CN116306330A - 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法 - Google Patents

一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116306330A
CN116306330A CN202211477028.5A CN202211477028A CN116306330A CN 116306330 A CN116306330 A CN 116306330A CN 202211477028 A CN202211477028 A CN 202211477028A CN 116306330 A CN116306330 A CN 116306330A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fracture
fault
influence
fracturing
stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211477028.5A
Other languages
English (en)
Inventor
任岚
杨子清
赵金洲
林然
于志豪
吴建发
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Petroleum University
Original Assignee
Southwest Petroleum University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Petroleum University filed Critical Southwest Petroleum University
Priority to CN202211477028.5A priority Critical patent/CN116306330A/zh
Publication of CN116306330A publication Critical patent/CN116306330A/zh
Priority to GB2313497.6A priority patent/GB2624744A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B2200/00—Special features related to earth drilling for obtaining oil, gas or water
    • E21B2200/20—Computer models or simulations, e.g. for reservoirs under production, drill bits
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/40—Controlling or monitoring, e.g. of flood or hurricane; Forecasting, e.g. risk assessment or mapping

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，包括：获取数据；计算压前断层影响下的非均匀地应力场；计算各条水力裂缝延伸参数；计算压力和滤失量；分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元；计算破坏点所在模型网格的体积；重复进行下一时步的计算，直到压裂时间结束，计算断层影响下的地应力偏转角度和水平应力差，通过数值模拟，以缝网体积最大化为目标，确定最优射孔簇间距。本发明考虑了断层对非均匀应力场的影响，优化最佳的页岩气水平井射孔簇间距，实现页岩气水平井缝网体积最大化，解决了深层页岩气断层影响下水平井压裂簇间距缺少准确优化方法的问题，进一步提高深层页岩气断层影响下压裂设计的科学性和针对性。

Description

一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法
技术领域
本发明涉及一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，属于页岩气开发技术领域。
背景技术
深层页岩气是建产和规模上产的主战场，是目前页岩气勘探开发发展的重要方向，备受关注。然而页岩经历了多期次构造运动，抬升剥蚀作用明显，地层强度各向异性较强，页岩层系中的断层普遍发育，导致附近地应力场呈现非均匀分布，水力裂缝可能出现非平面、非对称、非规则延伸行为，进而影响缝网体积，因此，非均匀应力场下，合适的簇间距设计对提升深层页岩压裂缝网展布区域、提高深层页岩气藏压后效果具有重要的意义。
国内外部分学者围绕断层影响下地应力表征和页岩气水平井簇间距设计开展了一系列研究。地应力表征方面，Lin等发现应力和孔隙压力的变化将会受到断层滑移的影响，并提供了一种孔隙弹性计算方法，可以定量预测具有断层构造的页岩储层3D原位应力和孔隙压力场。倪伟等将断层分为平行断层与交叉断层，并且使用有限元方法对两种断层下的地应力进行了模拟分析。页岩气水平井簇间距设计方面，Guo等发现分簇裂缝延伸时，中间裂缝受到挤压而开度受限、延伸不足，导致加砂失败，以避免此类情况为目的，定性地进行了簇间距优化。Liu等考虑到多裂缝引发地应力变化，形成应力转向区域，将其视为储层潜在改造区，以此为最优化目标，定量地进行了簇间距的优化。
综上所述，目前分别关于断层影响下地应力表征和页岩气水平井簇间距设计已较为充分，但是上述研究均没有进一步分析断层所产生的非均匀应力场对压裂缝网扩展的影响规律；以上簇间距设计均未以影响页岩压后产量的关键参数储层改造体积(SRV)为目标。
因此，亟需建立一种适用于深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，将有助于更好的部署水平井位置，优化射孔簇间距，改善断层影响下页岩储层压裂增产效果。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、天然裂缝参数和模型网格参数；
步骤二、建立深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型，基于弹性力学理论模型，利用位移不连续方法(DDM)计算由水力裂缝产生的诱导应力场，由原始地应力场和断层诱导应力场线性叠加，计算得到诱导应力后，利用叠加原理计算压前断层影响下的非均匀地应力场，分别绘制断层影响下地应力偏转角度分布图和水平应力差值分布图；
步骤三、建立深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型，结合初始和边界条件，计算各簇的水力裂缝延伸参数、缝内压力、滤失量和裂缝位置参数；
