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技术

本发明专利技术公开了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，涉及油气增产改造领域。本方法包括：(1)收集地层参数、施工参数与完井参数；(2)建立单元编号规则以及单元连接矩阵；(3)建立裂缝扩展岩石变形与缝内压力计算模型；(4)建立压裂多裂缝扩展步长模型；(5)建立水力裂缝与天然裂缝相互作用模型；(6)综合(2)～(5)建立水平井密切割压裂多裂缝延伸模型；(7)将(1)中参数代入(6)中模型，模拟不同参数条件下的裂缝延伸轨迹并优化压裂设计参数。本发明专利技术可预测裂缝分叉、交汇等复杂扩展行为，解决复杂裂缝单元编号问题，对垂向裂缝缝宽进行修正，实现密切割压裂多裂缝扩展轨迹准确模拟与设计参数优化。准确模拟与设计参数优化。准确模拟与设计参数优化。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及油气储层增产改造领域，具体而言，涉及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。

技术介绍

[0002]水平井分段多簇压裂是油气开采领域的重要增产技术，同时也是非常规油气资源实现工业化开采的关键。为充分“打碎”储层并释放产能，水平井密切割压裂工艺逐渐兴起。基于常规水平井分段多簇压裂工艺原理，水平井密切割工艺极大缩减了裂缝簇间距，增大单段内的裂缝密度，减小油气在储层中的渗流距离，能有效解决常规水平井分段多簇压裂因簇间距过大导致裂缝间储层未能充分动用以及高水平应力差下难以形成复杂缝网等问题。在进行水平井密切割压裂施工方案设计时，施工参数与完井参数的合理性将影响水力裂缝的有效延伸，进而对储层增产改造效果产生影响。现有研究表明，簇间距、施工排量对水平井密切割压裂裂缝延伸具有重要影响，且在段内多裂缝延伸过程中存在明显的缝间应力干扰作用，当储层中发育有天然裂缝时，水力裂缝会在天然裂缝作用下发生分叉与交汇等复杂扩展行为，使得压裂液的流动情况变得复杂。为促进水平井密切割压裂多裂缝有效扩展，需要对簇间距、施工排量等参数进行优化设计。目前压裂参数优化设计多通过数值模拟方式完成，但多数现有技术未有效解决天然裂缝影响、缝间应力干扰、裂缝分叉与交汇、复杂流量分配、压裂液复合滤失等问题，将水力裂缝中的压裂液流动简化为光滑平板间的流动，忽略缝高方向缝宽变化，因此无法准确预测水平井密切割压裂裂缝扩展轨迹并合理优化压裂设计参数。

