CN116084902A - 一种暂堵剂加量的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种暂堵剂加量的优化方法，包括以下步骤：S1：测试暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度φ₀和渗透率K₀；S2：测试不同压实状态下的孔隙度、渗透率和压缩率；S3：获得压缩率与压力之间的关系式一、渗透率与压缩率之间的关系式二以及孔隙度与压缩率之间的关系式三；S4：假定投入的暂堵剂质量为m，计算此时在自然堆积状态下产生的封堵压力P₀；S5：计算P₀时暂堵剂段塞受到的实际压力P_实0；S6：计算P_实0条件下的压缩率η₁；S7：计算η₁条件下的封堵压力P₁；S8：重复步骤S5‑S7，直至获得极限封堵压力P_max；S9：根据P_max与目标储层所需的封堵压力的大小对比，对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化。本发明能够更科学地对暂堵剂的加量进行优化。

Description

一种暂堵剂加量的优化方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，特别涉及一种暂堵剂加量的优化方法。

背景技术

页岩气作为非常规油气资源的一种，开采潜力巨大。通过水平井分段多簇压裂，提高裂缝复杂性，实现最大化改造体积，是页岩油气开发的关键。但是页岩储层的水力压裂施工规模大，射孔簇数多，部分簇的水力裂缝并未有效扩展，需通过措施来调控裂缝扩展。裂缝内暂堵转向压裂技术是页岩油气调控裂缝扩展最常用的技术。通过封堵井筒部分孔眼、地层内的部分裂缝，控制压裂液的重新分配，实现裂缝扩展的调控，使井筒覆盖和油气藏改造体积最大化，提高压裂改造效果。

颗粒暂堵剂的基础性能、转向压裂工艺的工程参数和地层参数是影响暂堵效果的三大主要因素。其中暂堵剂的基础性能包括密度、自然堆积状态下的孔隙度、渗透率等，而工程参数主要包括暂堵剂的加量、粘度和排量，而地层参数主要有裂缝的高度和宽度。其中暂堵剂的加量是现场最关心的工程参数，即加多少暂堵剂能够使得裂缝达到转向的目的，但是目前现场针对暂堵剂的加量主要是采用经验方法，缺少科学依据，因此需要设计一种暂堵剂加量的优化方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种暂堵剂加量的优化方法。

本发明的技术方案如下：

一种暂堵剂加量的优化方法，包括以下步骤：

S1：测试暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度φ₀和渗透率K₀；

S2：测试暂堵剂段塞在不同压实状态下的孔隙度、渗透率和压缩率；

S3：根据步骤S2获得的数据进行拟合，获得暂堵剂段塞的压缩率与压力之间的关系式一、渗透率与压缩率之间的关系式二以及孔隙度与压缩率之间的关系式三；

S4：假定目标储层投入的暂堵剂质量为m，计算出此时暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力P₀；

S5：计算地层中的封堵压力为P₀时，暂堵剂段塞受到的实际压力P_实0；

S6：根据所述压缩率与压力之间的关系式一，计算实际压力P_实0条件下的压缩率η₁；

S7：根据步骤S6获得的压缩率η₁，计算获得压缩率η₁条件下的封堵压力P₁；

S8：重复步骤S5-S7，直至相邻两次迭代获得的封堵压力之差小于等于阈值一，将最后一次迭代获得的封堵压力作为暂堵剂质量为m时暂堵剂所达到的极限封堵压力P_max；

S9：将所述极限封堵压力P_max与目标储层所需的封堵压力进行对比，根据对比结果对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化。

作为优选，步骤S3中，所述压缩率与压力之间的关系式一为：

η＝f(P)            (1)

所述渗透率与压缩率之间的关系式二为：

K＝g(η)            (2)

所述孔隙度与压缩率之间的关系式三为：

φ＝z(η)            (3)

式中：η为压缩率；K为渗透率，mD；φ为孔隙度，无量纲；f(P)为与压力有关的函数；g(η)、z(η)均为与压缩率有关的函数。

作为优选，步骤S4中，所述封堵压力P₀通过下式进行计算：

式中：P₀为暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力，MPa；Q为排量，m³/min；μ为暂堵剂的粘度，mPa·s；m为暂堵剂的质量，kg；K₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的渗透率，mD；ρ为暂堵剂的密度，kg/m；h为裂缝高度，m；w为裂缝宽度，m；φ₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度，无量纲。

