CN117010223A - 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法 - Google Patents

深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117010223A
CN117010223A CN202210455703.8A CN202210455703A CN117010223A CN 117010223 A CN117010223 A CN 117010223A CN 202210455703 A CN202210455703 A CN 202210455703A CN 117010223 A CN117010223 A CN 117010223A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crack
fracture
fracturing
cluster
natural
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
CN202210455703.8A
Other languages
English (en)
Inventor
曾波
乐宏
桑宇
周朗
宋毅
周小金
郭兴午
王怡亭
胡俊杰
黄永智
林盛旺
周拿云
杨蕾
宋雯静
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.)
Petrochina Co Ltd
Original Assignee
Petrochina Co Ltd
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 Petrochina Co Ltd filed Critical Petrochina Co Ltd
Priority to CN202210455703.8A priority Critical patent/CN117010223A/zh
Publication of CN117010223A publication Critical patent/CN117010223A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • 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)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，包括：收集压裂参数；建立页岩储层天然裂缝模型；建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型；建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型；建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型；建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型；建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；基于建立的数学模型并结合收集的参数，对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化。本发明克服了现有技术中压裂裂缝分叉下分支流量采用平均值的缺陷，同时弥补了多裂缝影响下的水力裂缝与天然裂缝相交作用准则未考虑缝间应力干扰的不足。

Description

深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法
技术领域
本发明涉及非常规油气储层增产改造技术领域，具体而言，涉及一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法。
背景技术
随着非常规油气资源(致密油气、页岩油气、煤层气)开发的不断深入，储层深度增加且地质条件更加复杂，开发难度不断加大。我国深层页岩气资源分布广，储量丰富丰富，开发潜力巨大。但深层页岩具有低孔、低渗、高应力差、强非均质性等特点，须通过水力压裂技术对这类储层进行有效的增产改造才能获得可观的经济产能，以实现工业化开采，填补国内天然气资源的供给缺口，保障能源安全。
水平井分段多簇压裂技术是深层页岩气开采的主要重要技术手段，通过压裂在储层中形成人工裂缝，在水平井筒与储层之间建立高速流动通道，可增大储层的暴露面积、降低储层中页岩气的流动所需压差以及缩短页岩气在储层中的渗流距离，实现增产目标。在水平井分段多簇压裂过程中，通过对储层中的水平井井筒进行分段多簇射孔，随后泵注压裂液逐段进行段内多簇压裂，直至完成所有段的压裂，压裂施工结束。压裂施工效果会影响人工裂缝形态，人工裂缝的空间展布影响输砂施工以及支撑剂铺置，而填砂裂缝中支撑剂的铺置则会影响气井产量。多裂缝有效、均匀扩展是水平井分段多簇压裂的关键，需要在水力压裂施工设计中对相关参数进行优化设计。
目前，数值模拟被广泛用于压裂施工设计参数优化，但大多模型中应力场与流场采用顺序耦合，未考虑簇间流量的动态分配过程，且未能准确描述水力裂缝与天然力裂缝之间的相互作用，针对分叉裂缝采用流量均分的处理方式，无法准确模拟水平井分段多簇压裂裂缝扩展，进而影响压裂设计参数优化。
发明内容
本发明旨在提供一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，以解决现有方法中数值模拟用于压裂施工设计参数优化时存在的问题。
本发明提供的一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，包括如下步骤：
S100，收集压裂中的地质参数、完井参数与施工参数；
S200，根据储层天然裂缝基础参数建立页岩储层天然裂缝模型；
