CN116050172B - 一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，包括收集压裂储层的参数以及实时压力监测数据；计算强制闭合期水力裂缝内支撑剂启动的临界流速；根据储层参数、实时压力监测数据计算停泵时的水力裂缝宽度；计算强制闭合期的给定地面油咀压力变化的动态裂缝宽度和对应的回流流量；计算给定地面油咀压力下的最大油咀直径；逐级计算确定相应的最大油咀直径。本发明提出了一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，该方法既能避免支撑回流对生产流程的磨蚀、也能实现压后工作液的快速排出以降低压裂工作液对储层的伤害，有效改善储层水力压裂开发效果。

Description

一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法
技术领域
本发明涉及一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，属于油气田勘探开发技术领域。
背景技术
水力压裂是低渗砂岩储层有效开发必不可少的关键核心技术。压后排液的技术目标在于降低外来压裂液在压裂形成的人工裂缝和储层基质中的长时间滞留带来的额外产能伤害从而实现显著提高油气产量，于是在20世纪90年代出现并发展了强制水力裂缝闭合的快速排液技术。在强制裂缝闭合过程中水力裂缝仍然属于未闭合状态，意味着水力裂缝具有无限导流能力。裂缝闭合期间过高的排液速度可能引起压裂支撑剂在裂缝中流化而启动运移，甚至可能携带着人工裂缝中支撑剂随返入压裂排液管柱并进入生产流程而带来的设备磨蚀损坏等，另一方面，支撑剂返出液降低了支撑裂缝宽度导致裂缝导流能力减小，从而降低水力压裂改造措施的增产效果。因此，必须控制强制裂缝闭合期的压裂液返排速度，而该过程是通过地面油咀来实现的。同时，排液过程的地面压力是随排液过程而逐渐减小，控制压后液体返排的油咀尺寸也必须相应调节。
除了通过对支撑剂进行改性而提高支撑颗粒间的相互作用增大颗粒启动和流化的阻力来实现快速排液技术外，从工艺角度是针对给定条件优化快速排液工作制度，主要是基于水力裂缝中固相颗粒启动流化的力学条件确定临界流速，综合采用具有不确定性的压裂液滤失系数和水力裂缝几何参数描述裂缝中液流动态、按物质平衡原理结合咀流控制方程将返排液的临界流速转化为放喷油咀直径与地面压力动态关系。这种方法并未考虑裂缝闭合期裂缝宽度逐渐减小的影响、且预测的地面压力动态与实际监测的地面压力变化差异较大，对指导矿场实践的适应性不足。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，该方法有利于有效避免压裂后裂缝强制闭合期支撑回流对生产流程的磨蚀、也能实现压后工作液的快速排出以降低对储层的伤害、确保压裂支撑充填层的稳定性而保持压裂裂缝的有效性，有效改善储层水力压裂开发效果。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂储层的储层参数、压裂液基础参数、支撑剂基础参数、施工参数以及裂缝闭合期地面压力计的实时压力监测数据；
步骤S20、基于压后裂缝闭合期支撑剂颗粒启动约束，采用试算法计算支撑剂启动的临界流速vcr；
步骤S30、根据储层参数、实时压力监测数据计算停泵时的水力裂缝宽度；
步骤S40、计算强制闭合期的给定地面压力变化的动态裂缝宽度和对应的回流流量；
步骤S50、根据回流流量计算给定地面压力下的最大油咀直径；
步骤S60、基于实际监测的强制裂缝闭合期的地面压力，逐级计算确定相应的最大油咀直径。
进一步的技术方案是，所述步骤S10中所述储层参数包括闭合压力、杨氏模量和泊松比；所述压裂液基础参数包括压裂液粘度、压裂液密度；所述支撑剂基础参数包括支撑剂颗粒直径和支撑剂密度。
进一步的技术方案是，所述步骤S20的具体过程为：
步骤S21、根据压裂液基础参数、支撑剂基础参数计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速vcr；
步骤S22、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，并确定最终的临界速度vcr。
进一步的技术方案是，所述步骤S21中的计算公式为：
式中：vcr为临界流速，m/s；μ为压裂返排液粘度，Pa.s；ρc为支撑剂的密度，kg/m3；dc为支撑剂颗粒直径，m；ρ为压裂液密度，kg/m3。
进一步的技术方案是，所述步骤S30中的计算公式为：
ph＝10-6ρgL