作为优选，步骤S5中，所述实际压力P_实0通过下式进行计算：

式中：P_实0为地层中的封堵压力为P₀时暂堵剂段塞受到的实际压力，MPa。

作为优选，步骤S7中，所述封堵压力P₁通过下式进行计算：

式中：P₁为压缩率η₁条件下的封堵压力，MPa；η₁为实际压力P_实0条件下的压缩率；g(η₁)为压缩率η₁条件下的渗透率与压缩率之间的关系式二。

作为优选，所述阈值一为0.001MPa。

作为优选，步骤S9中，根据对比结果对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化的具体优化规则如下：

若所述极限封堵压力P_max小于目标储层所需的封堵压力，则加大暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差大于阈值二，则减小暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差小于等于阈值二，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量；

若所述极限封堵压力P_max等于目标储层所需的封堵压力，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量。

本发明的有益效果是：

本发明的暂堵剂加量优化方法考了影响暂堵效果的三大主要影响因素，使得本发明的优化方法更加科学，优化结果更符合实际地层的应用效果，能够为储层压裂改造提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个具体实施例封堵压力迭代计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

本发明提供一种暂堵剂加量的优化方法，包括以下步骤：

S1：测试暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度φ₀和渗透率K₀。

在一个具体的实施例中，所述孔隙度φ₀通过以下步骤进行测试：将一定质量为m的暂堵剂放入量筒中，测试出暂堵剂的视体积V₀，根据暂堵剂的密度，计算出暂堵剂的真实体积V，则自然堆积状态下的孔隙度为：

式中：φ₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度，无量纲；V₀为暂堵剂的视体积，mL；V为暂堵剂的真实体积，cm³。

为了提高孔隙度φ₀测试的准确性，可选地，测试时，进行多次实验(每次实验暂堵剂质量相同或不同)取平均值，以该平均值作为最终的暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度φ₀。

在一个具体的实施例中，所述渗透率K₀通过以下步骤进行测试：将一定质量的暂堵剂放入PVC管中，并将该PVC管放入驱替设备的夹持器中，加载1MPa的围压，改变排量测试不同状态下驱替压差，绘制排量与压差之间的关系式，斜率为k，则达西公式拟合暂堵段塞在自然堆积状态的渗透率为：

式中：K₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的渗透率，mD；μ为暂堵剂的粘度，mPa·s；L为暂堵剂段塞的长度，cm；k为排量与压差的斜率；A为暂堵段塞的横截面积，cm²。

为了提高渗透率K₀测试的准确性，可选地，测试时，进行多次实验(每次实验暂堵剂质量相同或不同)取平均值，以该平均值作为最终的暂堵剂段塞在自然堆积状态下的渗透率K₀。

需要说明的是，上述孔隙度φ₀和渗透率K₀的测试方法仅为本发明优选的一个实施例方案，现有技术中的其他测试方法也可适用于本发明。

S2：测试暂堵剂段塞在不同压实状态下的孔隙度、渗透率和压缩率。

在一个具体的实施例中，所述压缩率通过以下步骤进行测试：称取一定量的暂堵剂，将暂堵剂放入PVC管中，测量在PVC管中自然堆积状态下的暂堵段塞长度L₀，然后利用液压机对暂堵剂按照不同的压力进行恒定加压并稳定3分钟，通过游标卡尺获得暂堵段塞在不同压力条件下的段塞长度L，然后通过下式计算得到在对应压力下的压缩率：

式中：η为压缩率；L₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的的长度，cm。

在一个具体的实施例中，所述渗透率通过以下步骤进行测试：将不同压实状态暂堵段塞放入至驱替设备中，测试在不同流量下暂堵段塞的驱替压力，拟合出排量与压力之间的关系，从而计算出不同压实状态下的渗透率K，计算方法与步骤S1中的实施例计算方法相同。

在一个具体的实施例中，所述孔隙度通过以下步骤进行测试：将不同压实状态的暂堵段塞利用Micro-CT进行扫描，通过三维重构软件获得暂堵段塞的三维重构模型，结合模型对暂堵段塞的连通孔隙度进行计算，从而获得不同压实程度下的暂堵段塞的孔隙度φ。

需要说明的是，上述孔隙度、渗透率和压缩率的测试方法仅为本发明优选的一个实施例方案，现有技术中的其他测试方法也可适用于本发明。

S3：根据步骤S2获得的数据进行拟合，获得暂堵剂段塞的如式(1)所示的压缩率与压力之间的关系式一、如式(2)所示的渗透率与压缩率之间的关系式二以及如式(3)所示的孔隙度与压缩率之间的关系式三。

η＝f(P)            (1)

K＝g(η)            (2)

φ＝z(η)            (3)

式中：K为渗透率，mD；φ为孔隙度，无量纲；f(P)为与压力有关的函数；g(η)、z(η)均为与压缩率有关的函数。

S4：假定目标储层投入的暂堵剂质量为m，计算出此时暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力P₀。