S300，基于边界元方法与有限体积方法建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型；
S400，利用压力平衡原理建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型；
S500，根据应力叠加原理建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型；
S600，使用等效应力强度因子建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型；
S700，结合步骤S200～S600，建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；
S800，基于步骤S700建立的数学模型，结合步骤S100收集的参数，模拟计算不同参数下深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果，进而对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化。
进一步的，步骤S100中收集的压裂中的地质参数、完井参数与施工参数如下：
(1)地质参数包括水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝壁面摩擦系数、天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度和天然裂缝密度；
(2)完井参数包括射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目；
(3)施工参数包括压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模。
进一步的，步骤S200中根据储层天然裂缝基础参数建立的页岩储层天然裂缝模型如下：
天然裂缝数目计算公式为：
天然裂缝位置计算公式为：
式中：Nnf为天然裂缝数目，条；Lx为模拟储层区域沿x方向的长度，m；Ly为模拟储层区域研y方向的长度，m；Dnf为天然裂缝密度，即单位面积内天然裂缝长度，m-1；Lnf为天然裂缝平均长度，m；xnf与ynf为天然裂缝中点坐标，m；X1与Y1为天然裂缝一侧端点坐标，m；X2与Y2为天然裂缝另一侧端点坐标，m；R表示介于0～1之间的随机数；θnf为天然裂缝方位角，°。
进一步的，S300中基于边界元方法与有限体积方法建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型的方法包括：
S301，根据特殊边界元方法——位移不连续法得到压裂过程中应力与位移的关系式：
γ＝βi-βj (7)
式中：σi s与σi n为作用于裂缝单元i的切向与方向应力，Pa；N为离散裂缝单元总数；Di s与Di n为裂缝单元i的切向与方向位移不连续量，m；x与y为全局直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；与/>为局部直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；βi与βj为裂缝单元i与裂缝单元j在直角坐标系中的夹角，°；γ为裂缝单元i与裂缝单元j之间的夹角，°；G表示储层岩石剪切模量，Pa；v为储层岩石泊松比，无量纲；bj表示裂缝单元j的长度，m；
S302，考虑二维模型缝高影响，在应力与位移的关系式中引入缝高修正系数：
式中：T为缝高修正系数，无量纲；dij为裂缝单元i中点与裂缝单元j中点之间的距离，m；h为储层厚度，m；
S303，压裂液在水力裂缝中压降计算公式为：
式中：pf为水力裂缝中的流体压力，Pa；s为距离长度，m；μ为压裂液的粘度，Pa.s；q为水力裂缝中压裂液流量，m3/s；w为水力裂缝宽度，m；
S304，压裂液在射孔孔眼处摩阻计算公式为：
式中：ppf为射孔孔眼摩阻，Pa；qp为流经射孔孔眼的压裂液流量，m3/s；ρ为压裂液密度，kg/m3；np为射孔孔眼数目；dp为射孔孔眼直径，m；Cp为射孔孔眼流量系数，无量纲；
S305，压裂液流动过程中连续性方程为：
式中：qinj为压裂液注入项，m/s；Cleak为压裂液滤失系数，m.s-0.5；t为当前模拟压裂时间，s；τ为裂缝单元开启时间，s；
S306，有限体积法离散流场，建立应力场与流场的流固耦合模型为：
对于无分叉且有两个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有三个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有四个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
S307，应力场与流场的流固耦合模型为：
wt+Δt＝ΔtF(wt+Δt)pf+ΔtQi+wt (20)
式中：Δt为时间增量，s；wt+Δt,i、wt,i分别为当前时间步以及上一时间步裂缝单元i的缝宽，m；bj-1、bj+1分别为与裂缝单元j相邻的单元j-1以及单元j+1的长度，m；pf,j-1、pf,j+1分别为裂缝单元j-1与裂缝单元j+1的缝内流体压力。
进一步的，步骤S400中利用压力平衡原理建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型的方法包括：
S401，忽略井筒摩阻的影响，各簇裂缝反算到井底的流体压力计算公式为：
式中：qi为第i簇裂缝的入口流量，m3/s；pb,i为第i簇裂缝计算得到的井底压力，MPa；ppf,i为第i簇裂缝的射孔摩阻，MPa；pf,i是第i簇裂缝的入口流体压力，MPa；m是裂缝簇数；
S402，根据压力平衡原理，使用牛顿迭代方法计算动态流量的公式为：
q1+q2+…+qm＝Qall (24)