步骤四、以当前储层压力场分布为初始条件，以水力裂缝延伸部分中计算得到的缝内压力以及裂缝位置参数为内边界条件，利用有限差分法，求解断层影响下的储层压力场；
步骤五、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元；
步骤六、根据张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元，通过空间数值积分计算储层剪切破坏改造体积和张性破坏改造体积之和，从而得到缝网体积；
步骤七、重复步骤四到步骤六，直至达到设定时间步长，通过数值模拟得到的射孔处各簇水力裂缝延伸图和缝网体积；
步骤八、通过非均匀地应力场影响下的压裂缝网体积动态扩展模拟，以缝网体积最大化为目标，确定最优射孔簇间距，绘制缝网体积随簇间距变化曲线图。
进一步的技术方案是，所述断层参数包括断层类型、断层长度、断层高度、断层倾角、断层走向、断层断距；
所述储层地质参数包括地层最大水平主应力、最小水平主应力、水平应力差、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
所述压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径、簇间距；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界。
进一步的技术方案是，所述深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型包括诱导应力分量计算方程、压前断层影响下的非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure BDA0003959661200000041
Figure BDA0003959661200000042
Figure BDA0003959661200000043
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy分别表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；ν表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt分别表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前断层影响下的非均匀地应力场计算方程为：
Figure BDA0003959661200000044
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz (0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa。
进一步的技术方案是，所述深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型包括物质平衡方程、缝内流动方程、裂缝开度方程、裂缝高度方程、裂缝转向方程、裂缝流量分配方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
其中物质平衡方程为：
Figure BDA0003959661200000051
Figure BDA0003959661200000052
式中：qf表示缝内流量，m3/s；t表示时间，s；hf表示裂缝的高度，m；ωf表示裂缝的开度，m；CL表示注入压裂液的滤失系数，m/s0.5；τ(s)表示裂缝长度方向坐标s位置处压裂液开始滤失的时间，s；N表示水力裂缝条数；qT表示压裂液注入的总流量，m3/s；qi表示第i条裂缝分配所得的流量，m3/s；
其中缝内流动方程为：
Figure BDA0003959661200000053
式中：pf表示裂缝内流体压力，Pa；μ表示裂缝内流体的黏度，Pa·s，qL表示滤失速度，m/s；
其中裂缝开度方程为：
Figure BDA0003959661200000054
Figure BDA0003959661200000055
ωf(s)＝(Un)i|s∈i
式中：A表示裂缝离散单元总数量；i和j表示裂缝单元，取值1-A；(Mtt)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mnt)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mtn)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量，(Mnn)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量；(σt)i、(σn)i分别表示i单元在局部坐标系内的切应力和正应力，Pa；(Ut)j、(Un)j分别表示裂缝j单元在局部坐标系内的切向应变和法向应变，m；(Un)i表示i单元的法向断距量，m；s表示为裂缝长度方向坐标，m；
其中裂缝高度方程为：
Figure BDA0003959661200000061
式中：σclose表示作用于裂缝壁面上的闭合应力，Pa；KIC表示储层岩石的断裂韧性，Pa/m0.5；
其中裂缝转向方程为：
KIsinθHF+KII(3cosθHF-1)＝0
Figure BDA0003959661200000062
Figure BDA0003959661200000063
式中：a表示离散裂缝单元半长，m；θHF表示水力裂缝延伸转向角，°；
其中裂缝流量分配方程为：
Figure BDA0003959661200000064
式中：l表示各簇编号；k表示水平井段编号；ph表示水平井跟端压力，Pa；pb，l表示第l簇裂缝孔眼处的破裂压力，Pa；ps，l表示第l簇裂缝缝口的净压力，Pa；Δpr，k表示第k水平井段的流动压降，Pa；Δpfp，l表示第l簇裂缝孔眼处的摩阻压降，Pa；
其中裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure BDA0003959661200000065
式中：Lf表示水力裂缝长度，m。
进一步的技术方案是，所述步骤四中求解方程包括连续性方程、天然裂缝破坏后其等效渗透率方程；
其中连续性方程为：
Figure BDA0003959661200000071
式中：
Figure BDA0003959661200000072
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx、ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
其中天然裂缝破坏后其等效渗透率方程为：