在一个具体的实施例中，所述封堵压力P₀通过下式进行计算：

式中：P₀为暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力，MPa；Q为排量，m³/min；m为暂堵剂的质量，kg；ρ为暂堵剂的密度，kg/m³；h为裂缝高度，m；w为裂缝宽度，m。

S5：计算地层中的封堵压力为P₀时，暂堵剂段塞受到的实际压力P_实0。

在一个具体的实施例中，所述实际压力P_实0通过下式进行计算：

式中：P_实0为地层中的封堵压力为P₀时暂堵剂段塞受到的实际压力，MPa。

在本实施例中，所述实际压力P_实0的计算方法考了流体流动的拖曳力，在P₀的基础上乘以修正系数获得了更精确的实际压力P_实0。所述修正系数为：

S6：根据所述压缩率与压力之间的关系式一，计算实际压力P_实0条件下的压缩率η₁。

S7：根据步骤S6获得的压缩率η₁，计算获得压缩率η₁条件下的封堵压力P₁。

在一个具体的实施例中，所述封堵压力P₁通过下式进行计算：

式中：P₁为压缩率η₁条件下的封堵压力，MPa；η₁为实际压力P_实0条件下的压缩率；g(η₁)为压缩率η₁条件下的渗透率与压缩率之间的关系式二。

S8：重复步骤S5-S7，直至相邻两次迭代获得的封堵压力之差小于等于阈值一，将最后一次迭代获得的封堵压力作为暂堵剂质量为m时暂堵剂所达到的极限封堵压力P_max。

S9：将所述极限封堵压力P_max与目标储层所需的封堵压力进行对比，根据对比结果对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化；具体的：

若所述极限封堵压力P_max小于目标储层所需的封堵压力，则加大暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差大于阈值二，则减小暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差小于等于阈值二，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量；

若所述极限封堵压力P_max等于目标储层所需的封堵压力，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量。

在一个具体的实施例中，采用本发明对四川某页岩气井的暂堵工艺中的暂堵剂加量进行优化，具体包括以下步骤：

(1)取20g暂堵剂，放入50mL的量筒中，测试得到视体积为39.8mL。暂堵剂的密度为1.12g/cm³，计算得到暂堵剂的真实体积为17.8cm³，通过公式(7)即可计算出该暂堵剂在自然堆积状态下孔隙度为0.55。

(2)将外径为2.5cm的PVC管切成5cm的长度，将5g暂堵剂放入PVC管中，并利用游标卡尺测试暂堵剂段塞的长度为3.15cm。将排量设置为5mL/min、10mL/min、15mL/min、20mL/min、25mL/min，获取不同状态的驱替压差，绘制压差与排量之间的关系式，根据公式(8)即可计算出该暂堵剂在自然堆积状态的渗透率为2300mD。

(3)取5g暂堵剂放入至PVC管中，利用液压机分别加载1MPa、2MPa、3Mpa、4Mpa和5MPa，获得暂堵剂在不同压力下的压缩率、渗透率和孔隙度。

(4)根据步骤(4)获得的实验数据进行拟合，获得暂堵剂段塞的如式(11)所示的压缩率与压力之间的关系式一、如式(12)所示的渗透率与压缩率之间的关系式二以及如式(13)所示的孔隙度与压缩率之间的关系式三。

η＝0.1165ln(P)+0.0488            (11)

K＝872.91e^-3.051η            (12)

φ＝0.3153e^-3.37η            (13)

(5)本实施例某段总共108孔，现场认为首次压裂开启的孔数为1/3，即孔眼数为36，暂堵球首先封堵1/3，将单孔进液排量设置为0.3m³/min，裂缝高度为20m，裂缝宽度5mm。暂堵剂加量48Kg，因此单孔暂堵剂进入量为2Kg(48Kg暂堵剂进入24个孔，所以单孔进入量为2Kg)。根据公式(4)即可计算出暂堵剂在自然堆积状态产生的封堵压力P₀为：

(6)将步骤(5)的封堵压力P₀代入公式(5)，获得地层中的封堵压力为P₀时，暂堵剂段塞受到的实际压力P_实0：

(7)将步骤(6)的实际压力P_实0代入公式(11)所示的压缩率与压力之间的关系式一中，获得在3.35MPa下的压缩率为0.189。

(8)将步骤(7)的压缩率η₁＝0.189代入公式(6)中，获得压缩率η₁条件下的封堵压力P₁：

(9)将步骤(8)的封堵压力P₁代入公式(5)，获得地层中的封堵压力为P₁时，暂堵剂段塞受到的实际压力P_实1：

(10)重复步骤(7)-(9)，直至相邻两次迭代获得的封堵压力之差小于等于阈值一。在本实施例中，所述阈值一为0.001MPa，各步骤迭代的封堵压力结果如图1所示。从图1可以看出，当迭代次数为8次时，P₈-P₇≤0.001MPa，因此当暂堵剂加量为2Kg时，该暂堵剂的极限封堵压力P_max为8.587Mpa。