式中：为第n次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；/>为第n-1次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；Qall为模拟中的总流量，m3/min；n为迭代步数。
进一步的，步骤S500中根据应力叠加原理建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型的方法包括：
S501，水力裂缝尖端应力场计算公式为：
式中：KI为I型应力强度因子，MPa.m0.5；KII为II型应力强度因子，MPa.m0.5；Lt为裂缝尖端单元长度，m；分别表示裂缝尖端单元的法向与切向位移不连续量，m；r表示临界半径，m；α为水力裂缝与天然裂缝之间夹角，°；/>为裂缝尖端产生的应力场，Mpa；
S502，多水力裂缝产生的诱导应力场计算公式为：
式中：为多水力裂缝产生的诱导应力场，Mpa；
S503，根据应力叠加原理得到复合应力场计算公式为：
式中：θ为极坐标系下的极角；σh、σH分别为水平最小主应力与水平最大主应力，MPa；为直角坐标系下的复合应力场，MPa；/> 为以水力裂缝尖端为原点的极坐标系下的复合应力场，Mpa；
S504，水力裂缝与天然裂缝相交后的穿过准则为：
当水力裂缝尖端到达天然裂缝界面时：
当压裂液抵达水力裂缝与天然裂缝的交汇处时：
ptip＞σh+T (32)
式中：为作用于天然裂缝壁面的法向应力，MPa；/>为作用于天然裂缝壁面的切向应力，MPa；Trock为岩石的抗拉强度，MPa；τ0为天然裂缝的固有抗剪强度，MPa；Knf为天然裂缝壁面摩擦系数，无量纲；ptip为水力裂缝与天然裂缝交汇处的流体压力，Mpa。
进一步的，步骤S600中使用等效应力强度因子建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型的方法包括：
S601，基于等效应力强度因子的裂缝扩展准则：
式中：Ke为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；KIC为储层岩石断裂韧性，Mpa.m0.5；θ为裂缝偏转角，°；
S602，基于最大周向应力理论计算水力裂缝扩展方向：
S603，修正多裂缝扩展步长：
式中：Δxi为第i个裂缝尖端扩展步长，m；Ke,i为第i个裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；Δxmax为最大扩展步长，m。
进一步的，步骤S700中结合步骤S200～S600，建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型的方法包括：
S701，流固耦合求解时迭代格式与收敛条件为：
式中：α为迭代因子，无量纲；ε为迭代收敛容差，无量纲；N为裂缝单元总数；wi n为第n个迭代步裂缝单元i的缝宽值，m；
S702，流量动态分配时的的迭代格式与收敛条件为：
式中：m为裂缝簇数；为第n个迭代步进入裂缝簇i的流量值，m3/s；
3)根据质量守恒，判断压裂裂缝扩展模拟结束的条件为：
式中：Vfrac为水力裂缝体积，m3；Vleak为压裂液滤失体积，m3；Vmax为压裂施工规模，m3；t为当前压裂模拟时间，s。
进一步的，步骤S800中基于步骤S700建立的数学模型，结合步骤S100收集的参数，模拟计算不同参数下深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果，进而对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化的方法包括：
S801，将天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度、天然裂缝密度输入步骤S200得到的页岩储层天然裂缝模型生成天然裂缝；
S802，将水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度和天然裂缝壁面摩擦系数这些地质参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；
S803，将射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目这些完井参数，以及压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模这些施工参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型，模拟得到深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果；
S804，以裂缝形态最优与裂缝均匀延伸为目标，改变完井参数与施工参数，重复步骤S803，对比分析不同完井参数与施工参数条件下的裂缝形态与流量分配结果，实现深层页岩水平井分段多簇压裂参数优化。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明克服了现有技术中压裂裂缝分叉下分支流量采用平均值的缺陷，同时弥补了多裂缝影响下的水力裂缝与天然裂缝相交作用准则未考虑缝间应力干扰的不足，本发明更有利于指导深层页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计。本发明应用于非常规油气储层增产改造技术领域，用于深层页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法的流程图。
图2为储层中天然裂缝示意图。
图3为水力裂缝离散示意图。
图4为裂缝分叉模式示意图。
图5为多裂缝扩展簇间流量分配示意图。
图6为水力裂缝与天然裂缝相交作用示意图。
图7a为方案1在深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态模拟的结果展示图。