技术实现思路

[0003]针对目前技术中存在的不足，本专利技术提出了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，克服了现有技术中的不足之处，实现对水平井密切割压裂裂缝扩展轨迹预测与施工参数优化。
[0004]本专利技术实施例提供的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，包括：(1)收集地层参数、施工参数与完井参数；(2)建立单元编号规则以及单元连接矩阵；(3)建立裂缝扩展岩石变形与缝内压力计算模型；(4)建立压裂多裂缝扩展步长模型；(5)建立水力裂缝与天然裂缝相互作用模型；(6)综合(2)～(5)建立水平井密切割压裂多裂缝延伸模型；(7)将(1)中参数代入(6)中模型，模拟不同参数条件下的裂缝延伸轨迹并优化压裂设计参数。
[0005]与现有技术相比，本专利技术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，综合应用边界元法、有限体积法、流体力学、弹性力学、断裂力学、岩石力学等多学科知识，建立了水平井密切割压裂多裂缝延伸拟三维流固全耦合模型，充分考虑天然裂缝影响、缝间应力干扰、裂缝分叉与交汇、复杂流量分配以及压裂液复合滤失，并对缝长与缝高扩展步长以及缝高方向的缝宽进行修正，利所建立的裂水平井密切割压裂多裂缝延伸模型可准
确预测裂缝扩展轨迹并计算裂缝几何参数，通过对比分析不同压裂设计参数对裂缝延伸轨迹与几何参数的影响，进而优化压裂设计参数。本专利技术可解决现有技术实施时，无法有效解决考虑天然裂缝影响、缝间应力干扰、裂缝分叉与交汇、复杂流量分配、压裂液复合滤失等问题，实现水平井密切割压裂过程中裂缝扩展轨迹准确预测，并对压裂设计参数进行优化，促进各簇裂缝有效延伸并改善裂缝几何参数，实现油气储层的充分改造，增大单井产量。
[0006]根据专利技术的内容说明，下面结合国内某页岩气井水平井密切割压裂施工设计对本专利技术做进一步的详细说明，但不构成对专利技术的任何限制，作详细说明如下。
附图说明
[0007]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0008]图1拟三维水力裂缝单元离散示意图
[0009]图2缝长单元编号与连接示意图
[0010]图3缝高单元编号与连接示意图
[0011]图4尖端缝长单元单元交汇示意图
[0012]图5尖端缝长单元单元与非尖端缝长单元交汇示意图
[0013]图6沿缝高方向缝宽修正示意图
[0014]图7水力裂缝与天然裂缝相交结果示意图
[0015]图8水平井密切割压裂裂缝扩展预测与设计参数优化方法流程图
[0016]图9方案一裂缝延伸轨迹及缝宽分布图
[0017]图10方案二裂缝延伸轨迹及缝宽分布图
[0018]图11方案三裂缝延伸轨迹及缝宽分布图
[0019]图12不同方案每一条水力裂缝缝长对比图
具体实施方式
[0020]下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并仅表示本专利技术的选定实施例。
[0021]步骤S01，收集压裂施工设计所需的地层参数、施工参数与完井参数。
[0022]具体的，地层参数与施工参数包括：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、储层平均厚度、储层基质滤失系数、储层与盖层应力差、储层与底层应力差、储层应力梯度、天然裂缝平均缝长、天然裂缝走向角、天然裂缝面密度、天然裂缝抗剪切强度、天然裂缝初始开度、天然裂缝壁面摩擦系数、天然裂缝孔隙度、天然裂缝压缩系数、射孔数目、射孔直径、射孔簇簇数、簇间距、水平段井筒直径、施工排量、施工规模、压裂液粘度、压裂液密度。
[0023]本实施例中，所述步骤S01中的参数如表1所示，参数优化设计如表2所示。
[0024]表1实施例所用参数
[0025]参数数值单位水平最大主应力78.6MPa
水平最小主应力71.2MPa储层岩石杨氏模量40.25GPa储层岩石泊松比0.23
‑
储层岩石断裂韧性2.5MPa.m储层岩石抗拉强度7.0MPa储层平均厚度28.6m储层基质滤失系数1.74
×
10
‑4m/min
0.5
储层与盖层应力差3.0MPa储层与底层应力差3.5MPa储层应力梯度0.025MPa/m射孔数目16孔/簇射孔直径8.9mm射孔簇簇数8簇簇间距8m水平段井筒直径114.3mm施工排量14m3/min施工规模350m3压裂液粘度1mPa.s压裂液密度1050kg/m3[0026]表2施工参数优化表
[0027]优化参数方案一方案二方案三施工排量14m3/min16m3/min16m3/min簇间距8m8m10m压裂液粘度1mPa.s10mPa.s10mPa.s
[0028]步骤S02，生成储层中的天然裂缝。
[0029]具体的，根据模拟区域的平面面积A与天然ρ
nf
裂缝密度计算得到天然裂缝的条数，然后通过连续均匀随机分布模型计算每一条天然裂缝的中点坐标(x
mid
，y
mid
)，利用天然裂缝缝长并结合正态分布随机模型生成天然裂缝长度矩阵L
nf
，基于Fisher分布模型与天然裂缝走向角得到天然裂缝的方位分布矩阵θ
nf