(11)将所述极限封堵压力P_max与目标储层所需的封堵压力进行对比，而本实施例现场所需的封堵压力为3MPa，两者差值为5.587MPa，在本实施例中，所述阈值二为1MPa，因此暂堵剂的加量过大，需要重新进行计算。

(12)将暂堵剂加量设计为1Kg，根据上述的步骤重新进行计算得到最后的封堵压力为3.41MPa，满足现场需求。

需要说明的是，上述实施例的阈值一与阈值二的取值仅为本实施例优选的取值，实际应用是可根据需要设定其他数值的阈值，阈值越小，精度越高。

综上所述，本发明能够在考虑暂堵剂的基础性能(密度、自然堆积状态下的孔隙度、渗透率)、转向压裂工艺的工程参数(粘度和排量)和地层参数(裂缝的高度和宽度)三大影响暂堵效果的主要因素条件下对暂堵剂的加量进行优化，其优化方法相较于现有技术的经验法更具科学性，优化结果也更加准确，更符合实际工况。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更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 (7)

1.一种暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测试暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度φ₀和渗透率K₀；

S2：测试暂堵剂段塞在不同压实状态下的孔隙度、渗透率和压缩率；

S3：根据步骤S2获得的数据进行拟合，获得暂堵剂段塞的压缩率与压力之间的关系式一、渗透率与压缩率之间的关系式二以及孔隙度与压缩率之间的关系式三；

S4：假定目标储层投入的暂堵剂质量为m，计算出此时暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力P₀；

S5：计算地层中的封堵压力为P₀时，暂堵剂段塞受到的实际压力P_实0；

S6：根据所述压缩率与压力之间的关系式一，计算实际压力P_实0条件下的压缩率η₁；

S7：根据步骤S6获得的压缩率η₁，计算获得压缩率η₁条件下的封堵压力P₁；

S8：重复步骤S5-S7，直至相邻两次迭代获得的封堵压力之差小于等于阈值一，将最后一次迭代获得的封堵压力作为暂堵剂质量为m时暂堵剂所达到的极限封堵压力P_max；

S9：将所述极限封堵压力P_max与目标储层所需的封堵压力进行对比，根据对比结果对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化。

2.根据权利要求1所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述压缩率与压力之间的关系式一为：

η＝f(P)                       (1)

所述渗透率与压缩率之间的关系式二为：

K＝g(η)                      (2)

所述孔隙度与压缩率之间的关系式三为：

φ＝z(η)                       (3)

式中：η为压缩率；K为渗透率，mD；φ为孔隙度，无量纲；f(P)为与压力有关的函数；g(η)、z(η)均为与压缩率有关的函数。

3.根据权利要求2所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述封堵压力P₀通过下式进行计算：

式中：P₀为暂堵剂在自然堆积状态下产生的封堵压力，MPa；Q为排量，m³/min；μ为暂堵剂的粘度，mPa·s；m为暂堵剂的质量，kg；K₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的渗透率，mD；ρ为暂堵剂的密度，kg/m³；h为裂缝高度，m；w为裂缝宽度，m；φ₀为暂堵剂段塞在自然堆积状态下的孔隙度，无量纲。

4.根据权利要求3所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，步骤S5中，所述实际压力P_实0通过下式进行计算：

式中：P_实0为地层中的封堵压力为P₀时暂堵剂段塞受到的实际压力，MPa。

5.根据权利要求4所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，步骤S7中，所述封堵压力P₁通过下式进行计算：

式中：P₁为压缩率η₁条件下的封堵压力，MPa；η₁为实际压力P_实0条件下的压缩率；g(η₁)为压缩率η₁条件下的渗透率与压缩率之间的关系式二。

6.根据权利要求1所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，所述阈值一为0.001MPa。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的暂堵剂加量的优化方法，其特征在于，步骤S9中，根据对比结果对步骤S4的暂堵剂的假设质量进行优化的具体优化规则如下：

若所述极限封堵压力P_max小于目标储层所需的封堵压力，则加大暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差大于阈值二，则减小暂堵剂的假设质量，重复步骤S4-S9；

若所述极限封堵压力P_max大于目标储层所需的封堵压力，且两者的压力差小于等于阈值二，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量；

若所述极限封堵压力P_max等于目标储层所需的封堵压力，则步骤S4假定的暂堵剂的质量即为优化后的质量。

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