图7b为方案2在深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态模拟的结果展示图。
图7c为方案3在深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态模拟的结果展示图。
图7d为方案4在深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态模拟的结果展示图。
图8a为方案1在深层页岩水平井分段多簇压裂各裂缝簇进液分布图。
图8b为方案2在深层页岩水平井分段多簇压裂各裂缝簇进液分布图。
图8c为方案3在深层页岩水平井分段多簇压裂各裂缝簇进液分布图。
图8d为方案4在深层页岩水平井分段多簇压裂各裂缝簇进液分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，包括如下步骤：
S100，收集压裂中的地质参数、完井参数与施工参数；具体地：
(1)地质参数包括水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝壁面摩擦系数、天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度和天然裂缝密度等；
(2)完井参数包括射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目等；
(3)施工参数包括压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模等。
S200，根据储层天然裂缝基础参数建立页岩储层天然裂缝模型；如图2所示，建立的页岩储层天然裂缝模型如下：
天然裂缝数目计算公式为：
天然裂缝位置计算公式为：
式中：Nnf为天然裂缝数目，条；Lx为模拟储层区域沿x方向的长度，m；Ly为模拟储层区域研y方向的长度，m；Dnf为天然裂缝密度，即单位面积内天然裂缝长度，m-1；Lnf为天然裂缝平均长度，m；xnf与ynf为天然裂缝中点坐标，m；X1与Y1为天然裂缝一侧端点坐标，m；X2与Y2为天然裂缝另一侧端点坐标，m；R表示介于0～1之间的随机数；θnf为天然裂缝方位角，°。
S300，基于边界元方法与有限体积方法建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型；具体地：
S301，如图3所示的水力裂缝离散示意图，根据特殊边界元方法——位移不连续法得到压裂过程中应力与位移的关系式：
/>
γ＝βi-βj (7)
式中：σi s与σi n为作用于裂缝单元i的切向与方向应力，Pa；N为离散裂缝单元总数；Di s与Di n为裂缝单元i的切向与方向位移不连续量，m；x与y为全局直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；x与y为局部直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；βi与βj为裂缝单元i与裂缝单元j在直角坐标系中的夹角，°；γ为裂缝单元i与裂缝单元j之间的夹角，°；G表示储层岩石剪切模量，Pa；v为储层岩石泊松比，无量纲；bj表示裂缝单元j的长度，m；
S302，考虑二维模型缝高影响，在应力与位移的关系式中引入缝高修正系数：
式中：T为缝高修正系数，无量纲；dij为裂缝单元i中点与裂缝单元j中点之间的距离，m；h为储层厚度，m；
S303，压裂液在水力裂缝中压降计算公式为：
式中：pf为水力裂缝中的流体压力，Pa；s为距离长度，m；μ为压裂液的粘度，Pa.s；q为水力裂缝中压裂液流量，m3/s；w为水力裂缝宽度，m；
S304，压裂液在射孔孔眼处摩阻计算公式为：
式中：ppf为射孔孔眼摩阻，Pa；qp为流经射孔孔眼的压裂液流量，m3/s；ρ为压裂液密度，kg/m3；np为射孔孔眼数目；dp为射孔孔眼直径，m；Cp为射孔孔眼流量系数，无量纲；
S305，压裂液流动过程中连续性方程为：
式中：qinj为压裂液注入项，m/s；Cleak为压裂液滤失系数，m.s-0.5；t为当前模拟压裂时间，s；τ为裂缝单元开启时间，s；
S306，如图4所示，有限体积法离散流场，建立应力场与流场的流固耦合模型为：
对于无分叉且有两个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有三个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有四个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
S307，应力场与流场的流固耦合模型为：
wt+Δt＝ΔtF(wt+Δt)pf+ΔtQi+wt (20)
式中：Δt为时间增量，s；wt+Δt,i、wt,i分别为当前时间步以及上一时间步裂缝单元i的缝宽，m；bj-1、bj+1分别为与裂缝单元j相邻的单元j-1以及单元j+1的长度，m；pf,j-1、pf,j+1分别为裂缝单元j-1与裂缝单元j+1的缝内流体压力。
S400，利用压力平衡原理建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型；如图5所示，具体地：
S401，忽略井筒摩阻的影响，各簇裂缝反算到井底的流体压力计算公式为：
式中：qi为第i簇裂缝的入口流量，m3/s；pb,i为第i簇裂缝计算得到的井底压力，MPa；ppf,i为第i簇裂缝的射孔摩阻，MPa；pf,i是第i簇裂缝的入口流体压力，MPa；m是裂缝簇数；
S402，根据压力平衡原理，使用牛顿迭代方法计算动态流量的公式为：
q1+q2+…+qm＝Qall (24)
式中：为第n次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；/>为第n-1次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；Qall为模拟中的总流量，m3/min；n为迭代步数。
