CN116122785A - 一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，首先建立非常规储层体积压裂物质平衡方程组；然后通过设计计算流程、编制多井同步求解程序，最终求解得到各油井体积压裂效果的关键评价参数；最后定量分析体积压裂改造过程中的注入液量在各部分体积所占的比例，得到了不同施工参数条件下体积压裂效果评价参数理论图版，并以非常规储层实际区块典型井组为例，定量评价了不同井网开发阶段的体积压裂效果，最终形成一套基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，具有参数输入和计算步骤简单的特点，可及时指导非常规油气藏进行开发井网调整及综合治理。
Description
技术领域
本发明涉及非常规储层体积压裂技术领域，特别涉及一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法。
背景技术
压裂效果评价的根本目的是提高压裂施工成功率、优化压裂设计工艺技术和实现压后增产并指导压后生产工作。体积压裂改造效果评价实际是对压裂施工整体好坏的综合判断，狭义上主要是针对单井压裂后的储层改造体积、裂缝导流能力及裂缝密度(几何参数)等压裂后的产能变化参数进行评价，广义上则是对单井或区块压裂施工动态监测、施工过程中工艺与设计符合率、长期产能及经济性等方面的综合评价。
近年来，国内外各大油气田相继开展了大量压裂效果评价研究工作，根据评价结果的即时性和对象性，这些评价方法可分为直接法和间接法。
直接法是通过仪器设备监测来获取资料，进而解释得到与裂缝相关的各项参数，然后对压裂效果进行评价，例如微地震裂缝监测、同位素示踪剂和测斜仪等技术。
间接法是通过生产测试资料反演压裂后的裂缝几何参数和裂缝导流能力，包括压裂井生产动态分析、试井评价和数学模型分析等方法。如《石油勘探与开发》，2020，47(2)：409-415.张安顺，杨正明，李晓山，等.公开了一种低渗透油藏直井体积压裂改造效果评价方法[J].属于间接法。如《中国石油大学学报(自然科学版)》，2019，43(1)：81-89.冯福平，黄芮，雷扬，等公开了一种基于能量理论的体积压裂工程改造效果评价模型及应用[J].属于间接法。如科学技术与工程》2015，15(36)：56-62.李宪文，张矿生，马兵，等.公开了一种基于物质平衡原理解释致密油藏体积压裂有效改造体积的新方法，属于间接法。
然而，直接法和间接法都存在问题，直接法得到的裂缝网络改造体积远远大于有效改造体积；而间接法存在多解性、且未考虑压裂渗吸作用，给精准评价非常规储层水平井体积压裂效果带来一定的局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，真实反映非常规储层体积压裂的改造程度，本发明的目的在于提供一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，利用已知的压裂施工和生产动态资料，基于物质平衡原理，综合考虑天然裂缝发育程度、应力差对裂缝网络形态的影响和压裂液渗吸作用等微观机理，为快速准确评价非常规油藏体积压裂效果提供了新方法，具有参数输入和计算步骤简单的特点，可及时指导非常规油气藏进行开发井网调整及综合治理。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，包括以下步骤：
步骤一、建立非常规储层体积压裂物质平衡方程组
基于压裂注入流体系统质量守恒原理，建立非常规储层体积压裂物质平衡方程，其中，压裂液注入总量包括：井筒体积、主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积和整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积，建立上述四部分体积的计算模型；并分别建立渗吸过程中的物质平衡方程、压裂返排期弹性驱动的物质平衡方程及状态方程；
步骤二、体积压裂物质平衡方程求解及验证
依据研究区目标储层实际地质、流体及岩石力学参数，结合油井压裂施工数据，将建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组联立求解，可同时得到各油井的压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力；并根据典型井组实际开发情况，验证上述物质平衡方程的可靠性；
步骤三、非常规储层体积压裂效果定量评价
利用非常规储层体积压裂物质平衡方程求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸各部分体积所占的比例；并进行体积压裂效果敏感性分析，得到不同压裂液注入总量和不同压裂段数对体积压裂裂缝网络参数的影响规律；针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
所述的步骤一具体步骤如下：
(1)建立非常规储层体积压裂裂缝网络扩展的物理模型及其假设条件；
(2)建立井筒体积计算模型，井筒体积按照圆柱体体积公式，由井筒半径和钻井进尺数据进行计算得到；
