一种深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法与流程

1.本发明涉及一种深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法，属于页岩气开发技术领域。


背景技术：

2.深层页岩气水平井压裂具有射孔簇数多，簇间距小等特点，可在一定程度上扩大缝网体积，并提高压裂缝网复杂程度。但是，由于压裂时各条水力裂缝之间距离较近，延伸过程中存在显著的应力干扰效应，导致各条水力裂缝相互竞争，延伸速度快慢不一，延伸长度存在较大差异，严重影响深层页岩气水平井压裂增产效果。为此，深层页岩气水平井压裂时通常需要结合缝口转向工艺，即在压裂期间泵入暂堵球，利用暂堵球对延伸较快裂缝的射孔孔眼进行封堵，减小其缝口压裂液流入流量，减慢其延伸速度，最终实现各条裂缝均匀延伸的目的。
3.目前，国内外学者针对水平井缝口转向压裂开展了相关研究。龚蔚(2017)、丁邦春(2018)、夏海帮(2020)分别在高石梯-磨溪区块、苏里格气田、川南页岩气区块开展了水平井缝口转向压裂工艺的矿场应用，并结合测井、微地震监测等手段证实了一部分暂堵球可对射孔孔眼进行封堵；金智荣(2019)、吕瑞华(2020)、刘明明(2020)、韩慧芬(2021)建立了暂堵球在井筒内运移与坐封射孔孔眼数学模型，可对泵入暂堵球时的压裂排量进行优化设计；fengzhang(2020)、ming chen(2020)、周彤(2020)、陈钊(2021)将暂堵球运移坐封模型与页岩气缝网压裂裂缝延伸模型结合，定量分析了暂堵球数量、暂堵时机、暂堵次数对压裂效果的影响，进而形成了一套暂堵球参数优化方法。
4.综上所述，目前水平井缝口转向压裂相关研究主要集中于暂堵球封堵各簇射孔孔眼情况下的水力裂缝延伸模拟，可用于暂堵球数量、暂堵时机、暂堵次数、暂堵排量等参数进行优化设计，但均未考虑深层页岩气水平井缝口转向压裂过程中支撑剂持续对射孔冲蚀导致其孔眼直径逐渐变化的行为，因此不能确定暂堵时刻各簇射孔孔眼直径大小，从而无法优选粒径合适的暂堵球对射孔孔眼进行有效封堵，使得深层页岩气水平井缝口转向压裂设计和工艺优化仍然存在一定盲目性。
5.因此，亟需建立一种适用于深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法，将有助于进一步提高深层页岩气水平井缝口转向压裂设计的科学性和针对性，改善深层页岩气压裂增产效果。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种解决深层页岩气水平井缝口转向压裂过程中考虑各簇射孔孔眼直径动态变化的情况下，缺少暂堵球粒径定量优选手段问题的深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法。
7.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法，包括以下步骤：
8.步骤一、获取储层地质参数、压裂施工参数、射孔布簇参数、暂堵转向参数；
9.步骤二、运用流固耦合理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸模型，并计算各条水力裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝延伸开度以及裂缝缝内压力；
10.步骤三、运用流体力学理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球封堵射孔模型，计算水平井筒各簇射孔流量分配、暂堵球堵塞射孔概率、射孔簇暂堵球堵塞数量以及各簇射孔剩余的有效孔眼数量；
11.步骤四、运用摩擦力学理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂射孔孔眼动态磨蚀模型，计算各射孔孔眼流动速度与射孔孔眼直径；
12.步骤五、将步骤三中计算得到的水平井筒各簇射孔流量分配、各簇射孔剩余的有效孔眼数量和步骤四中计算的得到的射孔孔眼直径作为下一时步的初始条件；从而重复步骤二而至步骤四进行下一时步的计算，直到压裂时间结束并分别绘制深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸图、各簇射孔有效孔眼数量随时间变化图、各簇射孔孔眼直径随时间变化图；
13.步骤六、根据各簇射孔孔眼直径随时间变化图确定暂堵球粒径。
14.进一步的技术方案是，所述层地质参数包括地层最小水平主应力、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
15.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；
16.所述射孔布簇参数包括射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径；
17.所述暂堵转向参数包括暂堵球密度、泵入暂堵球总数量、泵入暂堵球时间、射孔转向流动系数。