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为压裂管柱管柱长度，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；pc为闭合压力，MPa；H为储层厚度，m；E为杨氏模量，MPa；ν为泊松比，无因次；wp为停泵时的水力裂缝宽度，m。
进一步的技术方案是，所述步骤S40的具体过程为：
步骤S41、设定裂缝宽度初值，并计算返排液在管柱中的回流流量和回流流速；
步骤S42、根据返排液在管柱中的回流流速计算返排流体在压裂管柱中的沿程流动摩阻；
步骤S43、根据地面压力、静液柱压力和流动摩阻计算停泵后随地面油压变化的水力裂缝宽度；
步骤S44、将裂缝宽度初值与步骤S43中计算得到的水力裂缝宽度进行比较，当裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度不同时，则将计算的水力裂缝宽度作为新的初值并重复步骤S41-S43，直到裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度满足计算精度要求，则确定该水力裂缝宽度为最终的动态裂缝宽度，并确定对应的回流流量。
进一步的技术方案是，所述步骤S41中的计算公式为：
Qp＝2wHvcr
v＝4Qp/(πD2)
式中：w为水力裂缝宽度，m；Qp为回流流量，m3/s；vcr为临界流速，m/s；H为储层厚度，m；D为压裂管柱直径，m；v为压裂管柱中的回流流速，m/s。
进一步的技术方案是，所述步骤S42中的计算公式为：
式中：D为压裂管柱直径，m；v为回流流速，m/s；Nre为雷洛数，无因次；f为沿程流动摩阻系数，无因次；λ为返排液减阻率，无因次；L为压裂管柱长度，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；Δpst为流动摩阻，MPa。
进一步的技术方案是，所述步骤S43中的计算公式为：
式中：w为水力裂缝宽度，m；Δpst为流动摩阻，MPa；pt为地面压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa；pc为闭合压力，MPa；wp为停泵时的水力裂缝宽度，m。
进一步的技术方案是，所述步骤S50中的计算公式为：
式中：Qp为回流流量，m3/s；pt为地面油咀压力，MPa；ρ为压裂液密度，kg/m3；d为最大油咀直径，m；Cd为流量系数，为0.85。
本发明具有以下有益效果：本发明从储层压裂裂缝-压裂管柱-油咀的系统角度，以控制裂缝闭合期支撑剂流化启动为依据、基于系统的流量与压力协调约束，提出了一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，该方法既能避免支撑回流对生产流程的磨蚀、也能实现压后工作液的快速排出以降低对储层的伤害，有效改善储层水力压裂开发效果。
附图说明
图1为悬浮支撑剂颗粒受力示意图；
图2为压裂裂缝—压裂管柱—油咀系统图；
图3为给定地面压力下的裂缝宽度协调分析结果图；
图4为裂缝闭合期排液的油咀临界直径大小(40/70陶粒)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂储层的储层参数、压裂液基础参数、支撑剂基础参数、施工参数以及裂缝闭合期地面压力计的实时压力监测数据；
所述储层参数包括闭合压力、杨氏模量和泊松比；所述压裂液基础参数包括压裂液粘度、压裂液密度；所述支撑剂基础参数包括支撑剂颗粒直径和支撑剂密度；
步骤S20、基于压后裂缝闭合期支撑剂颗粒启动约束，采用试算法计算支撑剂启动的临界流速vcr；
步骤S21、根据压裂液基础参数、支撑剂基础参数计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速vcr；
依据悬浮支撑剂颗粒流化启动的力矩平衡方程,确定不同流态(雷洛数)下支撑剂启动的临界流速计算模型为：
式中：vcr为临界流速，m/s；μ为压裂返排液粘度，Pa.s；ρc为支撑剂的密度，kg/m3；dc为支撑剂直径，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；
步骤S22、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，并确定最终的临界速度vcr；
步骤S30、根据储层参数、实时压力监测数据计算停泵时的水力裂缝宽度；
ph＝10-6ρgL (5)