(3)建立主裂缝孔隙体积计算模型；主裂缝孔隙体积按照长方体体积公式，由主裂缝半长、高度和宽度数据进行计算得到，其中：主裂缝半长为未知的待求解参数；主裂缝高度与研究区目标储层厚度相等；主裂缝缝宽的分布满足平面应变条件下的England&Green方程；
(4)建立次生裂缝网络孔隙体积计算模型，次生裂缝网络是由主裂缝扩展过程中被激活的多组天然裂缝纵横交错扩展形成的，其扩展距离取决于研究区目标储层天然裂缝的数量、间距和应力分布状况，可根据目标储层岩石力学特征参数和成像测井资料综合确定；被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度可根据具体区块取芯资料判断，高度与目标储层厚度相等。由于可以将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积可按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴、短轴和圆柱的高度数据进行计算得到；
(5)建立整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型，引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积即为圆柱体体积与主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积、未发生渗吸体积之差，形成压裂注入流体系统物质平衡方程；并依据室内实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程；
(6)分别建立注入压裂液发生渗吸作用结束后压裂液注入量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，以及压裂返排期油井地面产液量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，作为压裂返排期储层弹性驱动的物质平衡方程，并给出压裂前、渗吸后及返排后与孔隙体积变化相关的状态方程，最终形成非常规储层体积压裂物质平衡方程组，即基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型。
所述的建立次生裂缝网络孔隙体积计算模型为：
次生裂缝网络是由主裂缝扩展过程中被激活的多组天然裂缝纵横交错扩展形成的，扩展距离取决于研究区目标储层天然裂缝的密度、间距和应力分布状况，根据目标储层岩石力学特征参数和成像测井资料综合确定；被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度根据具体区块取芯资料判断，高度与目标储层厚度相等，由于将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴、短轴和圆柱的高度数据进行计算得到，其中：长轴2a和短轴2b之间的关系与地应力差有关，根据研究区微地震监测数据中单段压裂网络裂缝纵横方向长度比例r确定，即a＝xf＝rb；次生裂缝高度与目标储层厚度H相等，则次生裂缝网络孔隙体积计算模型表示为：
式中：Vs为次生裂缝网络孔隙体积。
所述的基质孔隙渗吸体积计算模型为：
根据表层快速渗吸理论，认为自发渗吸是由岩心表层部位开始逐层向岩心内部进行渗吸，前期渗吸阶段发生在岩心表层，根据双重介质假设，将整个椭圆柱体视为被纵横交错的缝网分割形成许多基质岩块，每个基质岩块相当于一块实验岩心，裂缝网络被水充满；对于每一基质岩块而言，相当于基质岩块被浸泡在网络裂缝内的压裂液中，将所有基质块的表层快速渗吸等效为整个椭圆柱体的表层渗吸，引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，则整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型表示为：
式中：Vf为基质孔隙渗吸体积；d为等效渗吸深度；φ1为渗吸置换作用后的基质孔隙度。
所述的渗吸过程中的物质平衡方程为：
渗吸作用采出的油量等于基质孔隙体积中含油饱和度的减少量，依据室内岩心渗吸实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程方程：
式中：Soi、Sor分别为渗吸开始前岩心的初始含油饱和度和渗吸结束后岩心的残余油饱和度；Ro为岩心渗吸采收率。
所述的步骤二具体步骤为：
(1)基础数据准备；根据研究区目标储层已有地质开发特征研究成果，整理得到储层地质特征参数、地层岩石力学参数、每口井的压裂施工参数和返排期生产动态数据统计表；
(2)基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型求解。根据根据步骤一建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组和四个未知数的闭合方程特征，设计计算流程、编制多井同步求解程序，最终求解得到各油井的关键评价参数，包括：压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力，进一步可计算出各部分体积，包括井筒体积、主裂缝体积、次生缝网体积、基质渗吸体积；