18.进一步的技术方案是，所述深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸模型包括单条裂缝内流体流动方程、单条裂缝延伸物质平衡方程、裂缝高度方程、裂缝开度方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程。
19.进一步的技术方案是，所述单条裂缝内流体流动方程为：
[0020][0021]
式中：pi(s,t)—t时刻第i条裂缝内s位置处流体压力，pa；qi(s,t)—t时刻第i条裂缝内s位置处流量，m3/s；hi(s,t)—t时刻第i条裂缝s位置处高度，m；wi(s,t)—t时刻第i条裂缝s位置处开度，m；si—第i条裂缝长度方向坐标，m；μ—压裂液体粘度，pa
·
s；
[0022]
所述单条裂缝延伸物质平衡方程为：
[0023][0024]
其中：
[0025][0026]
式中：q
l,i
(s,t)—压裂液滤失速度，m/s；c
l
—压裂液滤失系数，m/s
0.5
；t—压裂时间，s；τi—第i条裂缝s位置开始滤失时间，s；
[0027]
所述裂缝高度方程为：
[0028][0029]
式中：k
ic
—地层岩石断裂韧性，pa
·m0.5
；σh—地层最小水平主应力，pa；
[0030]
所述裂缝开度方程为：
[0031][0032]
式中：ν—泊松比，无量纲；e—杨氏模量，pa；
[0033]
所述裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
[0034][0035]
式中：qi(t)—t时刻第i条裂缝缝口流量，m3/min；li(t)—t时刻第i条裂缝半长，m；q
t
—压裂排量，m3/min。
[0036]
进一步的技术方案是，所述深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球封堵射孔模型包括水平井筒各射孔簇流量分配方程、射孔簇内各孔眼流量分配方程、暂堵球堵塞射孔概率方程、射孔簇暂堵球堵塞数量方程。
[0037]
进一步的技术方案是，所述所述水平井筒各射孔簇流量分配方程为：
[0038][0039]
式中：p
heel
—水平井跟端压力，pa；p
fi,i
—第i条裂缝首个单元内压力，pa；δp
pf,i
—第i簇射孔孔眼处的摩阻压降，pa；δp
w,j
—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段沿程压降，pa；n
pf,i
—第i簇射孔孔眼数量，个；d
pf,i
—第i簇射孔孔眼直径，m；α
pf
—孔眼流量系数，一般取0.85，无量纲；ρ—压裂液密度，kg/m3；lw,j—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段长度，m；q
w,j
—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段内流量，m3/s；q
cl,i
—i号簇流量，即第i条裂缝缝口流量，m3/s；n
cl
—射孔簇数，个；dw—水平井筒直径，m。
[0040]
射孔簇内各孔眼流量分配方程：
[0041][0042]
式中：q
pf,j
|
j∈i
—i射孔簇内的j号射孔孔眼流量，m3/s；n
pf,j
—i号簇的射孔总数量，个；
[0043]
暂堵球堵塞射孔概率方程：
[0044][0045][0046]
式中：f
block,j
—j号射孔被暂堵球封堵概率，无量纲；ξ
divert,j
—j号射孔转向流动系数，表征暂堵球在射孔处转向的难易程度，取值0～1，无量纲；q
w,j
—j号射孔下游处水平井段内流量，m3/s；ρ
divert,
—暂堵球密度，kg/m3；ρ
fluid,
—压裂液密度，kg/m3；
[0047]
射孔簇暂堵球堵塞数量方程：
[0048][0049]
式中：m
divert,i
—水平井筒内i号簇位置处剩余的暂堵球数量，个；m
block,i
—i号簇被封堵的射孔数量，个；m
total
—泵入暂堵球总数量，个；m
effective,i
—i号簇位置处剩余的暂堵球数量，个。
[0050]
进一步的技术方案是，所述深层页岩气水平井缝口转向压裂射孔孔眼动态磨蚀模型包括射孔孔眼流动速度方程、射孔孔眼直径方程。
[0051]
进一步的技术方案是，所述射孔孔眼流动速度方程为：
[0052][0053]
式中：vi—i号射孔孔眼流动速度，m/s；d
pf,j
—j号簇的射孔孔眼直径，m；
[0054]
射孔孔眼直径方程为：
[0055][0056]
式中：c—压裂注入支撑剂平均浓度，kg/m3。
[0057]
进一步的技术方案是，所述步骤六中：根据各簇射孔孔眼直径随时间变化图确定各簇最大射孔孔眼直径，再优选暂堵球粒径大于各簇最大射孔孔眼直径的1.2倍。
[0058]
本发明具有以下有益效果：
[0059]
1、该方法专门针对缝口转向压裂工艺特征，建立了多簇裂缝延伸模型、暂堵球封
堵射孔模型、射孔孔眼动态磨蚀模型，从而提出了一种适用于深层页岩气水平井缝口转向压裂的暂堵球粒径优选方法；
[0060]
2、由于该方法综合考虑了深层页岩气水平井缝口转向压裂过程中支撑剂持续对射孔冲蚀导致其孔眼直径逐渐变化的行为，为此，可根据泵入暂堵剂时刻的孔眼直径大小，优选合适的暂堵球粒径，实现射孔孔眼的有效封堵，解决了深层页岩气水平井缝口转向压裂缺少暂堵球粒径定量优选手段的问题。
