一种多尺度高密度压裂参数优化方法与流程

1.本发明涉及石油天然气工程技术领域，特别涉及一种多尺度高密度压裂参数优化方法。


背景技术：

2.我国非常规油气储层具有储层致密、孔渗性极低、渗流距离短的特点，需要通过压裂技术“打碎”储层，在地下建立油气高速流动裂缝网络以获取产能。油气渗流理论认为，实现非常规储量的高效动用需要增加裂缝波及面积以及减小油气渗流距离，这要求提高压裂裂缝密度以及多尺度裂缝的流动能力。
3.目前，对于非常规压裂改造效果的评价主要是从压裂裂缝系统整体造缝效果以及压后产量两个角度开展。其中，压裂裂缝系统整体造缝效果主要从裂缝密度的角度开展评价，由于复杂裂缝网络难以获取裂缝条数参数，所述裂缝密度主要是基于形成的裂缝长度与裂缝复杂程度评价。压后产量则主要通过计算裂缝系统流动能力进行评价，由于裂缝系统存在多尺度缝宽分布，因此复杂裂缝流动能力需要计算多尺度缝宽有效支撑流动能力。因此，非常规改造的关键在于形成多尺度有效支撑的高密度裂缝系统。
4.对于非常规压裂改造施工参数的优化，工程师通常采用数值模拟软件对压裂施工参数开展模拟优选，通过对比不同工况下压后产能，以产能最大化为原则优选施工参数。然而，现有模拟方法在非常规压裂参数优选中存在不足。其一，施工参数为多参数集合，现有模拟方法采用产能最大单一优选原则，优化存在多解性且难以对各参数进行针对性优化；其二，现有方法难以兼顾非常规储层复杂裂缝扩展形态模拟与多尺度裂缝流动能力计算；其三，现有模拟方法以商业软件为主，购买成本较高，多因素模拟效率较低。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明旨在提供一种多尺度高密度压裂参数优化方法。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种多尺度高密度压裂参数优化方法，包括以下步骤：
8.s1：根据目标储层基本资料，建立目标储层的非均质非连续地质力学模型；
9.s2：在所述非均质非连续地质力学模型的基础上，布置水平井筒并设置射孔和泵注参数的正交模拟优化方案；
10.s3：对各正交模拟优化方案进行裂缝扩展模拟，根据裂缝扩展模拟结果，以高裂缝密度为原则优选所述正交模拟优化方案，并确定优选方案对应的高密度裂缝形态；
11.s4：以步骤s3确定的高密度裂缝形态为基础，设计加砂参数的正交优化设计方案；
12.s5：对各加砂参数的正交优化设计方案进行压后产量预测，以产量最大化为原则优选所述加砂参数的正交优化设计方案。
13.作为优选，步骤s1中，所述基本资料包括测井资料、岩石力学、地应力、以及天然裂缝资料。
14.作为优选，步骤s3具体包括以下子步骤：
15.s31：利用多簇裂缝流量分配模型计算各正交模拟优化方案中各簇裂缝的动态注入流量与缝口压力；
16.s32：以各簇裂缝的动态注入流量与缝口压力作为边界条件，利用裂缝流固耦合应力场模型计算各簇裂缝的动态诱导应力场；
17.s33：根据各簇裂缝的动态诱导应力场，利用相场法裂缝损伤演化模型模拟复杂动态裂缝扩展，获取各正交模拟优化方案工况下复杂裂缝的最终裂缝形态与几何参数；
18.s34：利用裂缝复杂程度计算模型计算所述最终裂缝形态的复杂程度，以最大复杂程度对应的正交模拟优化方案作为优选方案。
19.作为优选，步骤s32中，所述裂缝流固耦合应力场模型为：
[0020][0021]
式中：ρm为基质密度，kg/m3；为质点加速度张量在i方向的分量，m/s2；g为剪切模量，pa；u
i,jj
、u
j,ji
均为位移增量的张量形式，1/m；υ为岩石泊松比，无因次；α为biot系数，无因次；p
,i
为流体压力梯度，pa；η为阻尼系数，n
·
s/m2；δ为拉普拉斯算符；vi为质点速度张量在i方向的分量，m/s。
[0022]
