一种致密储层压裂改造体积区的计算方法技术

本发明专利技术公开一种致密储层压裂改造体积区的计算方法，包括以下步骤：建立致密储层水平井压裂过程中的多条水力裂缝非平面转向延伸模型、地层应力场变化模型、储层压力场变化模型、天然裂缝破坏准则，获取地质参数、水平井压裂施工参数、总压裂时间，赋裂缝滤失量初值、裂缝半长初值、缝内压力初值、初始裂缝延伸转向角、初始渗透率、压裂时间初值，求解各个模型，计算得到的天然裂缝破坏点坐标数据；利用空间数值积分方法，分别计算储层内张性破坏改造区体积和剪切破坏改造区体积，将两者的空间并集定为总体改造体积区。该方法可实现致密储层水平井压裂评价的准确化、经济化、快速化，解决现有致密储层水平井压裂改造体积区计算过程费力费钱费时。

【技术实现步骤摘要】
一种致密储层压裂改造体积区的计算方法
本专利技术属于致密油气储层开发领域，尤其是涉及一种致密储层压裂改造体积区的计算方法。
技术介绍
致密油气储层孔隙度较小，通常小于10％；基质渗透性极低，通常小于1mD，非常不利于油气流动运移，若不采取增产措施，几乎不具备商业开发价值。但是，致密油气储层通常发育有大量的天然裂缝。尽管在原始地层条件下，这些天然裂缝处于未激活的闭合状态，但可通过钻设水平井，采用大液量大排量实施分段分簇压裂增产。随着多条水力裂缝的延伸以及压裂液向地层中的大量滤失，使得地下大量天然裂缝发生破坏，相互交织后被激活为裂缝网络，使储层表观渗透率显著提高，气井产量随之大幅增加。此片渗透率上升的区域即可视为压裂改造体积区，矿场数据表明，压裂改造体积区与压裂井产量有非常显著的正相关关系，直接关系到致密油气储层的开发效果，是油气开发商关注的重点。因此，如何准确、快速、高效、经济地获得压裂改造区的体积及其空间展布形态，对于压前设计、压裂实施和压后评价等环节都是至关重要的。目前，国内致密油气储层实施水平井压裂作业时，通常会利用各种监测技术对压裂改造体积区进行评估。包括微地震成像技术、倾斜仪测量技术和电磁感应成像技术等。其中，微地震成像技术主要监测储层发生剪切破坏时释放出能量波，通过反演得出压裂改造体积区展布形态，结果可靠，现场应用最多；倾斜仪测量技术通过记录地表的倾斜数据，推算出压裂改造区的形态与体积，作业周期短，但结果精度不足，现场应用有限；电磁感应成像技术利用导电化处理后的支撑剂，对支撑剂的地下分布进行成像，是目前唯一能够得到压裂改造“有效支撑”体积区的监测方法，该技术尚处于初期研发阶段，现场应用不足。上述各类监测技术应用成本较高，且都是在压裂时或压裂后进行，不能用于压裂设计优化。因此，应用成本较低的压裂改造体积区数值模拟技术已成为致密储层压裂设计的研究重点之一。致密储层水力压裂改造体积区数值模拟技术研究重点主要集中于两个方面：水力裂缝延伸和裂缝网络扩展。针对常规储层压裂时的裂缝延伸模拟研究，Nordgren(1972)提出了经典二维PKN模型，PalmerandCarroll(1983)提出了经典拟三维模型，Clifton(1979)提出了经典全三维模型。这些经典模型主要模拟的是双翼对称平面单一裂缝，然而，致密油气储层通常采用水平井分段分簇压裂，压裂过程中多条裂缝同时延伸，相互干扰，会导致裂缝长度受限、延伸方向改变。针对此类情况，SiriwardaneandLayne(1991)建立了多条裂缝同时延伸的简化模型；Guoetal(2015)建立了多裂缝延伸有限元模型，考虑了由应力干扰引起的缝长受限；Wu(2015)、Zhou(2015,2016)、Sobhaniaragh(2016)等人建立了多裂缝非平面延伸模型，考虑了由应力干扰引起的裂缝转向。致密储层压裂过程中，随着水力裂缝的延伸，不断沟通并激活附近的天然裂缝，形成裂缝网络并持续扩展。该过程涉及水力裂缝和天然裂缝的相交延伸行为，Mayer(2011)通过在储层中预设正交天然裂缝，建立了正交缝网拟三维延伸模型，并嵌入商业软件实现应用；McClure(2013)、Eftekhari(2014)等人通过在储层中预设随机天然裂缝，建立了随机缝网二维延伸模型；Rogers(2010)、Huang(2014)、Wu(2012)等人建立了随机缝网拟三维延伸模型；McLennan(2010)、Gil(2011)、Weng(2011)、Kresse(2011)等人建立了随机缝网三维延伸模型。