Figure BDA0003959661200000073
kx(x,y,t)＝sin2θ·kDF+kC
ky(x,y,t)＝cos2θ·kDF+kC
式中：Ltf表示天然裂缝的间距，m；ωtf表示天然裂缝的开度，m；kC表示初始渗透率，D。
进一步的技术方案是，所述判断任意产状天然裂缝的破坏准则包括天然裂缝的单位法向量、天然裂缝面上的正应力、天然裂缝面上的切应力、天然裂缝张性破坏的判断公式和天然裂缝剪切破坏的判断公式；
其中天然裂缝的单位法向量为：
n＝{njej}＝(nx ny nz)
其中天然裂缝面上的正应力为：
σnn＝F·n＝njσjknk
其中天然裂缝面上的切应力为：
Figure BDA0003959661200000074
其中天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；pf表示裂缝内流体压力，MPa；
其中天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa。
进一步的技术方案是，所述步骤六中缝网体积的计算公式为：
Figure BDA0003959661200000081
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m。
进一步的技术方案是，所述水力裂缝延伸参数包括裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝开度、缝内压力、缝内流量。
进一步的技术方案是，所述步骤七中得到的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛。
本发明具有以下有益效果：
1、该方法专门针对断层影响下的页岩储层的力学特征，建立了深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型、深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型、深层页岩储层断层影响下缝网体积数值计算模型，从而提出了一种适用于深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法；
2、由于该方法综合考虑了深层页岩储层断层影响下地应力非均匀分布，水力裂缝可能出现非平面、非对称、非规则延伸行为，水平井分段分簇压裂时的簇间距对页岩气藏压裂缝网体积的影响行为，簇间距设计的最终目的在于最大化地提高压后产量，为此，可根据深层页岩储层断层影响下非均匀应力分布，建立水力裂缝缝网扩展模型，对裂缝体积进行数值计算，以压裂缝网体积为优化目标，对簇间距进行优化设计，解决缺少深层页岩气断层影响下水平井压裂簇间距优化手段问题。
附图说明
图1为本发明的计算流程示意图；
图2为深层页岩气断层影响下地应力偏转角度分布图；
图3为深层页岩气断层影响下水平应力差值分布图；
图4为深层页岩气断层影响下非均匀应力场分布图；
图5为5m射孔簇间距下的缝网展布情况图；
图6为7m射孔簇间距下的缝网展布情况图；
图7为8m射孔簇间距下的缝网展布情况图；
图8为缝网体积随簇间距变化曲线图。
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。
本发明的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、天然裂缝参数和模型网格参数；
其中所述断层参数包括断层类型、断层长度、断层高度、断层倾角、断层走向、断层断距；
储层地质参数包括地层最大水平主应力、最小水平主应力、水平应力差、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径、簇间距；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度等；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界等；
步骤二、建立深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型，基于弹性力学理论模型，利用位移不连续方法(DDM)计算由水力裂缝产生的诱导应力场，由原始地应力场和断层诱导应力场线性叠加，计算得到诱导应力后，利用叠加原理计算压前断层影响下的非均匀地应力场，分别绘制断层影响下地应力偏转角度分布图和水平应力差值分布图；
其中深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型包括诱导应力分量计算方程、压前断层影响下的非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure BDA0003959661200000101
Figure BDA0003959661200000111
Figure BDA0003959661200000112
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy) (4)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy分别表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；ν表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt分别表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前非均匀地应力场计算方程为：
Figure BDA0003959661200000113
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz(0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa；
步骤三、建立深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型，结合初始和边界条件，计算各簇的水力裂缝延伸参数、缝内压力、滤失量和裂缝位置参数；
其中深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型包括物质平衡方程、缝内流动方程、裂缝开度方程、裂缝高度方程、裂缝转向方程、裂缝流量分配方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
其中物质平衡方程为：
Figure BDA0003959661200000114
Figure BDA0003959661200000121
