一种基于地面包覆打靶实验的储层真实穿深快速评价方法与流程

1.本发明涉及石油与地热钻井完井技术领域，尤其是一种基于地面包覆打靶实验和有限元模拟的储层真实射孔穿深快速评价方法。


背景技术：

2.射孔完井是目前国内外油气井或地热井开采较为常用的完井技术手段之一。所谓射孔作业，即在固井作业完成后将射孔装置下到井中某一层段，然后利用射孔弹射穿套管及水泥环，在岩体内打开预定密度和直径的孔道，建立油气储层与井筒之间的连通渠道，以促使储层流体进入井筒的工艺过程。射孔作业是整个油气田勘探开发的重要环节，其效果直接影响到油气井的产能。
3.射孔完井作业从射孔方式、射孔器材、射孔工艺和射孔参数的选择到具体工程的实施过程中要涉及孔深、孔密、相位、孔径、污染深度、污染程度、压实厚度以及压实程度等诸多因素，各因素之间相互制约，共同影响着射孔效果和射孔产能比。其中，射孔穿深是射孔效果综合评价的关键性指标，直接关系到油气井的产能效果。射孔穿深是指射孔孔道的长度，主要由射孔弹结构类型、弹药量和储层岩石的物理力学性质及其所受地层压力决定，此外，固井质量、套管强度和水泥环厚度等工程参数也对穿深有较大的影响。实际工程应用中，不同射孔完井工艺方法和储层岩石物性对射孔穿深的要求不同，其深度一般在146～813mm的范围内。如何确定真实储层条件下的射孔穿深、掌握穿透一般规律是射孔完井工程至关重要的环节，也是一直困扰射孔作业设计人员和工程人员的难题。
4.对油气井射孔穿深的评价，国内外学者主要通过室内物理实验和数值模拟两种方法进行研究。其中，室内物理实验主要是指地面射孔器打靶试验，通常采用的是混凝土靶或者贝雷砂岩靶(bereatarget)，根据api标准预制一定抗压强度、孔隙度和渗透率的靶岩，然后用射孔枪进行一定组数的打靶测试，即可得到射孔弹在不同岩石物性参数下的穿透深度。这种地面实验具有现象直观、数据可靠等优点，但其缺点也非常明显，周期长、成本高且难以进行或控制靶样的围压施加过程。相比于直观的地面实验，数值模拟可以真实反映储层岩石力学性质，极大限度地简化流程和降低实验成本，但是因为射孔作业影响参数多且涉及物理场较为复杂，导致数值模拟计算规模大，通常无法在短时间内计算得到特定射孔装置在目标地层中的射孔深度，难以为现场射孔弹快速优选提供支撑。
5.现有技术的不足和缺陷为：(1)地面射孔实验难以对靶样施加围压，控制围压加载的过程较为繁琐；(2)数值模拟评价射孔穿深计算规模大，难以为现场射孔弹快速优选提供支撑。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对技术中射孔穿深评价方法存在的上述不足，提供一种基于地面包覆打靶实验的储层真实穿深快速评价方法。该方法以有限元仿真为桥梁，建立地面包覆打靶实验中射孔穿深与真实储层环境下射孔穿深的对应关系，从而可以直接通过地面实
验快速评价井下射孔穿深程度，省去地面控制靶样加载围压的繁琐步骤，提高评价效率。
7.本发明提供的基于地面包覆打靶实验的储层真实穿深快速评价方法，步骤如下：
8.s1、根据井下某一区域已完成射孔作业的储层岩石物理力学性质，选择性质相接近的地面露头制作圆柱体靶样。
9.所述圆柱体靶样的直径与高度比值为1:2。
10.s2、根据所选区域储层岩石的真实射孔穿深和射孔直径，直接采用井下射孔器进行地面打靶实验或者配置能达到等效射孔效果的射孔器各组件，并进行组装。
11.s3、采用制备完成的靶样与已装填好炸药和药型罩的射孔器、套管钢板、水泥板和包覆套进行装配，形成符合射孔试验要求的侵彻装置。然后进行射孔侵彻试验。
12.s4、根据靶样的宏观物理力学参数，利用有限元软件建立等比例的三维靶样有限元模型，并对模型相关有限元参数进行校正。
13.所述宏观物理力学参数包括孔隙度、渗透率、抗压强度、抗拉强度等。
14.模型相关有限元参数校正方法：利用有限元软件对常规岩石力学实验(如单轴压缩、巴西劈裂等)进行仿真模拟，通过修改模型的密度、弹性模量、泊松比、摩擦角、断裂应变等有限元参数，使模型的仿真力学参数与所述靶样的宏观物理力学参数相对应。
15.s5、在三维靶样有限元模型的基础上，添加射孔装置其余构成部件(套管钢板、水泥板、包覆套)以建立三维射孔侵彻动态冲击分析模型。
16.s6、根据地面射孔侵彻试验获得的射孔穿深和射孔孔径相关数据，利用有限元软件进行三维射孔侵彻模型的动态冲击仿真实验，根据仿真结果调整模型中射孔器部分的有限元热物性参数，以使仿真得到的模拟射孔穿深和射孔孔径等结果与地面实验结果一致。
17.射孔器的有限元热物性参数包括线性膨胀系数、热导率和比热容。
18.s7、根据所选区域某一深度下储层岩石受到的地层压力，赋予所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型以一定的地层围压值，并校正该有限元参数，使仿真结果与对应储层环境下真实射孔结果一致。具体方法如下：