作为优选，步骤s34中，所述裂缝复杂程度计算模型为：
[0023][0024]
式中：df为裂缝复杂程度，无因次；ns为网格尺度为rs时裂缝单元所占网格数量，无因次；rs为网格尺度，无因次。
[0025]
作为优选，步骤s34中，当存在不同的正交模拟优化方案具有相同的复杂程度时，还包括以下子步骤：
[0026]
s35：利用裂缝面密度模型计算所述最终裂缝形态的裂缝面密度，根据所述复杂程度与所述裂缝面密度，双指标优选最大裂缝密度对应的正交模拟优化方案作为优选方案。
[0027]
作为优选，步骤s35中，所述裂缝面密度模型为：
[0028][0029]
式中：m为裂缝面密度，1/m；l为裂缝总长度，m；se为裂缝外包络线围成面积，m2。
[0030]
作为优选，步骤s4具体包括以下子步骤：
[0031]
s41：基于步骤s3确定的高密度裂缝形态，计算裂缝完全充满支撑剂时的支撑剂总量；
[0032]
s42：计算各级裂缝允许进入的支撑剂粒径与其占比，计算各级粒径最大支撑剂量和最大铺砂强度；
[0033]
s43：以所述各级粒径最大支撑剂量和最大铺砂强度为上限，设计加砂参数的正交优化设计方案。
[0034]
作为优选，步骤s5具体包括以下子步骤：
[0035]
s51：根据支撑裂缝导流能力实验确定不同铺砂强度下各级有效支撑裂缝流动能力；
[0036]
s52：基于步骤s3确定的高密度裂缝形态，结合所述有效支撑裂缝流动能力，利用裂缝流动系统模型预测各加砂参数的正交优化设计方案对应的压后产量，以产量最大化为原则优选所述加砂参数的正交优化设计方案。
[0037]
作为优选，10.步骤s52中，所述裂缝流动系统模型包括：
[0038]
基于局部立方定律建立的裂缝内流动控制方程：
[0039][0040]
式中：w为裂缝宽度，m；p为流体压力，pa；μf为液体黏度，pa
·
s；x、y为流体在网格内的流动方向，无因次；ms为流体源项，m/s；kn为裂缝法向刚度，pa/m；t为时间，s；
[0041]
基于达西方程建立的基质渗流控制方程：
[0042][0043]
式中：δ为拉普拉斯算符；km为地层渗透率，m2；qs渗流源项，s-1
；φ为孔隙度，％；cm为流体压缩系数，pa-1
；为流体压力对时间的偏导数，pa/s。
[0044]
本发明的有益效果是：
[0045]
本发明采用双原则分步式优化方法，能够对射孔、泵注参数和加砂参数三种施工参数开展针对性优化，不会出现多解性；本发明能够模拟复杂工况，现场操作性强，且成本低、效率高，不需要使用商业软件即可通过调整优化方案提升模拟效率。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明多尺度高密度压裂参数优化方法的流程示意图；
[0048]
图2为本发明一个具体实施例的储层压裂地质模型示意图；
[0049]
图3为本发明一个具体实施例复杂裂缝扩展形态与缝宽分布结果示意图；
[0050]
图4为本发明一个具体实施例裂缝复杂程度与面密度极差分析结果示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“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。
[0052]
如图1所示，本发明提供一种多尺度高密度压裂参数优化方法，所述高密度是指高裂缝密度，所述多尺度是指多尺度有效支撑裂缝流动能力，所述优化方法包括以下步骤：
[0053]
s1：根据目标储层基本资料，建立目标储层的非均质非连续地质力学模型；所述基
本资料包括测井资料、岩石力学、地应力、以及天然裂缝资料。
[0054]
需要说明的是，利用储层基本资料建立非均质非连续地质力学模型为现有技术，具体方法在此不再赘述。
[0055]