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为压裂管柱长度(近似为储层埋深)，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；pc为闭合压力，MPa；H为储层厚度，m；E为储层岩石杨氏模量，MPa；ν为储层岩石泊松比，无因次；wp为停泵时的水力裂缝宽度，m；
步骤S40、计算强制闭合期的给定地面压力变化的动态裂缝宽度和对应的回流流量；
步骤S41、设定裂缝宽度初值，并计算返排液在管柱中的回流流量和回流流速；
Qp＝2wHvcr (6)
v＝4Qp/(πD2) (7)
式中：w为水力裂缝宽度，m；Q p 为回流流量，m3/s；vcr为临界流速，m/s；H为储层厚度，m；D为压裂管柱直径，m；v为压裂管柱中的回流流速，m/s；
步骤S42、根据返排液在压裂管柱中的回流流速计算返排流体在压裂管柱中的沿程流动摩阻；
式中：D为压裂管柱直径，m；v为压裂管柱中的回流流速，m/s；Nre为雷洛数，无因次；f为沿程流动摩阻系数，无因次；λ为返排液减阻率，无因次；L为压裂管柱长度，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；Δpst为流动摩阻，MPa；
步骤S43、根据地面压力、静液柱压力和沿程流动摩阻计算停泵后随地面油咀压力变化的水力裂缝宽度；
式中：w为水力裂缝宽度，m；Δpst为流动摩阻，MPa；pt为地面油咀压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa；pc为闭合压力，MPa；wp为停泵时刻的水力裂缝宽度，m；
步骤S44、将裂缝宽度初值与步骤S43中计算得到的水力裂缝宽度进行比较，当裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度不同时，则将计算的水力裂缝宽度作为新的初值并重复步骤S41-S43，直到裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度满足计算精度要求，则确定该水力裂缝宽度为最终的动态裂缝宽度，并确定对应的回流流量。
步骤S50、根据回流流量计算给定地面油咀压力下的最大油咀直径；
式中：Q p 为回流流量，m3/s；pt为地面压力，MPa；ρ为压裂液密度，kg/m3；d为最大油咀直径，m；Cd为流量系数，为0.85；
步骤S60、基于实际监测的强制裂缝闭合期的地面压力，逐级计算确定相应的最大油咀直径。
实施例
中国东部某探井为砂岩储层，埋藏深度4000m，采用CMHPG压裂液进行水力压裂施工，施工排量4.0m3/min、施工用液量400m3、压裂加入40/70目陶粒支撑剂40m3。压裂停泵后采用强制闭合快速排液。
本发明的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，包括以下步骤：
A、收集整理砂岩储层砂岩压裂井储层的闭合压力、杨氏模量和泊松比，所使用的压裂液粘度和滤失系数，所使用支撑剂平均粒径和颗粒密度，压后返排压裂液液的密度和粘度，地面压力计的实时压力监测数据。
B、基于压后裂缝闭合期支撑剂颗粒流化启动约束计算支撑剂启动的临界流速vcr；
(1)首先假定支撑剂启动处于层流状态，支撑剂启动的临界流速vcr；
(2)校核流态；
与假设流态相符，故本实施例支撑剂启动的临界流速vcr为4.92×10-3m/s。
C、计算管柱内的静液柱压力；
ph＝10-6×1000×9.8×4000＝39.2MPa
D、计算停泵时刻的水力裂缝宽度；
E、计算强制闭合期的给定地面压力变化的动态裂缝宽度和对应的回流流量；
以给定地面压力，例如36MPa，作为计算实例。
E1、设定裂缝宽度初值，并计算返排液在管柱中的回流流量和回流流速；
取w＝8×10-3m作为迭代初值；
v＝Qp/(πD2/4)＝1.855×10-3/(3.1416×0.0762/4)＝0.409m/s
E2、计算排液管柱中的计算雷洛数和沿程流动摩阻系数；
f＝0.3164/Nre 0.25＝0.3164/62170.25＝0.03563
E3、基于流态划分计算排液管柱中的流动摩阻；
E4、基于地面压力、静液柱压力和流动摩阻，计算停泵后随地面油压变化的水力裂缝宽度；
E5、在宽度(0，wp)区间以一定间隔取不同的假定裂缝宽度、重复E1～E4的步骤得到计算水力裂缝宽度，两条曲线的交点即为给定地面压力下的裂缝宽度，如图3。由协调条件确定：水力裂缝宽度为11.35×10-3m。
对应的流量即为压裂管柱中排出的流体流量Qp＝0.002631m3/s；
F、基于咀流理论计算给定地面压力下的最大油咀直径；