19.在步骤s6的基础上对所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型施加环向围压，并重新进行射孔侵彻仿真实验，将仿真获得的模拟射孔结果与对应储层环境下真实射孔结果相对比，反复调整模型围压的施加条件以使仿真结果与真实射孔结果相对应。
20.s8、利用校正后的三维射孔侵彻动态冲击分析模型，结合所选区域储层不同深度(即不同地层围压)下的射孔穿深数据，开展不同地层围压值的射孔侵彻动态冲击模拟研究。
21.s9、根据地面包覆打靶实验结果和有限元数值模拟结果，通过数据拟合建立井下储层真实射孔穿透深度与地面包覆打靶穿透深度之间的对应关系式如下：
22.d
r
＝f(d
s
,c)
23.式中，d
r
为储层真实射孔穿透深度，d
s
为地面包覆打靶穿透深度，c为地层围压。
24.上述方法中有限元分析软件可以采用abaqus、ansys、ls
‑
dyna等。
25.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
26.本发明提出的基于地面包覆打靶实验和有限元模拟的储层真实射孔穿深快速评价方法，通过地面包覆打靶实验和有限元模拟建立了一套井下真实射孔穿深与地面包覆靶样射孔穿深之间的对应关系，可直接通过地面打靶实验快速评价不同储层围压下的真实射
孔穿深，为油气井射孔完井工程确定井下射孔穿深、预测产能比提供了简便高效的条件，省去地面控制靶样加载围压的繁琐步骤，提高评价效率，具有重要的实际应用价值。
27.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
28.图1是本发明的包覆打靶实验装置结构示意图。
29.图2是本发明的射孔器结构示意图。
30.图3是本发明的储层真实穿深与地面包覆打靶穿深的关系图。
31.图1和图2中各标号分别表示：1
‑
射孔器，101
‑
传爆管和导爆索，102
‑
连接杆，103
‑
壳体，104
‑
炸药，105
‑
药型罩，106
‑
外罩，107
‑
枪身，2
‑
套管钢板，3
‑
水泥板，4
‑
靶样，5
‑
包覆套；
32.图3中各符号分别表示：d
r
‑
储层真实射孔穿透深度，d
s
‑
地面包覆打靶穿透深度，c
‑
地层围压，c1、c2、c3‑
不同地层围压，其中，0<c1<c2<c3，c＝0时，储层真实射孔穿透深度等于地面包覆打靶穿透深度。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
34.如图1所示，本发明的方法中使用的地面包覆打靶实验装置包括射孔器1、套管钢板2、水泥板3、靶样4、包覆套5。套管钢板和水泥板材料及性质与井下套管和水泥环一致。包覆套材料为高韧性铁皮。
35.本发明的基于地面包覆打靶实验的储层真实穿深快速评价方法，步骤如下：
36.s1、根据井下某一区域已完成射孔作业的储层岩石物理力学性质，选择性质相接近的地面露头制作圆柱体靶样4。
37.s2、根据所选区域储层岩石的真实射孔穿深和射孔直径，直接采用井下射孔器进行地面打靶实验或者配置能达到等效射孔效果的射孔器各组件，并进行组装。如图2所示，本实施例中使用的射孔器是聚能射孔弹，其结构包括外罩106、连接杆102、壳体103、炸药104、药型罩105、枪身107、传爆管和导爆索101等。
38.s3、采用制备完成的靶样4与已装填好炸药104和药型罩105的射孔器1、套管钢板2、水泥板3和包覆套5进行装配，形成符合射孔试验要求的侵彻装置(见图1)。然后引爆导爆索101，进行射孔侵彻试验。
39.s4、根据靶样4的宏观物理力学参数，利用有限元软件建立等比例的三维靶样有限元模型，并对模型相关有限元参数进行校正。
40.s5、在三维靶样有限元模型的基础上，添加射孔装置其余构成部件(套管钢板2、水泥板3和包覆套5)以建立三维射孔侵彻动态冲击分析模型。
41.s6、根据地面射孔侵彻试验获得的射孔穿深和射孔孔径相关数据，利用有限元软件进行三维射孔侵彻模型的动态冲击仿真实验，根据仿真结果调整模型中射孔器部分的有限元热物性参数，以使仿真得到的模拟射孔穿深和射孔孔径等结果与地面实验结果一致。
42.射孔器的有限元热物性参数包括线性膨胀系数、热导率和比热容。
43.s7、根据所选区域某一深度下储层岩石受到的地层压力，赋予所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型以一定的地层围压值，并校正该有限元参数，使仿真结果与对应储层环境下真实射孔结果一致。具体方法如下：