S500，根据应力叠加原理建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型；如图6所示，具体地：
S501，水力裂缝尖端应力场计算公式为：
式中：KI为I型应力强度因子，MPa.m0.5；KII为II型应力强度因子，MPa.m0.5；Lt为裂缝尖端单元长度，m；分别表示裂缝尖端单元的法向与切向位移不连续量，m；r表示临界半径，m；α为水力裂缝与天然裂缝之间夹角，°；/>为裂缝尖端产生的应力场，Mpa；
S502，多水力裂缝产生的诱导应力场计算公式为：
式中：为多水力裂缝产生的诱导应力场，Mpa；
S503，根据应力叠加原理得到复合应力场计算公式为：
式中：θ为极坐标系下的极角；σh、σH分别为水平最小主应力与水平最大主应力，MPa；为直角坐标系下的复合应力场，MPa；/> 为以水力裂缝尖端为原点的极坐标系下的复合应力场，Mpa；
S504，水力裂缝与天然裂缝相交后的穿过准则为：
当水力裂缝尖端到达天然裂缝界面时：
当压裂液抵达水力裂缝与天然裂缝的交汇处时：
ptip＞σh+T (32)
式中：为作用于天然裂缝壁面的法向应力，MPa；/>为作用于天然裂缝壁面的切向应力，MPa；Trock为岩石的抗拉强度，MPa；τ0为天然裂缝的固有抗剪强度，MPa；Knf为天然裂缝壁面摩擦系数，无量纲；ptip为水力裂缝与天然裂缝交汇处的流体压力，Mpa。
S600，使用等效应力强度因子建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型；具体地：
S601，基于等效应力强度因子的裂缝扩展准则：
式中：Ke为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；KIC为储层岩石断裂韧性，Mpa.m0.5；θ为裂缝偏转角，°；
S602，基于最大周向应力理论计算水力裂缝扩展方向：
S603，修正多裂缝扩展步长：
式中：Δxi为第i个裂缝尖端扩展步长，m；Ke,i为第i个裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；Δxmax为最大扩展步长，m。
S700，结合步骤S200～S600，建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；具体地：
S701，流固耦合求解时迭代格式与收敛条件为：
式中：α为迭代因子，无量纲；ε为迭代收敛容差，无量纲；N为裂缝单元总数；为第n个迭代步裂缝单元i的缝宽值，m；
S702，流量动态分配时的的迭代格式与收敛条件为：
/>
式中：m为裂缝簇数；为第n个迭代步进入裂缝簇i的流量值，m3/s；
3)根据质量守恒，判断压裂裂缝扩展模拟结束的条件为：
式中：Vfrac为水力裂缝体积，m3；Vleak为压裂液滤失体积，m3；Vmax为压裂施工规模，m3；t为当前压裂模拟时间，s。
S800，基于步骤S700建立的数学模型，结合步骤S100收集的参数，模拟计算不同参数下深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果，进而对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化；具体地：
S801，将天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度、天然裂缝密度输入步骤S200得到的页岩储层天然裂缝模型生成天然裂缝；
S802，将水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度和天然裂缝壁面摩擦系数这些地质参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；
S803，将射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目这些完井参数，以及压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模这些施工参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型，模拟得到深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果；
S804，以裂缝形态最优与裂缝均匀延伸为目标，改变完井参数与施工参数，重复步骤S803，对比分析不同完井参数与施工参数条件下的裂缝形态与流量分配结果，实现深层页岩水平井分段多簇压裂参数优化。
示例：
下面结合国内川南某深层页岩气井对本发明做进一步的详细说明，但不构成对发明的任何限制。其中，模拟采用的基础参数见表1，优化参数及方案见表2。
表1，模拟采用的基础参数：
表2，优化参数及方案：
优化参数 单位 方案1 方案2 方案3 方案4
射孔数目 个 12 12 6 6
射孔簇间距 m 8 10 10 10
压裂液粘度 mPa.s 5 20 10 10
施工排量 m3/min 10 16 10 16
由此，执行深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法：
第一步：将表1中的地质参数输入天然裂缝模型，通过方程(1)～(4)生成深层页岩储层中的天然裂缝，如图2所示；
第二步：将表1与表2中的参数输入深层页岩水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展模型，通过方程(5)～(11)建立应力场，根据方程(12)～(14)建立流场，求解流固耦合方程组(20)得到法向位移不连续量(即裂缝宽度)w与缝内流体压力pf分布，同时使用方程(21)～(24)求解各裂缝簇的流量qi，方程(36)与(37)作为方程求解收敛条件，若结果收敛，则进入第三步。