附图说明
[0061]
图1为本发明的计算流程示意图；
[0062]
图2为本发明某深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸图；
[0063]
图3为发明某深层页岩气水平井缝口转向压裂期间各簇射孔有效孔眼数量随时间变化图；
[0064]
图4为发明某深层页岩气水平井缝口转向压裂期间各簇射孔孔眼直径随时间变化图。
具体实施方式
[0065]
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
[0066]
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0067]
如图1所示，本发明的一种深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球粒径优选方法，包括以下步骤：
[0068]
步骤一、获取储层地质参数、压裂施工参数、射孔布簇参数、暂堵转向参数；
[0069]
其中所述储层地质参数包括地层最小水平主应力、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
[0070]
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；
[0071]
射孔布簇参数包括射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径；
[0072]
暂堵转向参数包括暂堵球密度、泵入暂堵球总数量、泵入暂堵球时间、射孔转向流动系数；
[0073]
步骤二、运用流固耦合理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸模型，并计算各条水力裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝延伸开度以及裂缝缝内压力；
[0074]
其中深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸模型包括单条裂缝内流体流动方程、单条裂缝延伸物质平衡方程、裂缝高度方程、裂缝开度方程、裂缝延伸边界条件与
初始条件方程；
[0075]
所述单条裂缝内流体流动方程为：
[0076][0077]
式中：pi(s,t)—t时刻第i条裂缝内s位置处流体压力，pa；qi(s,t)—t时刻第i条裂缝内s位置处流量，m3/s；hi(s,t)—t时刻第i条裂缝s位置处高度，m；wi(s,t)—t时刻第i条裂缝s位置处开度，m；si—第i条裂缝长度方向坐标，m；μ—压裂液体粘度，pa
·
s；
[0078]
所述单条裂缝延伸物质平衡方程为：
[0079][0080]
其中：
[0081][0082]
式中：
[0083]ql,i
(s,t)—压裂液滤失速度，m/s；c
l
—压裂液滤失系数，m/s
0.5
；t—压裂时间，s；τi—第i条裂缝s位置开始滤失时间，s；
[0084]
所述裂缝高度方程为：
[0085][0086]
式中：k
ic
—地层岩石断裂韧性，pa
·m0.5
；σh—地层最小水平主应力，pa；
[0087]
所述裂缝开度方程为：
[0088][0089]
式中：ν—泊松比，无量纲；e—杨氏模量，pa；
[0090]
所述裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
[0091][0092]
式中：qi(t)—t时刻第i条裂缝缝口流量，m3/min；li(t)—t时刻第i条裂缝半长，m；q
t
—压裂排量，m3/min；
[0093]
步骤三、运用流体力学理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球封堵射孔模型，计算水平井筒各簇射孔流量分配、暂堵球堵塞射孔概率、射孔簇暂堵球堵塞数量以及各簇射孔剩余的有效孔眼数量；
[0094]
其中深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球封堵射孔模型包括水平井筒各射孔簇流量分配方程、射孔簇内各孔眼流量分配方程、暂堵球堵塞射孔概率方程、射孔簇暂堵球堵塞数量方程；
[0095]
所述水平井筒各射孔簇流量分配方程为：
[0096][0097]
式中：p
heel
—水平井跟端压力，pa；p
fi,i
—第i条裂缝首个单元内压力，pa；δp
pf,i
—第i簇射孔孔眼处的摩阻压降，pa；δp
w,j
—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段沿程压降，pa；n
pf,i
—第i簇射孔孔眼数量，个；d
pf,i
—第i簇射孔孔眼直径，m；α
pf
—孔眼流量系数，一般取0.85，无量纲；ρ—压裂液密度，kg/m3；lw,j—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段长度，m；q
w,j
—第i簇射孔与第i-1簇射孔之间水平井段内流量，m3/s；q
cl,i