式中：qf表示缝内流量，m3/s；t表示时间，s；hf表示裂缝的高度，m；ωf表示裂缝的开度，m；CL表示注入压裂液的滤失系数，m/s0.5；τ(s)表示裂缝长度方向坐标s位置处压裂液开始滤失的时间，s；N表示水力裂缝条数；qT表示压裂液注入的总流量，m3/s；qi表示第i条裂缝分配所得的流量，m3/s；
其中缝内流动方程为：
Figure BDA0003959661200000122
式中：pf表示裂缝内流体压力，Pa；μ表示裂缝内流体的黏度，Pa·s，qL表示滤失速度，m/s；
其中裂缝开度方程为：
Figure BDA0003959661200000123
Figure BDA0003959661200000124
ωf(s)＝(Un)i|s∈i (11)
式中：A表示裂缝离散单元总数量；i和j表示裂缝单元，取值1-A；(Mtt)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mnt)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mtn)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量，(Mnn)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量；(σt)i、(σn)i分别表示i单元在局部坐标系内的切应力和正应力，Pa；(Ut)j、(Un)j分别表示裂缝j单元在局部坐标系内的切向应变和法向应变，m；(Un)i表示i单元的法向断距量，m；s表示为裂缝长度方向坐标，m；
其中裂缝高度方程为：
Figure BDA0003959661200000131
式中：σclose表示作用于裂缝壁面上的闭合应力，Pa；KIC表示储层岩石的断裂韧性，Pa/m0.5；
其中裂缝转向方程为：
KIsinθHF+KII(3cosθHF-1)＝0 (13)
Figure BDA0003959661200000132
Figure BDA0003959661200000133
式中：a表示离散裂缝单元半长，m；θHF表示水力裂缝延伸转向角，°；
其中裂缝流量分配方程为：
Figure BDA0003959661200000134
式中：l表示各簇编号；k表示水平井段编号；ph表示水平井跟端压力，Pa；pb，l表示第l簇裂缝孔眼处的破裂压力，Pa；ps，l表示第l簇裂缝缝口的净压力，Pa；Δpr，k表示第k水平井段的流动压降，Pa；Δpfp，l表示第l簇裂缝孔眼处的摩阻压降，Pa；
其中裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure BDA0003959661200000135
式中：Lf表示水力裂缝长度，m；
步骤四、以当前储层压力场分布为初始条件，以水力裂缝延伸部分中计算得到的缝内压力以及裂缝位置参数为内边界条件，利用有限差分法，求解断层影响下的储层压力场；
其中求解方程包括连续性方程、天然裂缝破坏后其等效渗透率方程；
其中连续性方程为：
Figure BDA0003959661200000141
式中：
Figure BDA0003959661200000142
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx、ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
其中天然裂缝破坏后其等效渗透率方程为：
Figure BDA0003959661200000143
kx(x,y,t)＝sin2θ·kDF+kC (20)
ky(x,y,t)＝cos2θ·kDF+kC (21)
式中：Ltf表示天然裂缝的间距，m；ωtf表示天然裂缝的开度，m；kC表示初始渗透率，D；
步骤五、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元；
其中判断任意产状天然裂缝的破坏准则包括天然裂缝的单位法向量、天然裂缝面上的正应力、天然裂缝面上的切应力、天然裂缝张性破坏的判断公式和天然裂缝剪切破坏的判断公式；
其中天然裂缝的单位法向量为：
n＝{njej}＝(nx ny nz) (22)
其中天然裂缝面上的正应力为：
σnn＝F·n＝njσjknk (23)
其中天然裂缝面上的切应力为：
Figure BDA0003959661200000151
其中天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts (25)
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；pf表示裂缝内流体压力，MPa；
其中天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf) (26)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa；
步骤六、根据张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元，通过空间数值积分计算储层剪切破坏改造体积和张性破坏改造体积之和，从而得到缝网体积；
其中缝网体积的计算公式为：
Figure BDA0003959661200000152
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m；
步骤七、重复步骤四到步骤六，直至达到设定时间步长，通过数值模拟得到的射孔处各簇水力裂缝延伸图和缝网体积；
其中的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛；
其中本次循环内计算的水力裂缝延伸参数与上次循环内计算的水力裂缝延伸参数相差不超过1％，即为收敛；
步骤八、通过非均匀地应力场影响下的压裂缝网体积动态扩展模拟，以缝网体积最大化为目标，确定最优射孔簇间距，绘制缝网体积随簇间距变化曲线图。
实施例
已知某一典型断层影响下深层页岩气井矿场实际参数如表1所示，根据图1流程开展实例计算：
表1某断层影响下深层页岩气井矿场实际参数表
Figure BDA0003959661200000161
Figure BDA0003959661200000171
/>
首先，建立深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型，结合以下公式，利用位移不连续的方法进行求解并计算实例1中任一点由断层构造引起的地层诱导应力分量：
具体步骤为：联立方程式(1)～(5)，利用位移不连续法，计算储层内任一点由断层构造引起的地层诱导应力分量；
其次，分别绘制深层页岩气断层影响下地应力偏转角度分布图(如图2所示)、深层页岩气断层影响下水平应力差值分布图(如图3所示)；