(3)非常规储层体积压裂物质平衡方程求解结果的可靠性验证。根据现场压裂井微地震监测数据和实际井网井排距及开发动态，综合验证上述物质平衡方程求解结果的可靠性。
所述的步骤三具体步骤为：
(1)利用非常规储层体积压裂物质平衡方程组求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例，揭示压裂液渗吸置换作用在非常规储层开发过程中发挥的关键作用；
(2)非常规储层体积压裂效果敏感性分析。采用单因素分析方法，评价不同压裂液注入总量、不同水平井压裂段数对有效缝网带长、单段缝网改造体积、单段缝网渗吸体积和等效渗吸深度的影响规律，为实际区块体积压裂效果定量评价提供便捷图版；
(3)非常规储层体积压裂效果定量评价。针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量计算各水平井体积压裂段缝网带长和带宽，基于井网及缝网平面展布位置，确定各井体积压裂缝网之间的搭接关系，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
本发明的有益效果是：本发明所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，考虑了压裂缝网与基质孔隙之间的渗吸置换作用机理、压裂和返排过程中注入与采出流体系统的物质平衡原理，弥补了以往模型考虑不全面的缺点；并通过井网及缝网平面展布位置来定量描述与评价体积压裂缝网之间的搭接关系，形成了基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法。该方法揭示了压裂液渗吸置换作用在非常规储层开发过程中发挥的关键作用，合理解释了非常规储层返排率普遍偏低的实际矿场现象，为工程技术人员对实际区块体积压裂效果定量评价提供了便捷的查阅图版，可及时指导油气田进行合理布井及开发措施调整，对合理开发非常规储层具有重要现实意义，具有一定的推广应用价值。与现有方法相比较，具有以下优点：
1、基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型；
2、非常规储层体积压裂效果关键评价参数的多井同步求解；
3、非常规储层体积压裂缝网搭接关系定量评价。
附图说明
图1是体积压裂裂缝网络物理模型示意图(俯视图)。
图2是裂缝网络渗吸深度示意图。
图3是基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价流程图。
图4是注入压裂液量在各部分体积中所占的比例。
图5是不同压裂液注入总量和不同压裂段数对有效支撑裂缝长度的影响规律。
图6是不同压裂液注入总量和不同压裂段数对单段裂缝网络改造体积的影响规律。
图7是不同压裂液注入总量和不同压裂段数对单段裂缝网络渗吸体积的影响规律。
图8是不同压裂液注入总量和不同压裂段数对等效渗吸深度的影响规律。
图9是研究区目标储层典型井组体积压裂基础井网缝网搭接关系示意图。
图10是研究区目标储层典型井组体积压裂一次加密井网缝网搭接关系示意图。
图11是研究区目标储层典型井组体积压裂二次加密井网缝网搭接关系示意图。
具体实施方式
下文将结合附图详细描述本发明的实施例。
一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，包括以下步骤：
步骤一、建立非常规储层体积压裂物质平衡方程组。基于压裂注入流体系统质量守恒原理，建立非常规储层体积压裂物质平衡方程，即压裂液注入总量包括：井筒体积、主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积和整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积，建立上述四部分体积的计算模型；并分别建立渗吸过程中的物质平衡方程、压裂返排期弹性驱动的物质平衡方程及状态方程。
所述的步骤一具体步骤为：
(1)建立非常规储层体积压裂裂缝网络扩展的物理模型及其假设条件；
参照图1：基于多孔介质流体渗流方程及连续性方程，同时考虑流体与裂缝及裂缝之间的相互作用，认为单段体积压裂缝网是由一系列正交的主、次裂缝有规律的组合而成、沿井筒形成轴对称的椭圆柱体形态，椭圆长、短轴分别为2a、2b，建立非常规储层体积压裂裂缝网络扩展的物理模型——椭圆正交线网模型。
假设条件：①假设主、次裂缝穿过整个储层厚度，且平行于最大、最小水平主应力方向；②考虑裂缝延伸在空间上的变化，即符合椭圆正交线网模型；③假设次生裂缝在各水平主应力(最大、最小水平主应力分别为σH、σh)方向上均匀分布(间距分别为dx、dy)且缝宽相同；④忽略粘弹性、壁面滑移对流体流动的影响；⑤假设支撑剂在裂缝中均匀铺置；⑥由于非常规储层基质渗透率极低，滤失到基质内的流体质量相对于大排量注入的压裂液质量整体比例较小，故忽略压裂液滤失的影响。
(2)建立井筒体积计算模型。井筒体积按照圆柱体体积公式，由井筒半径和钻井进尺数据进行计算得到：
井筒体积计算模型可表示为：
式中：Vw为井筒体积；rw为井筒半径；L为钻井进尺。