s2：在所述非均质非连续地质力学模型的基础上，布置水平井筒并设置射孔和泵注参数的正交模拟优化方案。
[0056]
在一个具体的实施例中，布置水平井筒时，可根据目标储层现场实际井位进行布置，使本发明模拟结果更符合实际。
[0057]
s3：对各正交模拟优化方案进行裂缝扩展模拟，根据裂缝扩展模拟结果，以高裂缝密度为原则优选所述正交模拟优化方案，并确定优选方案对应的高密度裂缝形态。本步骤具体包括以下子步骤：
[0058]
s31：利用多簇裂缝流量分配模型计算各正交模拟优化方案中各簇裂缝的动态注入流量与缝口压力。
[0059]
在一个具体的实施例中，多簇压裂过程中，各簇的流量以及压力分布可以通过基尔霍夫公式求解：
[0060][0061]
式中：q0为总注液速率，m3/s；cn为射孔簇数；qi为第i簇注液流速，m3/s；p0为注液压力，pa；p
m,i
为第i簇注液压力，pa；p
w,i
为簇间流动压降，pa；p
pf,i
为第i簇孔眼摩阻，pa。
[0062]
s32：以各簇裂缝的动态注入流量与缝口压力作为边界条件，利用裂缝流固耦合应力场模型计算各簇裂缝的动态诱导应力场。
[0063]
在一个具体的实施例中，所述裂缝流固耦合应力场模型如下所示：
[0064][0065]
式中：ρm为基质密度，kg/m3；为质点加速度张量在i方向的分量，m/s2；g为剪切模量，pa；u
i,jj
、u
j,ji
均为位移增量的张量形式，1/m；υ为岩石泊松比，无因次；α为biot系数，无因次；p
,i
为流体压力梯度，pa；η为阻尼系数，n
·
s/m2；δ为拉普拉斯算符；vi为质点速度张量在i方向的分量，m/s。
[0066]
s33：根据各簇裂缝的动态诱导应力场，利用相场法裂缝损伤演化模型模拟复杂动态裂缝扩展，获取各正交模拟优化方案工况下复杂裂缝的最终裂缝形态与几何参数；所述相场法裂缝损伤演化模型如下所示：
[0067][0068]
式中：为相场变量对时间的偏导数，1/s；η为粘滞系数，pa
·
s；d为裂缝相场变量(通过计算，当网格相场变量为0时即认为基质破裂形成裂缝)，无因次；ψ
0
为拉张性弹性能密度，j/m3；gc为临界能量释放率，j/m3；l为长度度量参数，无因次；δd为相场增量，无因次。
[0069]
s34：利用裂缝复杂程度计算模型计算所述最终裂缝形态的复杂程度，以最大复杂程度对应的正交模拟优化方案作为优选方案；所述裂缝复杂程度计算模型为：
[0070][0071]
式中：df为裂缝复杂程度，无因次；ns为网格尺度为rs时裂缝单元所占网格数量，无因次；rs为网格尺度，无因次。
[0072]
当存在不同的正交模拟优化方案具有相同的复杂程度时，还包括以下子步骤：
[0073]
s35：利用裂缝面密度模型计算所述最终裂缝形态的裂缝面密度，根据所述复杂程度与所述裂缝面密度，双指标优选最大裂缝密度对应的正交模拟优化方案作为优选方案；所述裂缝面密度模型为：
[0074][0075]
式中：m为裂缝面密度，1/m；l为裂缝总长度，m；se为裂缝外包络线围成面积，m2。
[0076]
如图3所示，所述裂缝外包络线是指由多个直线段依次首尾相连能够包络所有裂缝的线圈，所述直线段的两个端点分别为相邻两个延伸最远的裂缝端点。
[0077]
s4：以步骤s3确定的高密度裂缝形态为基础，设计加砂参数的正交优化设计方案；具体包括以下子步骤：
[0078]
s41：基于步骤s3确定的高密度裂缝形态，计算裂缝完全充满支撑剂时的支撑剂总量；
[0079]
s42：计算各级裂缝允许进入的支撑剂粒径与其占比，计算各级粒径最大支撑剂量和最大铺砂强度；
[0080]
在一个具体的实施例中，采用cn113283197a公开的一种基于复杂裂缝缝宽分布的加砂参数设计方法计算各级裂缝允许进入支撑剂粒径与其占比，以及计算各级粒径最大支撑剂量和最大铺砂强度。需要说明的是，除了本实施采用的方法外，现有技术中的其他计算方法也可适用于本发明。