第三步：判断水力裂缝尖端是否与天然裂缝相交，若水力裂缝与天然裂缝相交，使用方程(25)～(32)判断相交作用结果，若水力裂缝与天然裂缝不相交，则水力裂缝在储层中扩展，使用方程(25)、(26)、(33)、(34)判断水力裂缝是否扩展并计算延伸方向，基于方程(35)计算裂缝扩展步长。
第四步：更新裂缝单元与缝内压力信息，基于体积守恒方程(38)计算模拟压裂时间或压裂液注入量，判断裂缝扩展模拟是否结束，若未结束则循环第二步与第三步直至满足条件，若结束则输出模拟计算的裂缝形态与各裂缝簇进液情况。
第五步：模拟计算不同完井参数与施工参数下的裂缝形态与各裂缝簇进液情况，根据裂缝缝长、裂缝缝宽、均匀延伸情况选取优化的参数。使用表1与表2中的参数，重复第一步到第四步，得到方案1、方案2、方案3、方案4等四种参数条件下压裂施工结束后的裂缝形态分布以及各裂缝簇的进液量分布情况，分别如图7a、7b、7c、7d以及8a、8b、8c、8d所示。通过对比分析可知，方案2与方案4的参数设置能够有效促进裂缝均匀延伸，个裂缝簇的进液量均匀，同时缝长与缝宽相比方案1与方案3得到改善，因此方案2与方案4中参数可作为优化参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)

1.一种深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，收集压裂中的地质参数、完井参数与施工参数；
S200，根据储层天然裂缝基础参数建立页岩储层天然裂缝模型；
S300，基于边界元方法与有限体积方法建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型；
S400，利用压力平衡原理建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型；
S500，根据应力叠加原理建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型；
S600，使用等效应力强度因子建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型；
S700，结合步骤S200～S600，建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；
S800，基于步骤S700建立的数学模型，结合步骤S100收集的参数，模拟计算不同参数下深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果，进而对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化。
2.根据权利要求1所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S100中收集的压裂中的地质参数、完井参数与施工参数如下：
(1)地质参数包括水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝壁面摩擦系数、天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度和天然裂缝密度；
(2)完井参数包括射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目；
(3)施工参数包括压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模。
3.根据权利要求2所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S200中根据储层天然裂缝基础参数建立的页岩储层天然裂缝模型如下：
天然裂缝数目计算公式为：
天然裂缝位置计算公式为：
式中：Nnf为天然裂缝数目，条；Lx为模拟储层区域沿x方向的长度，m；Ly为模拟储层区域研y方向的长度，m；Dnf为天然裂缝密度，即单位面积内天然裂缝长度，m-1；Lnf为天然裂缝平均长度，m；xnf与ynf为天然裂缝中点坐标，m；X1与Y1为天然裂缝一侧端点坐标，m；X2与Y2为天然裂缝另一侧端点坐标，m；R表示介于0～1之间的随机数；θnf为天然裂缝方位角，°。
4.根据权利要求3所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，S300中基于边界元方法与有限体积方法建立水平井分段多簇压裂应力场与流场的流固耦合模型的方法包括：
S301，根据特殊边界元方法——位移不连续法得到压裂过程中应力与位移的关系式：
γ＝βi-βj (7)
式中：σi s与σi n为作用于裂缝单元i的切向与方向应力，Pa；N为离散裂缝单元总数；Di s与Di n为裂缝单元i的切向与方向位移不连续量，m；x与y为全局直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；与/>为局部直角坐标系下的裂缝单元中点坐标，m；βi与βj为裂缝单元i与裂缝单元j在直角坐标系中的夹角，°；γ为裂缝单元i与裂缝单元j之间的夹角，°；G表示储层岩石剪切模量，Pa；v为储层岩石泊松比，无量纲；bj表示裂缝单元j的长度，m；
S302，考虑二维模型缝高影响，在应力与位移的关系式中引入缝高修正系数：
式中：T为缝高修正系数，无量纲；dij为裂缝单元i中点与裂缝单元j中点之间的距离，m；h为储层厚度，m；
S303，压裂液在水力裂缝中压降计算公式为：
式中：pf为水力裂缝中的流体压力，Pa；s为距离长度，m；μ为压裂液的粘度，Pa.s；q为水力裂缝中压裂液流量，m3/s；w为水力裂缝宽度，m；
S304，压裂液在射孔孔眼处摩阻计算公式为：
式中：ppf为射孔孔眼摩阻，Pa；qp为流经射孔孔眼的压裂液流量，m3/s；ρ为压裂液密度，kg/m3；np为射孔孔眼数目；dp为射孔孔眼直径，m；Cp为射孔孔眼流量系数，无量纲；
S305，压裂液流动过程中连续性方程为：
