CN115705454A - 一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，包括：1：建立地质模型，并在地质模型上随机生成天然裂缝；2：建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再建立相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型；3：为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定基本参数；4：根据测录井储层参数和完井参数划分气井段长，在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中依次输入不同的压裂调节参数实现对各段的压裂参数进行优化。本发明通过使用连续变化的相场来模拟岩体损伤，不需要对缝尖进行特殊处理，基于势能最小原理自适应计算断裂缝转向、分叉、相交，直接求解效率高，利于实现水平井分段多簇压裂复杂裂缝扩展形态模拟。

Description

一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法

技术领域

本发明属于油气开采技术领域，尤其涉及一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法。

背景技术

我国非常规油气资源非常丰富，该类资源具有低渗、低孔特征，自然产能极低，需要通过水力压裂方式建立地下高渗流通道才能进行有效开采。水力压裂设计过程中，水力裂缝参数模拟优化是重要环节。目前水力压裂设计参数优化一般通过裂缝扩展软件模拟与矿场实践进行参数优化，水力压裂裂缝扩展常用的数值模拟方法有位移不连续法(DDM)、离散元法(DEM)、粘滞单元法(CZM)和扩展有限元法(XFEM)。其中，位移不连续法能高效模拟复杂裂缝网络，但难以考虑非均质和各向异性。离散元法能模拟复杂缝网，但以单元为刚体，无法直接表达单元的应力应变，且计算量大。粘滞单元法能精确模拟界面裂缝形态，并考虑非线性力学特征，但裂缝需预置面扩展，难以模拟复杂缝网。扩展有限元法能实现裂缝穿过单元、转向和分叉，但需特殊处理缝尖实现复杂裂缝扩展。

以上裂缝扩展模拟方法存在的主要问题有：模拟过程为带值试算，计算量大，计算效率低。且需每时步判断裂缝间相对位置，提前建立裂缝转向判断准则、裂缝分叉准则、裂缝相交准则，需特殊处理缝尖才能实现复杂裂缝扩展。因此，需要研发一种新的裂缝扩展模拟方法以解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，本发明通过使用连续变化的相场来模拟岩体损伤，不需要对缝尖进行特殊处理，基于势能最小原理自适应计算断裂缝转向、分叉、相交，直接求解效率高，利于实现水平井分段多簇压裂复杂裂缝扩展形态模拟。通过采用相场法裂缝扩展模拟实现压裂参数优化，使压裂设计参数与地层参数更加匹配，提高压裂设计参数针对性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：收集气井的地质参数，根据地质参数建立地质模型，并根据区块天然裂缝发育特征在地质模型上随机生成天然裂缝；

步骤2：以地质模型为基础，分别建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再基于相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型建立相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型；

步骤3：为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定基本参数；

步骤4：根据测录井储层参数和完井参数划分气井段长，然后在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中依次输入不同的压裂调节参数，对比不同压裂调节参数对裂缝扩展形态的影响，从而对各段的压裂参数进行优化。

步骤1中，所述地质参数包括储层参数和天然裂缝参数，其中，储层参数包括埋深、厚度、孔隙度、TOC、含气量、脆性指数、地层压力和矿物组，天然裂缝参数包括裂缝长度、裂缝密度、裂缝走向、裂缝方位角和裂缝应力差。

步骤2中，所述相场法损伤演化模型根据泛函与变分原理建立，用于基于势能最小原理进行全局最优计算，实现复杂裂缝转向、分叉、交互过程的自适应扩展路径解算；建立的相场法损伤演化模型为：