随后，运用流固耦合理论，建立深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型，又结合以下公式计算实施例1中各条水力裂缝延伸情况：
具体步骤为：联立方程式(6)～(11)，利用有限差分方法，计算深层页岩气水平井断层影响下压裂过程中各条水力裂缝延伸长度、高度、开度，以及裂缝内压力。
随后，求解断层构造下的深层页岩气储层压力场，又结合以下公式计算实施例1中储层中任意一点处的压力：
具体步骤为：联立方程式(12)～(21)，利用有限差分方法，求解断层构造下的深层页岩气储层压力场方程，计算储层中任意一点处的压力。
随后，根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法，又结合以下公式推导实施例1中判断任意产状天然裂缝的破坏准则：
具体步骤为：联立方程式(22)～(26)，利用张量计算的方法，推导判断断层影响下深层页岩储层中任意产状天然裂缝的破坏准则。
随后，又结合以下公式计算实施例1中页岩气水平井缝网体积随着簇间距的变化；
具体步骤为：结合方程式(27)，利用数值积分的方法，计算实施例1中不同簇间距下页岩气水平井的缝网体积；
随后，运用如图1所示的本发明方法的数值计算流程框图开展实例计算，并根据计算结果分别绘制深层页岩气断层影响下非均匀应力场分布图(如图4所示)、不同射孔簇间距下的缝网展布情况(如图5-7所示：5m、7m、9m)；缝网体积随簇间距变化曲线图(如图8所示)。其中，当页岩气水平井簇间距为7.1m时，缝网体积最大为53.1×104m3。
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 (9)

1.一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、天然裂缝参数和模型网格参数；
步骤二、建立深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型，基于弹性力学理论模型，利用位移不连续方法计算由水力裂缝产生的诱导应力场，由原始地应力场和断层诱导应力场线性叠加，计算得到诱导应力，再利用叠加原理计算压前断层影响下的非均匀地应力场，分别绘制断层影响下地应力偏转角度分布图和水平应力差值分布图；
步骤三、建立深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型，结合初始和边界条件，计算各簇的水力裂缝延伸参数、缝内压力、滤失量和裂缝位置参数；
步骤四、以当前储层压力场分布为初始条件，以水力裂缝延伸部分中计算得到的缝内压力以及裂缝位置参数为内边界条件，利用有限差分法，求解断层影响下的储层压力场；
步骤五、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元；
步骤六、根据张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的网格单元，通过空间数值积分计算储层剪切破坏改造体积和张性破坏改造体积之和，从而得到缝网体积；
步骤七、重复步骤四到步骤六，直至达到设定时间步长，通过数值模拟得到的射孔处各簇水力裂缝延伸图和缝网体积；
步骤八、通过非均匀地应力场影响下的压裂缝网体积动态扩展模拟，以缝网体积最大化为目标，确定最优射孔簇间距，绘制缝网体积随簇间距变化曲线图。
2.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述断层参数包括断层类型、断层长度、断层高度、断层倾角、断层走向、断层断距；
所述储层地质参数包括地层最大水平主应力、最小水平主应力、水平应力差、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
所述压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径、簇间距；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界。
3.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述深层页岩气断层影响下非均匀应力场表征模型包括诱导应力分量计算方程、压前断层影响下的非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure FDA0003959661190000021
Figure FDA0003959661190000022
Figure FDA0003959661190000031
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy分别表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；ν表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt分别表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前断层影响下的非均匀地应力场计算方程为：
Figure FDA0003959661190000032
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz (0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa。
4.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述深层页岩气断层影响下水平井分段多簇压裂水力裂缝缝网扩展模型包括物质平衡方程、缝内流动方程、裂缝开度方程、裂缝高度方程、裂缝转向方程、裂缝流量分配方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
其中物质平衡方程为：
Figure FDA0003959661190000033
Figure FDA0003959661190000034
式中：qf表示缝内流量，m3/s；t表示时间，s；hf表示裂缝的高度，m；ωf表示裂缝的开度，m；CL表示注入压裂液的滤失系数，m/s0.5；τ(s)表示裂缝长度方向坐标s位置处压裂液开始滤失的时间，s；N表示水力裂缝条数；qT表示压裂液注入的总流量，m3/s；qi表示第i条裂缝分配所得的流量，m3/s；
其中缝内流动方程为：
Figure FDA0003959661190000041
式中：pf表示裂缝内流体压力，Pa；μ表示裂缝内流体的黏度，Pa·s，qL表示滤失速度，m/s；
其中裂缝开度方程为：
Figure FDA0003959661190000042
Figure FDA0003959661190000043
ωf(s)＝(Un)i|s∈i