(3)建立主裂缝孔隙体积计算模型；主裂缝孔隙体积按照长方体体积公式，由主裂缝半长、高度和宽度数据进行计算得到。其中：主裂缝半长为未知的待求解参数；主裂缝高度与研究区目标储层厚度相等；主裂缝缝宽的分布满足平面应变条件下的England&Green方程(参考资料：ENGLAND A H,GREEN A E.Some two-dimensional punch and crackproblems in classical elasticity[J].Mathematical Proceedings of the CambridgePhilosophical Society,1963,59(2):489-500)；
①主裂缝缝宽的分布满足平面应变条件下的England&Green方程：
式中：wf为主裂缝缝宽；υ为储层泊松比；E为储层弹性模量；hf为主裂缝高；pf为裂缝内净压力，为方便计算取最大、最小水平主应力的算术平均值；σmin为储层最小水平主应力。
②主裂缝孔隙体积计算模型可表示为：
Vf＝2xfwfH (3)
式中：Vf为主裂缝孔隙体积；xf为主裂缝半长(压裂裂缝有效支撑长度之半)，即椭圆形物理模型的长轴之半；H为研究区目标储层厚度。
(4)建立次生裂缝网络孔隙体积计算模型。次生裂缝网络是由主裂缝扩展过程中被激活的多组天然裂缝纵横交错扩展形成的，其扩展距离取决于研究区目标储层天然裂缝的密度、间距和应力分布状况，可根据目标储层岩石力学特征参数和成像测井资料综合确定；被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度可根据具体区块取芯资料判断，高度与目标储层厚度相等。由于可以将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积可按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴、短轴和圆柱的高度数据进行计算得到；
①天然裂缝密度、间距和应力分布状况。根据地应力和岩石力学室内实验测试结果得到研究区目标储层最大/最小水平主应力、岩石泊松比、弹性模量、抗张强度、抗压强度等参数；根据典型区块成像测井资料，统计研究区目标储层层段长度M内的天然裂缝条数N，可计算得到天然裂缝密度N/M、间距M/N。
②被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度。根据典型井取芯资料，观察裂缝宽度在不同水平主应力方向上差异，得到主裂缝宽度与次生裂缝宽度的比例关系λ，从而确定被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度ws＝λwf。
③次生裂缝网络孔隙体积。由于可以将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积可按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴2a、短轴2b和圆柱的高度数据进行计算得到。其中：长轴2a和短轴2b之间的关系与地应力差有关，可根据研究区微地震监测数据中单段压裂网络裂缝纵横方向长度比例r确定，即a＝xf＝rb；次生裂缝高度与目标储层厚度H相等。则次生裂缝网络孔隙体积计算模型可表示为：
式中：Vs为次生裂缝网络孔隙体积。
(5)建立整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型。引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积即为圆柱体体积与主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积、未发生渗吸体积之差，形成压裂注入流体系统物质平衡方程；并依据室内实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程；
①基质孔隙渗吸体积计算模型。参照图2：根据表层快速渗吸理论，认为自发渗吸是由岩心表层部位开始逐层向岩心内部进行渗吸，前期主要渗吸阶段发生在岩心表层。根据双重介质假设，在本模型中可以将整个椭圆柱体视为被纵横交错的缝网分割形成许多基质岩块，每个基质岩块相当于一块实验岩心，裂缝网络被水充满。对于每一基质岩块而言，相当于基质岩块被浸泡在网络裂缝内的压裂液中，可将所有基质块的表层快速渗吸等效为整个椭圆柱体的表层渗吸。引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，则整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型可表示为：
式中：Vf为基质孔隙渗吸体积；d为等效渗吸深度；φ1为渗吸置换作用后的基质孔隙度。
②压裂注入流体系统物质平衡方程。目标井压裂液从井口注入后，其体积分别由四部分组成：井筒体积、主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积和整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积，即：
Q＝Vw+m(Vf+Vs+Vm) (6)
式中：Q为目标井压裂液注入总量；m为该井压裂段数。