此外，裂缝网络被激活形成压裂改造体积区的过程本质是天然裂缝群发生破坏(张性破坏和剪切破坏)，Ge(2012)、Maulianda(2014)、Wang(2016)等人通过模拟储层破坏表征了缝网扩展形成的压裂改造体积区。另外，还有其他一些计算或模型缝网扩展的方法，如人工智能算法等，但相关研究有限。对于致密储层水平井分段分簇压裂来说，尽管多裂缝非平面延伸模型和裂缝网络三维延伸模型与压裂改造体积区实际形成过程更为吻合，但裂缝网络三维延伸模型涉及天然裂缝单元数量庞大，导致计算量巨大，内存占用大，运算耗时长(数小时～数天)，不便于实际应用。相比之下，储层破坏模型将离散天然裂缝等效处理为连续的各向异性介质，计算量小，效率高，也具备较高的可靠度，适合用于水力压裂设计优化。因此，对致密储层水平井压裂改造体积区进行数值计算和形态表征非常有必要，面对目前各类已有方法的局限性，需要探索一种能够快速、准确、经济的致密储层压裂改造体积区的计算方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种解决了现有致密储层压裂时对改造区体积计算过程费时费力费钱且导致压裂改造区体积评价不能广泛推广应用的致密储层水平井压裂改造体积计算方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种致密储层压裂改造体积区的计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)运用裂缝扩展理论建立致密储层水平井压裂过程中的多条水力裂缝非平面转向延伸模型，所述水力裂缝非平面转向延伸模型包括单条裂缝内物质平衡方程、缝内流体流动方程、闭合应力方程、边界条件、多裂缝流量分配方程；(2)运用岩石力学理论建立水力压裂时的地层应力场变化模型，所述地层应力场变化模型包括地层应力-应变平衡方程组、裂缝转向方程、边界条件、地层诱导应力方程、全局-局部坐标转换方程、地层应力场叠加方程；(3)运用渗流力学理论建立水力压裂时的储层压力场变化模型，所述储层压力场变化模型包括储层单相流连续性方程、边界条件、初始条件、渗透率方程、裂缝滤失量方程；(4)运用裂缝破坏理论建立水力压裂时的天然裂缝破坏准则，所述天然裂缝破坏准则包括天然裂缝的单位法线向量方程、裂缝壁面受力方程、天然裂缝破坏状态判别方程；(5)获取致密储层地质参数、水平井压裂施工参数和总压裂时间；(6)利用牛顿迭代法求解多裂缝流量分配非线性方程组，计算出各条水力裂缝总流量qi；(7)赋裂缝滤失量初值、裂缝半长初值、缝内压力初值、初始裂缝延伸转向角、初始渗透率、压裂时间初值，其中初始裂缝延伸转向角为零，初始渗透率为基质渗透率,其中压裂时间初值小于或等于总压裂时间；(8)根据初始裂缝延伸转向角，求解结合闭合应力方程，获取裂缝闭合应力σc；(9)将缝内压力初值和裂缝闭合应力σc代入地层应力场变化模型中的边界条件，获取裂缝任意单元在在局部坐标系内所受切应力(σt)i和正应力(σn)i；(10)将当前所有水力裂缝离散为N个单元，利用全局-局部坐标转换方程针对每个离散单元分别建立局部坐标，计算出局部坐标值；(11)将裂缝任意单元在局部坐标系内所受切应力(σt)i和正应力(σn)i代入地层应力场变化模型中的地层应力-应变平衡方程组内，采用复合共轭梯度法求解，获取裂缝任意单元在局部坐标系内的法向应变即为裂缝宽度wf；(12)通过上述得到的法向应变结合水力裂缝非平面转向延伸模型中的边界条件式，采用隐式有限差分法对单条裂缝内物质平衡方程求解，获取缝内流量q；(13)上述得到的缝内流量q结合水力裂缝非平面转向延伸模型中的边界条件式，采用隐式有限差分法对缝内流体流动方程求解，获取缝内压力pf；(14)将缝内压力初值与上述步骤获取到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致密储层压裂改造体积区的计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