式中：A表示裂缝离散单元总数量；i和j表示裂缝单元，取值1-A；(Mtt)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mnt)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的切向应力分量，(Mtn)ij表示j单元切向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量，(Mnn)ij表示j单元法向位移不连续量在i单元上引起的法向应力分量；(σt)i、(σn)i分别表示i单元在局部坐标系内的切应力和正应力，Pa；(Ut)j、(Un)j分别表示裂缝j单元在局部坐标系内的切向应变和法向应变，m；(Un)i表示i单元的法向断距量，m；s表示为裂缝长度方向坐标，m；
其中裂缝高度方程为：
Figure FDA0003959661190000044
式中：σclose表示作用于裂缝壁面上的闭合应力，Pa；KIC表示储层岩石的断裂韧性，Pa/m0.5；
其中裂缝转向方程为：
KIsinθHF+KII(3cosθHF-1)＝0
Figure FDA0003959661190000051
Figure FDA0003959661190000052
式中：a表示离散裂缝单元半长，m；θHF表示水力裂缝延伸转向角，°；
其中裂缝流量分配方程为：
Figure FDA0003959661190000053
式中：l表示各簇编号；k表示水平井段编号；ph表示水平井跟端压力，Pa；pb，l表示第l簇裂缝孔眼处的破裂压力，Pa；ps，l表示第l簇裂缝缝口的净压力，Pa；Δpr，k表示第k水平井段的流动压降，Pa；Δpfp，l表示第l簇裂缝孔眼处的摩阻压降，Pa；
其中裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure FDA0003959661190000054
式中：Lf表示水力裂缝长度，m。
5.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述步骤四中求解储层压力场的方程包括连续性方程、天然裂缝破坏后其等效渗透率方程；
其中连续性方程为：
Figure FDA0003959661190000055
式中：
Figure FDA0003959661190000056
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx、ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
其中天然裂缝破坏后其等效渗透率方程为：
Figure FDA0003959661190000061
kx(x,y,t)＝sin2θ·kDF+kC
ky(x,y,t)＝cos2θ·kDF+kC
式中：Ltf表示天然裂缝的间距，m；ωtf表示天然裂缝的开度，m；kC表示初始渗透率，D。
6.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述判断任意产状天然裂缝的破坏准则包括天然裂缝的单位法向量、天然裂缝面上的正应力、天然裂缝面上的切应力、天然裂缝张性破坏的判断公式和天然裂缝剪切破坏的判断公式；
其中天然裂缝的单位法向量为：
n＝{njej}＝(nx ny nz)
其中天然裂缝面上的正应力为：
σnn＝F·n＝njσjknk
其中天然裂缝面上的切应力为：
Figure FDA0003959661190000062
其中天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；pf表示裂缝内流体压力，MPa；
其中天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa。
7.根据权利要求6所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述步骤六中缝网体积的计算公式为：
Figure FDA0003959661190000071
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m。
8.根据权利要求1所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述水力裂缝延伸参数包括裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝开度、缝内压力、缝内流量。
9.根据权利要求8所述的一种深层页岩气断层影响下的压裂簇间距优化方法，其特征在于，所述步骤七中得到的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛。
CN202211477028.5A 2022-11-23 2022-11-23 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法 Pending CN116306330A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211477028.5A CN116306330A (zh) 2022-11-23 2022-11-23 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法
GB2313497.6A GB2624744A (en) 2022-11-23 2023-09-05 Method for optimizing fracturing cluster spacing near deep shale gas fault

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211477028.5A CN116306330A (zh) 2022-11-23 2022-11-23 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116306330A true CN116306330A (zh) 2023-06-23

Family

ID=86776764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211477028.5A Pending CN116306330A (zh) 2022-11-23 2022-11-23 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN116306330A (zh)
GB (1) GB2624744A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105201479A (zh) * 2015-10-09 2015-12-30 西南石油大学 一种页岩储层水平井分段压裂射孔簇参数优化设计方法