其中，

d—相场变量，无因次；

—相场变量对时间求导，

η—阻尼系数，Pa·s；

—拉张性弹性能密度，J/m³；

g_c—断裂韧性，Pa；

l—长度度量参数，无因次；

Δd—损伤场变化量，无因次。

步骤2中，所述应力场数学模型基于含运动阻尼的波动方程建立，用于实现非均质储层裂缝切割后非连续岩体的复杂应力场、位移场的有效计算；建立的应力场数学模型为：

其中，

ρ_R—岩石体密度，kg/m³；

a_i—质点的加速度，m/s²；

i,j—表示节点位置，无因次；

σ_ij—质点应力，Pa；

x_j—表示网格在x方向的单位长度，m；

α—Biot系数，无因次；

p—地层孔隙压力，Pa；

ν—质点速度，m/s；

η_d为阻尼系数，Pa·s；

B_i—体力，Pa。

步骤2中，所述流体流动模型基于基质渗流控制方程与裂缝流动控制方程建立，用于实现复杂裂缝内流动、页岩基质渗流计算。

步骤2中，所述的基质渗流控制方程为：

其中，

p—地层孔隙压力，Pa；

x,y—表示网格在x,y方向的单位长度，m；

μ—流体粘度，Pa·s；

k—岩石渗透率，m²；

q_v,cell—网格体积注入量，s^-1；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

φ—岩石孔隙度，％。

t—单位时间，s。

步骤2中，所述的裂缝流动控制方程为：

其中，

n_k—n_k＝1或0(k＝x,y)，当流体流向与方向k同向，n_k＝1，流体流向与方向k不同向时，n_k＝0；

μ—流体粘度，Pa·s；

ΔL—单元长度，m；

W—裂缝缝宽，m；

P—流体压力，Pa；

q_m,cell—网格源项，kg/(m³·s)；

ρ₀—流体密度，kg/m³；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

K_n—裂缝法向刚度，Pa/m。

步骤3中，为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定的基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、地层压力、渗透率和孔隙度。

步骤4中，所述压裂调节参数包括射孔簇数、簇间距、单段施工液量和施工排量。

步骤4中，优化时，在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中输入调节参数进行裂缝扩展形态模拟，再选取模拟裂缝扩展后形态最佳、储层改造面积最大的参数作为优化后压裂参数，依此依次完成各段压裂参数的优化。

采用本发明的优点在于：

1、本发明先以建立的地质模型为基础分别建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再基于相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型建立的相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型来实现压裂参数优化。其中，通过建立的相场法损伤演化模型能够基于势能最小原理进行全局最优计算，实现复杂裂缝转向、分叉、交互过程的自适应扩展路径解算。通过应力场数学模型能够实现非均质储层裂缝切割后非连续岩体的复杂应力场、位移场的有效计算。通过流体流动数学模型能够实现复杂裂缝内流动、页岩基质渗流计算。在优化过程中，由于使用了连续变化的相场来模拟岩体损伤，因此不需要对缝尖进行特殊处理，能够基于势能最小原理自适应计算裂缝转向、分叉、相交，直接求解效率高，利于实现水平井分段多簇压裂复杂裂缝扩展形态模拟。本发明通过采用相场法裂缝扩展模拟实现压裂参数优化，使压裂设计参数与地层参数更加匹配，提高压裂设计参数针对性。结合现场微地震解释，裂缝扩展预测准确率大于80％，使压裂设计针对性大幅提升，有效地解决了基于扩展有限元法等以往裂缝扩展模拟方法带值试算效率低，需特殊处理缝尖才能实现复杂裂缝扩展的问题。

2、本发明基于相场法页岩水力压裂裂缝扩展模拟，实现一段一策设计，使施工参数与地层更好的匹配，更具有针对性，从而达到单井更高的裂缝波及范围，改造体积。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为在地质模型上随机生成天然裂缝的示意图。

图3为基于相场法损伤演化模型模拟岩体损伤的示意图。

图4为应力场数学模型的模拟结果示意图。

图5为模拟计算的射孔簇数、簇间距优化示意图。

图6为模拟计算的单段施工液量优化示意图。

图7为模拟计算的单段施工液量与改造裂缝面积关系图。

图8为模拟计算的施工排量优化图。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，该方法通过采用相场法裂缝扩展模拟实现压裂参数优化，使压裂设计参数与地层参数更加匹配，提高了压裂设计参数针对性。如图1所示，其包括以下步骤：

步骤1：先收集气井的地质参数，所述地质参数包括储层参数和天然裂缝参数，储层参数包括埋深、厚度、孔隙度、TOC、含气量、脆性指数、地层压力和矿物组，天然裂缝参数包括裂缝长度、裂缝密度、裂缝走向、裂缝方位角和裂缝应力差。然后根据地质参数建立地质模型，并根据区块天然裂缝发育特征在地质模型上随机生成天然裂缝，生成天然裂缝的示意图如图2所示。

需要说明的是，本步骤在地质模型上生成天然裂缝，其使得该地质模型更加接近实际的地质情况，进而有利于得到更加准确的优化结果。

步骤2：以地质模型为基础，先分别建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再基于相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，联立耦合求解后建立相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型。