)运用裂缝扩展理论建立致密储层水平井压裂过程中的多条水力裂缝非平面转向延伸模型，所述水力裂缝非平面转向延伸模型包括单条裂缝内物质平衡方程、缝内流体流动方程、闭合应力方程、边界条件、多裂缝流量分配方程；(2)运用岩石力学理论建立水力压裂时的地层应力场变化模型，所述地层应力场变化模型包括地层应力‑应变平衡方程组、裂缝转向方程、边界条件、地层诱导应力方程、全局‑局部坐标转换方程、地层应力场叠加方程；(3)运用渗流力学理论建立水力压裂时的储层压力场变化模型，所述储层压力场变化模型包括储层单相流连续性方程、边界条件、初始条件、渗透率方程、裂缝滤失量方程；(4)运用裂缝破坏理论建立水力压裂时的天然裂缝破坏准则，所述天然裂缝破坏准则包括天然裂缝的单位法线向量方程、裂缝壁面受力方程、天然裂缝破坏状态判别方程；(5)获取致密储层地质参数、水平井压裂施工参数和总压裂时间；(6)利用牛顿迭代法求解多裂缝流量分配非线性方程组，计算出各条水力裂缝总流量q

【技术特征摘要】
1.一种致密储层压裂改造体积区的计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)运用裂缝扩展理论建立致密储层水平井压裂过程中的多条水力裂缝非平面转向延伸模型，所述水力裂缝非平面转向延伸模型包括单条裂缝内物质平衡方程、缝内流体流动方程、闭合应力方程、边界条件、多裂缝流量分配方程；(2)运用岩石力学理论建立水力压裂时的地层应力场变化模型，所述地层应力场变化模型包括地层应力-应变平衡方程组、裂缝转向方程、边界条件、地层诱导应力方程、全局-局部坐标转换方程、地层应力场叠加方程；(3)运用渗流力学理论建立水力压裂时的储层压力场变化模型，所述储层压力场变化模型包括储层单相流连续性方程、边界条件、初始条件、渗透率方程、裂缝滤失量方程；(4)运用裂缝破坏理论建立水力压裂时的天然裂缝破坏准则，所述天然裂缝破坏准则包括天然裂缝的单位法线向量方程、裂缝壁面受力方程、天然裂缝破坏状态判别方程；(5)获取致密储层地质参数、水平井压裂施工参数和总压裂时间；(6)利用牛顿迭代法求解多裂缝流量分配非线性方程组，计算出各条水力裂缝总流量qi；(7)赋裂缝滤失量初值、裂缝半长初值、缝内压力初值、初始裂缝延伸转向角、初始渗透率、压裂时间初值，其中初始裂缝延伸转向角为零，初始渗透率为基质渗透率,其中压裂时间初值小于或等于总压裂时间；(8)根据初始裂缝延伸转向角，求解结合闭合应力方程，获取裂缝闭合应力σc；(9)将缝内压力初值和裂缝闭合应力σc代入地层应力场变化模型中的边界条件，获取裂缝任意单元在在局部坐标系内所受切应力(σt)i和正应力(σn)i；(10)将当前所有水力裂缝离散为N个单元，利用全局-局部坐标转换方程针对每个离散单元分别建立局部坐标，计算出局部坐标值；(11)将裂缝任意单元在局部坐标系内所受切应力(σt)i和正应力(σn)i代入地层应力场变化模型中的地层应力-应变平衡方程组内，采用复合共轭梯度法求解，获取裂缝任意单元在局部坐标系内的法向应变即为裂缝宽度wf；(12)通过上述得到的法向应变结合水力裂缝非平面转向延伸模型中的边界条件式，采用隐式有限差分法对单条裂缝内物质平衡方程求解，获取缝内流量q；(13)上述得到的缝内流量q结合水力裂缝非平面转向延伸模型中的边界条件式，采用隐式有限差分法对缝内流体流动方程求解，获取缝内压力pf；(14)将缝内压力初值与上述步骤获取到的缝内压力pf进行比较，若两者误差大于千分之一，则将获取到的缝内压力pf替代步骤(7)中的缝内压力初值，再重复步骤(8)～(14)，直至误差小于千分之一，再进行下一步；(15)再将步骤(6)获取的该条水力裂缝总流量qi与步骤(12)获取的缝内流量q进行比较，若q|s＝0与qi两者误差大于千分之一,则改变步骤(7)中裂缝半长初值,再重复步骤(7)～(15)，直至误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：任岚，林然，赵金洲，吴雷泽，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51