③渗吸过程中的物质平衡方程。渗吸过程中的物质平衡可描述为：渗吸作用采出的油量等于基质孔隙体积中含油饱和度的减少量。依据室内岩心渗吸实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程方程：
式中：Soi、Sor分别为渗吸开始前岩心的初始含油饱和度和渗吸结束后岩心的残余油饱和度；Ro为岩心渗吸采收率。
(6)分别建立注入压裂液发生渗吸作用结束后压裂液注入量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，以及压裂返排期油井地面产液量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，作为压裂返排期储层弹性驱动的物质平衡方程，并给出压裂前、渗吸后及返排后与孔隙体积变化相关的状态方程，最终形成非常规储层体积压裂物质平衡方程组，即基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型。
①压裂返排期储层弹性驱动的物质平衡方程。压裂液注入地层之后形成网络裂缝并使改造区基质孔隙度发生变化，此时油藏仍属于封闭未饱和油藏，驱动方式仍为弹性驱动。当油藏产出一定液量，油藏压力从注入压裂液后的地层压力下降到目前的地层压力，造成油藏的孔隙体积减小、油藏中束缚水体积和原油体积膨胀。利用物质平衡原理，建立注入压裂液发生渗吸作用结束后压裂液注入量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系：
Qi-Vw-m(Vf+Vs)＝Vc1(1-swc)(co+cc)(p1-pi) (8)
式中：Qi为水平井单段的压裂液注入量；co为原油压缩系数；cc为油藏容积的压缩系数；p1为渗吸作用结束后的地层平均压力；pi为原始地层平均压力；Vc1为渗吸作用结束后的油藏压力波及体积，表达式为Vc1＝4xf(L+S)Hφ1，其中：S为水平井井间距；φ1为渗吸作用结束后的地层岩石的孔隙度。
同理建立压裂返排结束后油井地面产液量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系：
NpBo+WpBw+Vw+m(Vf+Vs)＝Vc2(co+cc)(p1-p2-pl) (9)
式中：Np为返排期累积产油量；Wp为返排期累积产水量；Bo为原油体积系数；Bw为地层水体积系数；p2为压裂返排结束后的地层平均压力；pl为流体在井筒中的压力损失，表达式为pl＝0.0028h，其中：h为井筒深度；Vc2为压裂返排结束后的油藏压力波及体积，表达式为Vc2＝4xf(L+S)Hφ2，其中：φ2为压裂返排结束后的地层岩石的孔隙度。
②状态方程。渗吸作用结束后的岩石骨架孔隙满足状态方程：
φ1＝φ0[1+cp(p1-pi)] (11)
式中：cp为基质孔隙的压缩系数。
压裂返排结束后的岩石骨架孔隙满足状态方程：
φ2＝φ0[1+cp(p1-p2-pl)] (12)
通过上述方程最终形成非常规储层体积压裂物质平衡方程组，即基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型，四个待求解的关键参数分别为：压裂裂缝有效支撑长度xf、等效渗吸深度d、渗吸后地层平均压力p1、返排后地层平均压力p2。
步骤二、体积压裂物质平衡方程求解及验证。依据研究区目标储层实际地质、流体及岩石力学参数，结合油井压裂施工数据，将建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组联立求解，可同时得到各油井的压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力；并根据典型井组实际开发情况，验证上述物质平衡方程的可靠性。
所述的步骤二具体步骤为：
(1)基础数据准备。根据研究区目标储层已有地质开发特征研究成果，整理得到储层地质特征参数、地层岩石力学参数、每口井的压裂施工参数和返排期生产动态数据统计表；
以我国三塘湖盆地马中地区非常规致密储层为例，根据研究区目标储层已有地质开发特征研究成果及水平井压裂改造施工参数，确定研究区主要参数如下：
表1储层地质特征参数统计表
表2地层岩石力学参数统计表
表3每口井的压裂施工参数和返排期生产动态数据统计表
(2)基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型求解。根据步骤一建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组和四个未知数的闭合方程特征，设计计算流程、编制多井同步求解程序，最终求解得到各油井的关键评价参数，包括：压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力，进一步可计算出各部分体积，包括井筒体积、主裂缝体积、次生缝网体积、基质渗吸体积；
①设计计算流程。参照图3：根据步骤一建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组和四个未知数的闭合方程特征，设计物质平衡方程组的求解流程，包括：基础数据准备模块、参数符号说明模块、方程组及编程求解模块、体积压裂效果评价参数输出模块。