具体的，所述相场法损伤演化模型根据泛函与变分原理建立，用于基于势能最小原理进行全局最优计算，实现复杂裂缝转向、分叉、交互过程的自适应扩展路径解算，基于相场法损伤演化模型模拟岩体损伤的示意图如图3所示。建立的相场法损伤演化模型为：

其中，

d—相场变量，无因次；

—相场变量对时间求导，

η—阻尼系数，Pa·s；

—拉张性弹性能密度，J/m³；

g_c—断裂韧性，Pa；

l—长度度量参数，无因次；

Δd—损伤场变化量，无因次。

所述应力场数学模型基于含运动阻尼的波动方程建立，用于实现非均质储层裂缝切割后非连续岩体的复杂应力场、位移场的有效计算；建立的应力场数学模型为：

其中，

ρ_R—岩石体密度，kg/m³；

a_i—质点的加速度，m/s²；

i，j—表示节点位置，无因次；

σ_ij—质点应力，Pa；

x_j—表示网格在x方向的单位长度，m；

α—Biot系数，无因次；

p—地层孔隙压力，Pa；

ν—质点速度，m/s；

η_d为阻尼系数，Pa·s；

B_i—体力，Pa。

所述流体流动模型基于基质渗流控制方程与裂缝流动控制方程建立，用于实现复杂裂缝内流动、页岩基质渗流计算。其中，

所述的基质渗流控制方程为：

其中，

p—地层孔隙压力，Pa；

x,y—表示网格在x,y方向的单位长度，m；

μ—流体粘度，Pa·s；

k—岩石渗透率，m²；

q_v,cell—网格体积注入量，s^-1；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

φ—岩石孔隙度，％。

t—单位时间，s。

所述的裂缝流动控制方程为：

其中，

n_k—n_k＝1或0(k＝x,y)，当流体流向与方向k同向，n_k＝1，流体流向与方向k不同向时，n_k＝0；

μ—流体粘度，Pa·s；

ΔL—单元长度，m；

W—裂缝缝宽，m；

P—流体压力，Pa；

q_m,cell—网格源项，kg/(m³·s)；

ρ₀—流体密度，kg/m³；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

K_n—裂缝法向刚度，Pa/m。

步骤3：根据地质参数、岩石力学实验结果、区块单井单段相关测录井、力学参数、可压性等，为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定基本参数，设定的基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、地层压力、渗透率和孔隙度。

步骤4：根据测录井储层参数和完井参数划分气井段长，然后在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中依次输入不同的压裂调节参数，对比不同压裂调节参数对裂缝扩展形态的影响，从而对各段的压裂参数进行优化。

需要说明的是，本步骤中所述压裂调节参数包括射孔簇数、簇间距、单段施工液量和施工排量。优化时，在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中输入的调节参数进行模拟裂缝扩展，每次仅输入一个调节参数，根据每个调节参数进行一次模拟裂缝扩展，每进行一次模拟裂缝扩展得到一个模拟裂缝扩展形态，每得到模拟裂缝扩展形态，选取该模拟裂缝扩展后形态上最佳、储层改造面积最大的参数作为优化后压裂参数，依此依次完成各段压裂参数的优化，完成后最终得到各段中优化后的射孔簇数、簇间距、液量和排量参数值。

实施例2

申请人将实施例1所述方法应用于威远地区某页岩气井，对其压裂改造施工参数进行了优化，如下：

1：先收集该页岩气井的地质参数，并根据收集地质参数建立地质模型，然后根据区块天然裂缝发育特征在地质模型上随机生成天然裂缝。

2：以该地质模型为基础，分别建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再基于相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型建立相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型。其中，建立了模型后，使用应力场数学模型对该地质模型进行模拟，模拟结果如图4所示。

3：根据地质参数、岩石力学实验结果、区块单井单段相关测录井、力学参数、可压性等，为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定基本参数。

4：基于相场法模拟计算射孔簇数、簇间距设计：如图5所示，根据测录井储层参数、完井参数等划分段，在单段内设置射孔簇数为5、7、9簇，分别对应不同簇间距，模拟计算相同段长下不同簇间距下的压力场和应力场以及对裂缝扩展形态的影响从而优化簇数与簇间距。

5：单段施工液量设计：如图6、7所示，根据目前页岩气单段用液量与用液强度范围，设置液量分为1800、2000、2200、2400m³进行模拟，分析不同液量对裂缝扩展形态，复杂程度，波及范围与最终储层改造面积的影响从而优化液量。