式中：qinj为压裂液注入项，m/s；Cleak为压裂液滤失系数，m.s-0.5；t为当前模拟压裂时间，s；τ为裂缝单元开启时间，s；
S306，有限体积法离散流场，建立应力场与流场的流固耦合模型为：
对于无分叉且有两个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有三个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
对于有分叉且有四个裂缝单元与中间裂缝单元相连的离散格式为：
S307，应力场与流场的流固耦合模型为：
wt+Δt＝ΔtF(wt+Δt)pf+ΔtQi+wt (20)
式中：Δt为时间增量，s；wt+Δt,i、wt,i分别为当前时间步以及上一时间步裂缝单元i的缝宽，m；bj-1、bj+1分别为与裂缝单元j相邻的单元j-1以及单元j+1的长度，m；pf,j-1、pf,j+1分别为裂缝单元j-1与裂缝单元j+1的缝内流体压力。
5.根据权利要求4所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S400中利用压力平衡原理建立多裂缝同时扩展簇间流量分配模型的方法包括：
S401，忽略井筒摩阻的影响，各簇裂缝反算到井底的流体压力计算公式为：
式中：qi为第i簇裂缝的入口流量，m3/s；pb,i为第i簇裂缝计算得到的井底压力，MPa；ppf,i为第i簇裂缝的射孔摩阻，MPa；pf,i是第i簇裂缝的入口流体压力，MPa；m是裂缝簇数；
S402，根据压力平衡原理，使用牛顿迭代方法计算动态流量的公式为：
q1+q2+…+qm＝Qall (24)
式中：为第n次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；/>为第n-1次迭代步第i簇裂缝的入口流量，m3/min；Qall为模拟中的总流量，m3/min；n为迭代步数。
6.根据权利要求5所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S500中根据应力叠加原理建立水力裂缝与天然裂缝相交作用模型的方法包括：
S501，水力裂缝尖端应力场计算公式为：
式中：KI为I型应力强度因子，MPa.m0.5；KII为II型应力强度因子，MPa.m0.5；Lt为裂缝尖端单元长度，m；分别表示裂缝尖端单元的法向与切向位移不连续量，m；r表示临界半径，m；α为水力裂缝与天然裂缝之间夹角，°；/>为裂缝尖端产生的应力场，Mpa；
S502，多水力裂缝产生的诱导应力场计算公式为：
式中：为多水力裂缝产生的诱导应力场，Mpa；
S503，根据应力叠加原理得到复合应力场计算公式为：
式中：θ为极坐标系下的极角；σh、σH分别为水平最小主应力与水平最大主应力，MPa；为直角坐标系下的复合应力场，MPa；/> 为以水力裂缝尖端为原点的极坐标系下的复合应力场，Mpa；
S504，水力裂缝与天然裂缝相交后的穿过准则为：
当水力裂缝尖端到达天然裂缝界面时：
当压裂液抵达水力裂缝与天然裂缝的交汇处时：
ptip＞σh+T (32)
式中：为作用于天然裂缝壁面的法向应力，MPa；/>为作用于天然裂缝壁面的切向应力，MPa；Trock为岩石的抗拉强度，MPa；τ0为天然裂缝的固有抗剪强度，MPa；Knf为天然裂缝壁面摩擦系数，无量纲；ptip为水力裂缝与天然裂缝交汇处的流体压力，Mpa。
7.根据权利要求6所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S600中使用等效应力强度因子建立分段多簇压裂多裂缝同时扩展模型的方法包括：
S601，基于等效应力强度因子的裂缝扩展准则：
式中：Ke为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；KIC为储层岩石断裂韧性，Mpa.m0.5；θ为裂缝偏转角，°；
S602，基于最大周向应力理论计算水力裂缝扩展方向：
S603，修正多裂缝扩展步长：
式中：Δxi为第i个裂缝尖端扩展步长，m；Ke,i为第i个裂缝尖端等效应力强度因子，MPa.m0.5；Δxmax为最大扩展步长，m。
8.根据权利要求7所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S700中结合步骤S200～S600，建立考虑天然裂缝作用、缝间应力干扰和复杂流量分配的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型的方法包括：
S701，流固耦合求解时迭代格式与收敛条件为：
式中：α为迭代因子，无量纲；ε为迭代收敛容差，无量纲；N为裂缝单元总数；为第n个迭代步裂缝单元i的缝宽值，m；
S702，流量动态分配时的的迭代格式与收敛条件为：
式中：m为裂缝簇数；为第n个迭代步进入裂缝簇i的流量值，m3/s；
3)根据质量守恒，判断压裂裂缝扩展模拟结束的条件为：
式中：Vfrac为水力裂缝体积，m3；Vleak为压裂液滤失体积，m3；Vmax为压裂施工规模，m3；t为当前压裂模拟时间，s。
9.根据权利要求8所述的深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法，其特征在于，步骤S800中基于步骤S700建立的数学模型，结合步骤S100收集的参数，模拟计算不同参数下深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果，进而对深层页岩水平井分段多簇压裂的完井参数与施工参数进行优化的方法包括：
S801，将天然裂缝方位角、天然裂缝平均长度、天然裂缝密度输入步骤S200得到的页岩储层天然裂缝模型生成天然裂缝；
S802，将水平最大主应力、水平最小主应力、储层岩石杨氏模量、储层岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、储层岩石抗拉强度、储层滤失系数、储层厚度、天然裂缝固有抗剪强度和天然裂缝壁面摩擦系数这些地质参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型；