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平井密切割压裂裂缝扩展预测与设计参数优化方法，其特征在于，包括：(1)收集地层参数、施工参数与完井参数；(2)建立单元编号规则以及单元连接矩阵；(3)建立裂缝扩展岩石变形与缝内压力计算模型；(4)建立压裂多裂缝扩展步长模型；(5)建立水力裂缝与天然裂缝相互作用模型；(6)综合(2)～(5)建立水平井密切割压裂多裂缝延伸模型；(7)将(1)中参数代入(6)中模型，模拟不同参数条件下的裂缝延伸轨迹并优化压裂设计参数。2.根据权利要求1所述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，其特征在于，所述收集地层参数、施工参数与完井参数包括：(1)地层参数：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、储层平均厚度、储层基质滤失系数、储层与盖层应力差、储层与底层应力差、储层应力梯度、天然裂缝平均缝长、天然裂缝走向角、天然裂缝面密度、天然裂缝抗剪切强度、天然裂缝初始开度、天然裂缝壁面摩擦系数；(2)施工参数：施工排量、施工规模、压裂液粘度、压裂液密度；(3)完井参数：射孔数目、射孔直径、射孔簇簇数、簇间距、水平段井筒直径。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述建立单元编号规则以及单元连接矩阵包括：为增强方法模拟复杂裂缝扩展的灵活性，缝长裂缝单元标号采用无序编号，缝高裂缝单元采用从裂缝高度的顶端至低端顺序编号，每一个裂缝单元具有左右两个端点，每一个端点具有确定的x、y、z三个方向坐标值，通过判断判断两个裂缝单元是否具有相同的端点坐标确定是否为相邻的单元，其中裂缝单元坐标矩阵为ELE
i
＝[x
i
‑
1/2 x
i+1/2 y
i
‑
1/2 y
i+1/2 z
i
‑
1/2 z
i+1/2
]缝长单元的连接矩阵为缝高单元的连接矩阵为
式中，ELE
i
为裂缝单元i的坐标矩阵；x
i+1/2
与x
i
‑
1/2
为裂缝单元i的端点x坐标；y
i+1/2
与y
i
‑
1/2
为裂缝单元i的端点y坐标；y
i+1/2
与y
i
‑
1/2
为裂缝单元i的端点z坐标；CON1为缝长单元的连接矩阵；n为缝长单元总数；e
im
为第i个缝长单元的第m个相邻缝长单元序号，若值为0表示无第m个相邻缝长单元；CON2为缝高单元的连接存储矩阵；E
im
表示第i个缝长单元对应缝高方向的第m个缝高单元。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述建立裂缝扩展岩石变形与缝内压力计算模型包括：(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为(1)缝长单元i在储层中产生的诱导应力场为式中，为缝长单元i产生的诱导应力场分量；为缝长单元i产生的诱导应力场分量；为缝长单元i的切向与法向位移不连续量；β
i
为缝长单元i所在的局部坐标系相对于全局坐标系的转角，规定逆时针方向为正；G为储层岩石杨氏模量；v为储层岩石泊松比；a为裂缝单元半长；为局部坐标系下裂缝单元中点坐标；(x，y)为全局坐标系下裂缝单元中点坐标。
(2)应力与缝长单元位移不连续量的关系为(2)应力与缝长单元位移不连续量的关系为(3)沿缝高方向的缝高单元缝宽计算公式为(3)沿缝高方向的缝高单元缝宽计算公式为(3)沿缝高方向的缝高单元缝宽计算公式为(3)沿缝高方向的缝高单元缝宽计算公式为
w
height
(z)＝w1(z)
‑
w2(z)
‑
w3(z)+w4(z)
‑
w5(z)
‑
w6(z)式中，为缝长单元i的切向与法向应力；为缝长单元j的切向与法向位移不连续量，其中法向位移不连续量即缝宽；F
ij
为缝高修正系数；d
ij
为缝长单元i中点与缝长单元j中点之间的距离；H
res
为储层厚度；z为以缝长单元为原点的Z轴坐标值；z
d
为缝高方向裂缝中心偏移值；H为半裂缝高度；h为半储层厚度；E为储层岩石杨氏模量；w
center
为
缝长单元的法向位移不连续量；g
v
为压裂液沿缝高流动的摩阻产生应力梯度；g
ρ
为压裂液重力产生的应力梯度；g
s
为储层应力梯度；σ
up
为储层与盖层的应力差；σ
low
为储层与底隔层的应力差；w
height
为沿缝高方向的缝宽。(4)裂缝垂向缝宽修正模型为式中，为等效平板宽度，出现于有限体积法离散质量平衡方程中；H
ele
为缝长单元对应裂缝顶端到裂缝底端之间的高度；n为离散缝高单元的数目；w
i
与b
i
分别为第i个缝高单元的缝宽与长度。(5)水平井压裂流场模型为压裂液在射孔孔眼处流动的孔眼摩阻计算公式压裂液在水力裂缝中流动压降计算公式压裂液向储层基质滤失速率计算公式压裂液向天然裂缝中滤失计算公式压裂液向天然裂缝中滤失计算公式压裂过程中压裂液的质量平衡方程q
leak
＝q
matrix
+q
nf
使用有限体积法离散质量平衡方程
式中，p
p,i
为第i簇射孔孔眼摩阻；q
i
为流经第i簇射孔孔眼的压裂液流量；ρ为压裂液的密度；n
p
为射孔孔眼数目；d
p
为射孔孔眼直径；C为射孔孔眼流量系数；p
f
为缝长单元内的流体压力；s缝长单元长度；w
i
为缝长单元i的宽度；h
frac
为对应缝长单元的缝高；μ为压裂液粘度；q
leak
为压裂液向基质中的滤失速率；C
leak
为压裂液在储层基质中的滤失系数；t为当前时间；τ为缝长单元开启时间；q
inj
为注入单元的注入速率；q
matrix
为压裂液在储层基质中的滤失速率；q
nf
为压裂液向天然向天然裂缝中滤失的速率；Δt为时间步长；l为缝长单元的长度；p
nf
为天然裂缝内的流体压力；φ
nf
为天然裂缝孔隙度；C
nf
为天然裂缝压缩系数；w0为天然裂缝初始开度；x为为长度；t为时间；p0为天然裂缝内初...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兆中，杨长鑫，易良平，李小刚，张景强，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：