44.在步骤s6的基础上对所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型施加环向围压，并重新进行射孔侵彻仿真实验，将仿真获得的模拟射孔结果与对应储层环境下真实射孔结果相对比，反复调整模型围压的施加条件以使仿真结果与真实射孔结果相对应。
45.s8、利用校正后的三维射孔侵彻动态冲击分析模型，结合所选区域储层不同深度(即不同地层围压)下的射孔穿深数据，开展不同地层围压值的射孔侵彻动态冲击模拟研究。
46.s9、根据地面包覆打靶实验结果和有限元数值模拟结果，通过数据拟合建立井下储层真实射孔穿透深度与地面包覆打靶穿透深度之间的对应关系式如下：
47.d
r
＝f(d
s
,c)
48.式中，d
r
为储层真实射孔穿透深度，d
s
为地面包覆打靶穿透深度，c为地层围压。
49.最终得到如图3所示的储层真实穿深与地面包覆打靶穿深的关系图，图中：d
r
‑
储层真实射孔穿透深度，d
s
‑
地面包覆打靶穿透深度，c
‑
地层围压，c1、c2、c3‑
不同地层围压，其中，0<c1<c2<c3，c＝0时，储层真实射孔穿透深度等于地面包覆打靶穿透深度。
50.下面将通过具体实施例进行说明：
51.s1、根据已完成射孔作业的某井段储层岩石物理力学性质，选择性质相接近的地面露头制作圆柱体靶样。
52.本实施例所用靶样的物理力学性质为：孔隙度3.23％、渗透率0.07md、抗压强度135.7mpa、抗拉强度7.64mpa。靶样直径300mm，高度600mm。
53.s2、根据所选区域储层岩石的真实射孔穿深和射孔直径，直接采用井下射孔器进行地面打靶实验或者配置能达到等效射孔效果的射孔器各组件，并进行组装。
54.本实施例所用射孔器以该井段下的一组射孔作业数据：射孔穿深446mm、射孔直径9.7mm、地层围压10mpa为基准，采用89枪等孔径聚能射孔弹，配置llm
‑
105型高爆速超高温炸药，装药量35g，药型罩材料为钨合金，开口锥度60
°
。
55.s3、采用制备完成的靶样与已装填好炸药和药型罩的射孔器、套管钢板、水泥板和包覆套进行装配，形成符合射孔试验要求的侵彻装置。然后引爆导爆索，进行射孔侵彻试验。
56.地面射孔实验平均射孔深度为522mm，射孔直径为12.5mm。
57.s4、根据靶样的宏观物理力学参数，利用abaqus有限元软件建立等比例的三维靶样有限元模型，并对模型相关有限元参数进行校正。
58.通过单轴压缩和巴西劈裂仿真模拟，最终校正得到该三维靶样模型的微观抗压强度为136.4mpa、抗拉强度为7.73mpa，与其宏观强度基本一致。
59.s5、在三维靶样有限元模型的基础上，添加射孔装置其余构成部件(套管钢板、水泥板和包覆套)以建立三维射孔侵彻动态冲击分析模型。
60.s6、根据地面射孔侵彻试验获得的射孔穿深和射孔孔径相关数据，利用有限元软件进行三维射孔侵彻模型的动态冲击仿真实验，根据仿真结果调整模型中射孔器部分的有
限元热物性参数，以使仿真得到的模拟射孔穿深和射孔孔径等结果与地面实验结果一致。
61.通过反复校正射孔器的有限元热物性参数(线性膨胀系数、热导率和比热容)，最终得到模拟射孔穿深为525mm、射孔直径为12.3mm，与地面射孔实验结果基本一致。
62.s7、根据所选区域某一深度下储层岩石受到的地层压力，赋予所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型以一定的地层围压值，并校正该有限元参数，使仿真结果与对应储层环境下真实射孔结果一致。
63.在步骤s6的基础上对所述三维射孔侵彻动态冲击分析模型施加10mpa的环向围压，并重新进行射孔侵彻仿真实验，将仿真获得的模拟射孔结果与对应储层环境下真实射孔结果相对比，反复调整模型围压的施加条件，最终得到模拟射孔穿深为425mm，与该围压下的真实射孔穿深419mm相比只有1.1％的误差。
64.s8、利用校正后的三维射孔侵彻动态冲击分析模型，结合所选区域储层不同深度(即不同地层围压)下的射孔穿深数据，开展不同地层围压值的射孔侵彻动态冲击模拟研究。
65.取所选井段下三组射孔穿深结果：476mm(围压5mpa)、242mm(围压20mpa)、102mm(围压30mpa)，赋予模型相同的围压值得到模拟射孔穿深为：483mm(围压5mpa)、247mm(围压20mpa)、108mm(围压30mpa)。
66.s9、根据地面包覆打靶实验结果和有限元数值模拟结果，通过数据拟合可得到所选定向井井下700
‑
800米段的储层真实射孔穿透深度与地面包覆打靶穿透深度之间的对应关系式如下：
[0067][0068]
式中，d
r
为储层真实射孔穿透深度，c为地层围压。
[0069]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更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。