②编制多井同步求解程序。程序开发环境基于Windows 10视窗，相关代码编写设计采用了Anaconda3(64-bit)的Jupyter Notebook模块，通过对研究区的多口井的压裂缝网模型的计算，最终模拟结果以Excel表格的形式输出，该程序可以对多口井同时进行计算求解。
③最终求解得到各油井的关键评价参数。关键评价参数包括：压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力，进一步可计算出各部分体积，包括井筒体积、主裂缝体积、次生缝网体积、基质渗吸体积，如表4所示。
表4每口井的压裂施工参数和返排期生产动态数据统计表
(3)非常规储层体积压裂物质平衡方程求解结果的可靠性验证。根据现场压裂井微地震监测数据和实际井网井排距及开发动态，综合验证上述物质平衡方程求解结果的可靠性。
步骤三、非常规储层体积压裂效果定量评价。利用非常规储层体积压裂物质平衡方程求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例；并进行体积压裂效果敏感性分析，得到不同压裂液注入总量和不同压裂段数对体积压裂裂缝网络参数的影响规律；针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
所述的步骤三具体步骤为：
(1)利用非常规储层体积压裂物质平衡方程组求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例，揭示压裂液渗吸置换作用在非常规储层开发过程中发挥的关键作用；
参照图4。依据表4中各油井体积压裂改造过程中的井筒体积、主裂缝体积、次生缝网体积、基质渗吸体积，可算出区块平均单井注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例。通过分析现场55口水平井改造过程中的注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例，结果表明：基质渗吸体积占比最大(达到87.57％)，揭示了压裂液渗吸置换在致密储层开发过程中发挥的关键作用，合理解释了致密储层返排率普遍偏低的矿场现象；其次是次生缝网体积(占11.12％)，说明注入压裂液除了达到渗吸置换采油的重要作用外，携砂造缝形成复杂裂缝网络系统也是其另一主要作用；而井筒体积(仅1.02％)和主裂缝体积(仅1.29％)占比较小。
(2)非常规储层体积压裂效果敏感性分析。采用单因素分析方法，评价不同压裂液注入总量、不同水平井压裂段数对有效缝网带长、单段缝网改造体积、单段缝网渗吸体积和等效渗吸深度的影响规律，为实际区块体积压裂效果定量评价提供便捷图版；
参照图5～图8。基于上述非常规储层体积压裂效果评价模型及求解方法，采用单因素分析方法，得到了不同压裂液注入总量、不同水平井压裂段数条件下有效缝网带长、单段缝网改造体积、单段缝网渗吸体积和等效渗吸深度的多组理论曲线，为工程技术人员对实际区块体积压裂效果定量评价提供便捷的查阅图版。
(3)非常规储层体积压裂效果定量评价。针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量计算各水平井体积压裂段缝网带长和带宽，基于井网及缝网三维空间展布位置，确定各井体积压裂缝网之间的搭接关系，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
参照图9～图11。研究区目标储层典型井组体积压裂效果评价结果表明：对于基础井网，单井体积压裂缝网孤立，井间缝网搭接关系差，井网和缝网匹配程度低，区块储量动用程度仅21.31％；对于一次加密井网，单井体积压裂缝网较为孤立，井间缝网搭接关系较差，井网与缝网仍旧无法匹配，区块储量动用程度为32.25％；而对于二次加密井网，几乎不存在孤立的单井体积压裂缝网区域，井间缝网搭接关系较好，井网和缝网配程度高，区块储量动用程度可达到83.65％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立非常规储层体积压裂物质平衡方程组
基于压裂注入流体系统质量守恒原理，建立非常规储层体积压裂物质平衡方程，其中，压裂液注入总量包括：井筒体积、主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积和整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积，建立上述四部分体积的计算模型；并分别建立渗吸过程中的物质平衡方程、压裂返排期弹性驱动的物质平衡方程及状态方程；
步骤二、体积压裂物质平衡方程求解及验证
依据研究区目标储层实际地质、流体及岩石力学参数，结合油井压裂施工数据，将建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组联立求解，可同时得到各油井的压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力；并根据典型井组实际开发情况，验证上述物质平衡方程的可靠性；