CN105735960A (zh) * 2016-03-22 2016-07-06 西南石油大学 一种低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化方法
CN112878977A (zh) * 2021-03-26 2021-06-01 重庆科技学院 一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法
CN114021466A (zh) * 2021-11-10 2022-02-08 西南石油大学 基于返排数据和机器学习的页岩气有效缝网体积预测方法
CN114462272A (zh) * 2022-01-20 2022-05-10 西南石油大学 一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105201479A (zh) * 2015-10-09 2015-12-30 西南石油大学 一种页岩储层水平井分段压裂射孔簇参数优化设计方法
CN105735960A (zh) * 2016-03-22 2016-07-06 西南石油大学 一种低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化方法
CN112878977A (zh) * 2021-03-26 2021-06-01 重庆科技学院 一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法
CN114021466A (zh) * 2021-11-10 2022-02-08 西南石油大学 基于返排数据和机器学习的页岩气有效缝网体积预测方法
CN114462272A (zh) * 2022-01-20 2022-05-10 西南石油大学 一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LAN REN 等: "Stimulated reservoir volume estimation for shale gas fracturing: Mechanism and modeling approach", 《JOURNAL OF PETROLEUM SCIENCE AND ENGINEERING》, vol. 166, pages 290 - 304 *
任 岚 等: "基于最优SRV的页岩气水平井压裂簇间距优化设计", 《天 然 气 工 业》, vol. 37, no. 4, pages 69 - 79 *
任岚 等: "页岩压裂水平井增产改造体积的动态演化模型", 《应用数学和力学》, vol. 39, no. 10, pages 1099 - 1114 *
宋毅 等: "深层页岩气水平井压裂异步起裂裂缝延伸模拟与调控", 《大庆石油地质与开发》, vol. 41, no. 5, pages 145 - 152 *
林然: "页岩压裂水平井SRV动态模拟的理论研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, no. 6, pages 019 - 4 *

Also Published As

Publication number Publication date
GB2624744A (en) 2024-05-29
GB202313497D0 (en) 2023-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108319756B (zh) 一种致密储层体积压裂缝网扩展模拟及表征方法
US11542801B2 (en) Optimized design method for temporary blocking agent to promote uniform expansion of fractures produced by fracturing in horizontal wells
CN112561144B (zh) 一种致密油压裂水平井产能主控因素评判与产能预测方法
Tong et al. Numerical simulation of hydraulic fracture propagation in laminated shale reservoirs
CN106869896B (zh) 一种低渗透油气藏直井体积压裂储层改造体积预测方法
CN104200039B (zh) 一种构造裂缝产状定量预测方法
US10294759B2 (en) Method and system for hydraulic fracturing based on skin factor analysis
CN113389534B (zh) 一种水平井密切割压裂裂缝扩展预测与设计参数优化方法
CN113901681B (zh) 一种全寿命周期页岩气储层双甜点三维可压性评估方法
CN110134984A (zh) 一种页岩压裂过程中复杂裂缝扩展影响因素的分析方法
CN112036098A (zh) 一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法
CN104863560A (zh) 用于页岩气开采的宽网压裂方法
CN110147561A (zh) 一种含天然裂缝致密油气储层体积压裂缝网预测方法
CN114737943B (zh) 非常规储层立体井网改造方法、装置、设备及介质
CN114462272A (zh) 一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法
CN115659736B (zh) 一种深层页岩气水平井缝内转向压裂缝网扩展计算方法
CN115618759A (zh) 页岩气地层压裂施工参数优化方法
CN111125905A (zh) 耦合油藏流体流动的二维裂缝网络扩展模型及其模拟方法
CN117114208B (zh) 一种全耦合的井工厂动态调整整体压裂优化方法
CN112100707A (zh) 一种穿层压裂图版构建方法
CN116306330A (zh) 一种深层断层附近页岩气压裂簇间距优化方法
CN110863814B (zh) 巨厚型生屑灰岩油藏单井分段比采液指数确定方法及装置
CN110850470A (zh) 一种利用地震资料计算地应力差异系数的方法
CN117371161A (zh) 一种模拟压裂缝在砾岩中扩展的数值模拟方法和系统
CN116122785A (zh) 一种基于物质平衡的非常规储层体积压裂效果评价方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination