (zh) | 2022-09-20 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115600425A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-01-13 | 中国科学院武汉岩土力学研究所（Cn） | 一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115600425A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-01-13 | 中国科学院武汉岩土力学研究所（Cn） | 一种基于蛭石热膨胀致裂的页岩可压性评价装置及方法 |
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