S803，将射孔数目、射孔孔径、射孔簇间距和射孔簇数目这些完井参数，以及压裂液密度、压裂液粘度、施工排量和施工规模这些施工参数输入步骤S700中建立的水平井分段多簇压裂多裂缝动态扩展数学模型，模拟得到深层页岩水平井分段多簇压裂裂缝形态与流量分配结果；
S804，以裂缝形态最优与裂缝均匀延伸为目标，改变完井参数与施工参数，重复步骤S803，对比分析不同完井参数与施工参数条件下的裂缝形态与流量分配结果，实现深层页岩水平井分段多簇压裂参数优化。
CN202210455703.8A 2022-04-28 2022-04-28 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法 Pending CN117010223A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210455703.8A CN117010223A (zh) 2022-04-28 2022-04-28 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210455703.8A CN117010223A (zh) 2022-04-28 2022-04-28 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117010223A true CN117010223A (zh) 2023-11-07

Family

ID=88567678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210455703.8A Pending CN117010223A (zh) 2022-04-28 2022-04-28 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117010223A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11542801B2 (en) Optimized design method for temporary blocking agent to promote uniform expansion of fractures produced by fracturing in horizontal wells
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
CN111322050B (zh) 一种页岩水平井段内密切割暂堵压裂施工优化方法
Lian et al. A study on casing deformation failure during multi-stage hydraulic fracturing for the stimulated reservoir volume of horizontal shale wells
CN112836446B (zh) 一种致密储层水平井分簇限流布孔优化设计方法
CN113850029B (zh) 一种页岩气水平井密切割压裂射孔参数优化设计方法
CN109992864A (zh) 非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法
CN112949129B (zh) 一种深层页岩水平井压裂多簇裂缝异步起裂延伸计算方法
Guo et al. Numerical simulation study on fracture propagation of zipper and synchronous fracturing in hydrogen energy development
CN113076676B (zh) 非常规油气藏水平井压裂缝网扩展与生产动态耦合方法
CN115618759A (zh) 页岩气地层压裂施工参数优化方法
CN112878977B (zh) 一种致密储层水平井多簇压裂射孔簇间距优化方法
CN116401897B (zh) 一种基于近似解和能量方程的半解析裂缝扩展模拟方法
CN111125905B (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
Yang et al. Numerical investigation of the fracture network morphology in multi-cluster hydraulic fracturing of horizontal wells: A DDM-FVM study
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
CN104847314A (zh) 高温高压油气直井单相流射孔完井参数优化方法
CN114372428B (zh) 砂砾岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸跨尺度模拟方法
CN114239308B (zh) 一种多尺度高密度压裂参数优化方法
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
CN109800523B (zh) 一种水力压裂暂堵条件下非正交天然裂缝开启判定方法
CN112100890B (zh) 一种压裂水平缝起裂扩展全三维数学模型的计算方法
CN117010223A (zh) 深层页岩水平井分段多簇压裂优化设计方法
CN115099092B (zh) 基于三维建模的尾矿库渗流计算方法
CN113987965B (zh) 一种暂堵转向裂缝的预测方法及装置

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