G、确定整个裂缝强制闭合期的随地面压力变化的最大油咀直径；
基于地面监测压力从大到小按照步骤D～F计算逐级计算相应的最大油咀直径，结果如图4。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂储层的储层参数、压裂液基础参数、支撑剂基础参数、施工参数以及裂缝闭合期地面压力计的实时油咀压力监测数据；
步骤S20、基于压后裂缝闭合期支撑剂颗粒启动约束，采用试算法计算支撑剂启动的临界流速vcr；
步骤S21、根据压裂液基础参数、支撑剂基础参数计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速vcr；
式中：vcr为临界流速，m/s；μ为压裂返排液粘度，Pa.s；ρc为支撑剂的密度，kg/m3；dc为支撑剂直径，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；
步骤S22、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，试算并确定最终的临界速度vcr；
步骤S30、根据储层参数、实时压力监测数据计算停泵时的水力裂缝宽度；
ph＝10-6ρgL
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为压裂管柱长度，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；pc为闭合压力，MPa；H为储层厚度，m；E为储层岩石杨氏模量，MPa；ν为储层岩石泊松比，无因次；wp为停泵时水力裂缝宽度，m；
步骤S40、计算强制闭合期的给定地面压力变化的动态裂缝宽度和对应的回流流量；
步骤S41、设定裂缝宽度初值，并计算返排液在压裂管柱中的回流流量和回流流速；
步骤S42、根据返排液在压裂管柱中的回流流速计算返排流体在压裂排液管柱中的沿程流动摩阻；
步骤S43、根据地面压力、静液柱压力和沿程流动摩阻计算停泵后随地面油压变化的水力裂缝宽度；
步骤S44、将裂缝宽度初值与步骤S43中计算得到的水力裂缝宽度进行比较，当裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度不同时，则将计算的水力裂缝宽度作为新的初值并重复步骤S41-S43，直到裂缝宽度初值与计算所得水力裂缝宽度满足计算精度要求，则确定该水力裂缝宽度为最终的动态裂缝宽度，并确定对应的回流流量；
步骤S50、根据回流流量计算给定地面压力下的最大油咀直径；
式中：Q p 为回流流量，m3/s；pt为地面油咀压力，MPa；ρ为压裂液密度，kg/m3；d为最大油咀直径，m；Cd为流量系数，为0.85；
步骤S60、基于实际监测的强制裂缝闭合期的地面油咀压力，逐级计算确定相应的最大油咀直径。
2.根据权利要求1所述的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，其特征在于，所述步骤S10中所述储层参数包括闭合压力、杨氏模量和泊松比；所述压裂液基础参数包括压裂液粘度、压裂液密度；所述支撑剂基础参数包括支撑剂颗粒直径和支撑剂密度。
3.根据权利要求1所述的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，其特征在于，所述步骤S41中的计算公式为：
Qp＝2wHvcr
v＝4Qp/(πD2)
式中：w为水力裂缝宽度，m；Q p 为回流流量，m3/s；vcr为临界流速，m/s；H为储层厚度，m；D为压裂管柱直径，m；v为压裂管柱中的回流流速，m/s。
4.根据权利要求1所述的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，其特征在于，所述步骤S42中的计算公式为：
式中：D为压裂管柱直径，m；v为压裂管柱中的回流流速，m/s；Nre为雷洛数，无因次；f为沿程流动摩阻系数，无因次；λ为返排液减阻率，无因次；L为压裂管柱长度，m；ρ为压裂液密度，kg/m3；Δpst为流动摩阻，MPa。
5.根据权利要求1所述的一种确定压裂裂缝强制闭合期最大油咀直径的方法，其特征在于，所述步骤S43中的计算公式为：
式中：w为水力裂缝宽度，m；Δpst为流动摩阻，MPa；pt为地面油咀压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa；pc为闭合压力，MPa；wp为停泵时的水力裂缝宽度，m。
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