步骤三、非常规储层体积压裂效果定量评价
利用非常规储层体积压裂物质平衡方程求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸各部分体积所占的比例；并进行体积压裂效果敏感性分析，得到不同压裂液注入总量和不同压裂段数对体积压裂裂缝网络参数的影响规律；针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的步骤一具体步骤如下：
(1)建立非常规储层体积压裂裂缝网络扩展的物理模型及其假设条件；
(2)建立井筒体积计算模型，井筒体积按照圆柱体体积公式，由井筒半径和钻井进尺数据进行计算得到；
(3)建立主裂缝孔隙体积计算模型；主裂缝孔隙体积按照长方体体积公式，由主裂缝半长、高度和宽度数据进行计算得到；其中：主裂缝半长为未知的待求解参数；主裂缝高度与研究区目标储层厚度相等；主裂缝缝宽的分布满足平面应变条件下的England&Green方程；
(4)建立次生裂缝网络孔隙体积计算模型；次生裂缝网络是由主裂缝扩展过程中被激活的多组天然裂缝纵横交错扩展形成的，其扩展距离取决于研究区目标储层天然裂缝的数量、间距和应力分布状况，可根据目标储层岩石力学特征参数和成像测井资料综合确定；被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度可根据具体区块取芯资料判断，高度与目标储层厚度相等；由于可以将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积可按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴、短轴和圆柱的高度数据进行计算得到；
(5)建立整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型；引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积即为圆柱体体积与主裂缝孔隙体积、次生裂缝网络孔隙体积、未发生渗吸体积之差，形成压裂注入流体系统物质平衡方程；并依据室内实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程；
(6)分别建立注入压裂液发生渗吸作用结束后压裂液注入量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，以及压裂返排期油井地面产液量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系，作为压裂返排期储层弹性驱动的物质平衡方程，并给出压裂前、渗吸后及返排后与孔隙体积变化相关的状态方程，最终形成非常规储层体积压裂物质平衡方程组，即基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的建立次生裂缝网络孔隙体积计算模型为：
次生裂缝网络是由主裂缝扩展过程中被激活的多组天然裂缝纵横交错扩展形成的，扩展距离取决于研究区目标储层天然裂缝的密度、间距和应力分布状况，根据目标储层岩石力学特征参数和成像测井资料综合确定；被激活的天然裂缝(次生裂缝)的宽度根据具体区块取芯资料判断，高度与目标储层厚度相等，由于将平面上次生裂缝网络孔隙面积求和等效为长轴与主裂缝长度相同的椭圆形，因此，次生裂缝网络孔隙体积按照圆柱体体积公式，由平面椭圆形物理模型的长轴、短轴和圆柱的高度数据进行计算得到，其中：长轴2a和短轴2b之间的关系与地应力差有关，根据研究区微地震监测数据中单段压裂网络裂缝纵横方向长度比例r确定，即a＝xf＝rb；次生裂缝高度与目标储层厚度H相等，则次生裂缝网络孔隙体积计算模型表示为：
式中：Vs为次生裂缝网络孔隙体积。
4.根据权利要求2所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的基质孔隙渗吸体积计算模型为：
根据表层快速渗吸理论，认为自发渗吸是由岩心表层部位开始逐层向岩心内部进行渗吸，前期渗吸阶段发生在岩心表层，根据双重介质假设，将整个椭圆柱体视为被纵横交错的缝网分割形成许多基质岩块，每个基质岩块相当于一块实验岩心，裂缝网络被水充满；对于每一基质岩块而言，相当于基质岩块被浸泡在网络裂缝内的压裂液中，将所有基质块的表层快速渗吸等效为整个椭圆柱体的表层渗吸，引入渗吸深度来表征和评价整个裂缝网络附近的基质孔隙发生渗吸置换的作用效果，则整个裂缝网络附近的基质孔隙渗吸体积计算模型表示为：
式中：Vf为基质孔隙渗吸体积；d为等效渗吸深度；φ1为渗吸置换作用后的基质孔隙度。
5.根据权利要求2所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的渗吸过程中的物质平衡方程为：
渗吸作用采出的油量等于基质孔隙体积中含油饱和度的减少量，依据室内岩心渗吸实验得到的渗吸作用前后饱和度差异和渗吸采出程度数据，建立渗吸过程中的物质平衡方程方程：
式中：Soi、Sor分别为渗吸开始前岩心的初始含油饱和度和渗吸结束后岩心的残余油饱和度；Ro为岩心渗吸采收率。
6.根据权利要求2所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的压裂返排期储层弹性驱动的物质平衡方程为：