—i号簇流量，即第i条裂缝缝口流量，m3/s；n
cl
—射孔簇数，个；dw—水平井筒直径，m。
[0098]
射孔簇内各孔眼流量分配方程：
[0099][0100]
式中：q
pf,j
|
j∈i
—i射孔簇内的j号射孔孔眼流量，m3/s；n
pf,j
—i号簇的射孔总数量，个。
[0101]
暂堵球堵塞射孔概率方程：
[0102][0103][0104]
式中：f
block,j
—j号射孔被暂堵球封堵概率，无量纲；ξ
divert,j
—j号射孔转向流动系数，表征暂堵球在射孔处转向的难易程度，取值0～1，无量纲；q
w,j
—j号射孔下游处水平井段内流量，m3/s；ρ
divert,
—暂堵球密度，kg/m3；ρ
fluid,
—压裂液密度，kg/m3；
[0105]
射孔簇暂堵球堵塞数量方程：
[0106][0107]
式中：m
divert,i
—水平井筒内i号簇位置处剩余的暂堵球数量，个；m
block,i
—i号簇被封堵的射孔数量，个；m
total
—泵入暂堵球总数量，个；m
effective,i
—i号簇位置处剩余的暂堵球数量，个；
[0108]
步骤四、运用摩擦力学理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂射孔孔眼动态磨蚀模型，计算各射孔孔眼流动速度与射孔孔眼直径；
[0109]
其中深层页岩气水平井缝口转向压裂射孔孔眼动态磨蚀模型包括射孔孔眼流动速度方程、射孔孔眼直径方程；
[0110]
所述射孔孔眼流动速度方程为：
[0111][0112]
式中：vi—i号射孔孔眼流动速度，m/s；d
pf,j
—j号簇的射孔孔眼直径，m；
[0113]
射孔孔眼直径方程为：
[0114][0115]
式中：c—压裂注入支撑剂平均浓度，kg/m3；
[0116]
步骤五、将步骤三中计算得到的水平井筒各簇射孔流量分配、各簇射孔剩余的有效孔眼数量和步骤四中计算的得到的射孔孔眼直径作为下一时步的初始条件；从而重复步骤二而至步骤四进行下一时步的计算，直到压裂时间结束并分别绘制深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸图、各簇射孔有效孔眼数量随时间变化图、各簇射孔孔眼直径随时间变化图；
[0117]
步骤六、根据各簇射孔孔眼直径随时间变化图，确定泵入暂堵球时刻各簇射孔孔眼直径，优选暂堵球粒径，保证暂堵球粒径大于各簇最大射孔孔眼直径的1.2倍。
[0118]
实施例
[0119]
已知某一典型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：
[0120]
表1某深层页岩气井矿场实际参数表
[0121][0122]
首先，运用流固耦合理论，建立深层页岩气水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸模型，又结合以下公式计算实施例1中各条水力裂缝延伸情况：
[0123]
具体步骤为：利用方程式(1)～(6)，利用有限差分方法，计算深层页岩气水平井缝口转向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。
[0124]
随后，运用流体力学理论，建立深层页岩气水平井缝口转向压裂暂堵球封堵射孔模型，又结合以下公式计算实施例1中各簇射孔流量与剩余的有效孔眼数量变化情况：
[0125]
具体步骤为：利用方程式(7)～(11)，利用牛顿迭代方法，计算深层页岩气水平井缝口转向压裂过程中水平井筒各簇射孔流量分配、暂堵球堵塞射孔概率、射孔簇暂堵球堵塞数量，以及各簇射孔剩余的有效孔眼数量，更新各簇射孔孔眼数量；将水平井筒各簇射孔流量带入方程式(6)中，更新各条裂缝缝口流量，作为下一时步内多簇裂缝延伸模型计算的初始条件。
[0126]
随后，运用摩擦力学理论建立深层页岩气水平井缝口转向压裂射孔孔眼动态磨蚀模型，又结合以下公式计算实施例1中各簇射孔孔眼直径变化情况：
[0127]
具体步骤为：利用方程式(12)～(13)，利用微分方程求解方法，计算深层页岩气水平井缝口转向压裂过程中各射孔孔眼流动速度与射孔孔眼直径，并将射孔孔眼直径带入方程式(7)中，更新各簇射孔孔眼直径，计算下一时步内各条裂缝缝口流量。
[0128]
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水平井缝口转向压裂多簇裂缝延伸图(如图2所示)、各簇射孔有效孔眼数量随时间变化图(如图3所示)、各簇射孔孔眼直径随时间变化图(如图4所示)。
[0129]
最后，根据各簇射孔孔眼直径随时间变化图，确定泵入暂堵球时刻各簇射孔孔眼直径，优选暂堵球粒径，保证暂堵球粒径大于各簇最大射孔孔眼直径的1.2倍，如表2所示。
[0130]
表2泵入暂堵球时刻各簇射孔孔眼直径与暂堵球粒径优选值
[0131][0132]
基于上述计算流程和结果，该深层页岩气水平井缝口转向压裂施工过程中，可于第43分钟第一次泵入粒径为15mm的12颗暂堵球，再于第88分钟第二次泵入粒径为18mm的12颗暂堵球，可实现射孔孔眼的有效封堵，促进各条裂缝均匀延伸。
[0133]
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。