6：施工排量设计：如图8所示，根据目前页岩气常用施工排量范围以及单井泵压预测可达到的施工排量，设置排量分为10、12、14、16m³/min进行模拟，分析不同排量对裂缝扩展形态，复杂程度与施工净压力值的影响从而优化排量。

7：完成单井各段施工参数设计：重复上述步骤完成每段压裂施工参数优化，实现一段一策设计，使施工参数与地层更好的匹配，更具有针对性，从而达到单井更高的裂缝波及范围，改造体积。

最后，申请人还将上述方法应用于威远地区另外多口页岩气井进行验证，结合现场微地震解释，缝扩展预测准确率大于80％，使得压裂参数优化的准确性大幅提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：收集气井的地质参数，根据地质参数建立地质模型，并根据区块天然裂缝发育特征在地质模型上随机生成天然裂缝；

步骤2：以地质模型为基础，分别建立相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型，再基于相场法损伤演化模型、应力场数学模型和流体流动数学模型建立相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型；

步骤3：为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定基本参数；

步骤4：根据测录井储层参数和完井参数划分气井段长，然后在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中依次输入不同的压裂调节参数，对比不同压裂调节参数对裂缝扩展形态的影响，从而对各段的压裂参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤1中，所述地质参数包括储层参数和天然裂缝参数，其中，储层参数包括埋深、厚度、孔隙度、TOC、含气量、脆性指数、地层压力和矿物组，天然裂缝参数包括裂缝长度、裂缝密度、裂缝走向、裂缝方位角和裂缝应力差。

3.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述相场法损伤演化模型根据泛函与变分原理建立，用于基于势能最小原理进行全局最优计算，实现复杂裂缝转向、分叉、交互过程的自适应扩展路径解算；建立的相场法损伤演化模型为：

其中，

d—相场变量，无因次；

—相场变量对时间求导，

η—阻尼系数，Pa·s；

—拉张性弹性能密度，J/m³；

g_c—断裂韧性，Pa；

l—长度度量参数，无因次；

Δd—损伤场变化量，无因次。

4.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述应力场数学模型基于含运动阻尼的波动方程建立，用于实现非均质储层裂缝切割后非连续岩体的复杂应力场、位移场的有效计算；建立的应力场数学模型为：

其中，

ρ_R—岩石体密度，kg/m³；

a_i—质点的加速度，m/s²；

i,j—表示节点位置，无因次；

σ_ij—质点应力，Pa；

x_j—表示网格在x方向的单位长度，m；

α—Biot系数，无因次；

p—地层孔隙压力，Pa；

ν—质点速度，m/s；

η_d为阻尼系数，Pa·s；

B_i—体力，Pa。

5.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述流体流动模型基于基质渗流控制方程与裂缝流动控制方程建立，用于实现复杂裂缝内流动、页岩基质渗流计算。

6.根据权利要求5所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述的基质渗流控制方程为：

其中，

p—地层孔隙压力，Pa；

x,y—表示网格在x,y方向的单位长度，m；

μ—流体粘度，Pa·s；

k—岩石渗透率，m²；

q_v,cell—网格体积注入量，s^-1；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

φ—岩石孔隙度，％。

t—单位时间，s。

7.根据权利要求5所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述的裂缝流动控制方程为：

其中，

n_k—n_k＝1或0(k＝x,y)，当流体流向与方向k同向，n_k＝1，流体流向与方向k不同向时，n_k＝0；

μ—流体粘度，Pa·s；

ΔL—单元长度，m；

W—裂缝缝宽，m；

P—流体压力，Pa；

q_m,cell—网格源项，kg/(m³·s)；

ρ₀—流体密度，kg/m³；

C—岩石压缩系数，Pa^-1；

K_n—裂缝法向刚度，Pa/m。

8.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤3中，为相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型设定的基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、地层压力、渗透率和孔隙度。

9.根据权利要求1所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤4中，所述压裂调节参数包括射孔簇数、簇间距、单段施工液量和施工排量。

10.根据权利要求9所述的一种基于相场法的裂缝扩展模拟压裂设计优化方法，其特征在于：步骤4中，优化时，在相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型中输入调节参数进行裂缝扩展形态模拟，再选取模拟裂缝扩展后形态最佳、储层改造面积最大的参数作为优化后压裂参数，依此依次完成各段压裂参数的优化。

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