压裂液注入地层之后形成网络裂缝并使改造区基质孔隙度发生变化，此时油藏仍属于封闭未饱和油藏，驱动方式仍为弹性驱动；当油藏产出一定液量，油藏压力从注入压裂液后的地层压力下降到目前的地层压力，造成油藏的孔隙体积减小、油藏中束缚水体积和原油体积膨胀；利用物质平衡原理，建立注入压裂液发生渗吸作用结束后压裂液注入量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系：
Qi-Vw-m(Vf+Vs)＝Vc1(1-swc)(co+cc)(p1-pi)
式中：Qi为水平井单段的压裂液注入量；co为原油压缩系数；cc为油藏容积的压缩系数；p1为渗吸作用结束后的地层平均压力；pi为原始地层平均压力；Vc1为渗吸作用结束后的油藏压力波及体积，表达式为Vc1＝4xf(L+S)Hφ1，其中：S为水平井井间距；φ1为渗吸作用结束后的地层岩石的孔隙度；
同理建立压裂返排结束后油井地面产液量与地层压力、地下孔隙体积变化之间的关系：
NpBo+WpBw+Vw+m(Vf+Vs)＝Vc2(co+cc)(p1-p2-pl)
式中：Np为返排期累积产油量；Wp为返排期累积产水量；Bo为原油体积系数；Bw为地层水体积系数；p2为压裂返排结束后的地层平均压力；pl为流体在井筒中的压力损失，表达式为pl＝0.0028h，其中：h为井筒深度；Vc2为压裂返排结束后的油藏压力波及体积，表达式为Vc2＝4xf(L+S)Hφ2，其中：φ2为压裂返排结束后的地层岩石的孔隙度。
7.根据权利要求1所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的步骤二具体步骤为：
(1)基础数据准备；根据研究区目标储层已有地质开发特征研究成果，整理得到储层地质特征参数、地层岩石力学参数、每口井的压裂施工参数和返排期生产动态数据统计表；
(2)基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价模型求解；根据根据步骤一建立的非常规储层体积压裂物质平衡方程组和四个未知数的闭合方程特征，设计计算流程、编制多井同步求解程序，最终求解得到各油井的关键评价参数，包括：压裂裂缝有效支撑长度、等效渗吸深度、渗吸作用后的地层平均压力和压裂返排后的地层平均压力，进一步可计算出各部分体积，包括井筒体积、主裂缝体积、次生缝网体积、基质渗吸体积；
(3)非常规储层体积压裂物质平衡方程求解结果的可靠性验证；根据现场压裂井微地震监测数据和实际井网井排距及开发动态，综合验证上述物质平衡方程求解结果的可靠性。
8.根据权利要求1所述的一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法，其特征在于，所述的步骤三具体步骤为：
(1)利用非常规储层体积压裂物质平衡方程组求解得到的有效支撑裂缝长度和等效渗吸深度，分别计算井筒体积、主裂缝体积、次生裂缝网络体积和次生裂缝网络渗吸体积，得到体积压裂改造过程中的注入液量在各部分体积(井筒、主裂缝、次生缝网、基质渗吸)所占的比例，揭示压裂液渗吸置换作用在非常规储层开发过程中发挥的关键作用；
(2)非常规储层体积压裂效果敏感性分析；采用单因素分析方法，评价不同压裂液注入总量、不同水平井压裂段数对有效缝网带长、单段缝网改造体积、单段缝网渗吸体积和等效渗吸深度的影响规律，为实际区块体积压裂效果定量评价提供便捷图版；
(3)非常规储层体积压裂效果定量评价；针对研究区目标储层典型井组不同井网开发阶段的体积压裂施工情况，定量计算各水平井体积压裂段缝网带长和带宽，基于井网及缝网平面展布位置，确定各井体积压裂缝网之间的搭接关系，定量评价研究区目标储层不同井网开发阶段体积压裂效果。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117514122A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-06 | 合力（天津）能源科技股份有限公司 | 一种提高页岩油气压裂精准度的管柱自动控制方法及系统 |
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2022
- 2022-10-14 CN CN202211259753.5A patent/CN116122785A/zh active Pending
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| CN117514122A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-06 | 合力（天津）能源科技股份有限公司 | 一种提高页岩油气压裂精准度的管柱自动控制方法及系统 |
| CN117514122B (zh) * | 2024-01-02 | 2024-04-05 | 合力（天津）能源科技股份有限公司 | 一种提高页岩油气压裂精准度的管柱自动控制方法及系统 |
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