[0081]
s43：以所述各级粒径最大支撑剂量和最大铺砂强度为上限，设计加砂参数的正交优化设计方案。
[0082]
s5：对各加砂参数的正交优化设计方案进行压后产量预测，以产量最大化为原则优选所述加砂参数的正交优化设计方案；具体包括以下子步骤：
[0083]
s51：根据支撑裂缝导流能力实验确定不同铺砂强度下各级有效支撑裂缝流动能力；
[0084]
s52：基于步骤s3确定的高密度裂缝形态，结合所述有效支撑裂缝流动能力，利用裂缝流动系统模型预测各加砂参数的正交优化设计方案对应的压后产量，以产量最大化为原则优选所述加砂参数的正交优化设计方案。
[0085]
在一个具体的实施例中，所述裂缝流动系统模型包括：
[0086]
基于局部立方定律建立的裂缝内流动控制方程：
[0087][0088]
式中：w为裂缝宽度，m；p为流体压力，pa；μf为液体黏度，pa
·
s；x、y为流体在网格内的流动方向，无因次；ms为流体源项，m/s；kn为裂缝法向刚度，pa/m；t为时间，s；
[0089]
基于达西方程建立的基质渗流控制方程：
[0090][0091]
式中：δ为拉普拉斯算符；km为地层渗透率，m2；qs渗流源项，s-1
；φ为孔隙度，％；cm为流体压缩系数，pa-1
；为流体压力对时间的偏导数，pa/s。
[0092]
以某一非常规储层改造为例，对该储层进行水平井分簇改造，采用本发明对其进行多尺度高密度压裂参数优化，具体包括以下步骤：
[0093]
(1)收集目标工区基础参数，结果如表1所示：
[0094]
表1裂缝性储层分段多簇压裂地质工程参数
[0095]
参数数值参数数值最大水平主应力，mpa70地层压力系数1.5最小水平主应力，mpa60地层渗透率，10-3
μm20.3地层孔隙度，％5最大水平主应力方位角，
°
90井筒方位角，
°
0天然裂缝条数，条200压裂段长，m80天然裂缝方位角60，120天然裂缝平均长度，m20静态泊松比0.22静态杨氏模量，mpa22000
‑‑
[0096]
(2)基于表1的储层地质工程参数，植入水平井筒与射孔簇，建立如图2所示的储层压裂地质模型。
[0097]
(3)基于所述储层压裂地质模型，根据实际工况设计如表2所示的不同射孔参数与泵注参数水平，并利用正交实验设计方法设计模拟方案，结果如表3所示。
[0098]
表2射孔参数与泵注参数水平
[0099]
水平射孔参数施工排量施工液量14簇15m12m3/min1400m326簇10m14m3/min1600m338簇8m16m3/min1800m3[0100]
表3射孔参数与泵注参数模拟方案表
[0101]
39kg/m24kg/m2[0117]
表8支撑剂粒径与铺砂强度模拟方案表
[0118][0119]
(9)根据步骤(6)获取的裂缝密度最大施工参数组合的裂缝形态，以及步骤(8)获取的各级支撑裂缝流动能力，利用式(4)-(5)所示的裂缝流动系统模型预测当前模拟案例下压后产量，结果如表9所示：
[0120]
表9不同模拟方案压后产量预测结果
[0121]
编号123456789三年累积产量，万方104510781122118512121237124512561262
[0122]
(10)以产量最大化为原则优选加砂参数，结果为三年累积产量1262万方对应的加砂组合“70/140目铺砂强度9kg/m2 40/70目铺砂强度4kg/m
2”。
[0123]
综上所述，本发明首先以高裂缝密度原则优选射孔参数与泵注参数，并获取最大裂缝密度对应的复杂裂缝形态；其次，基于所述最大密度对应的裂缝形态，利用多尺度裂缝有效支撑产量最大化原则优选加砂参数，如此能兼顾复杂裂缝形态模拟以及多尺度裂缝流动能力计算，优化针对性强，与现有技术相比，具有显著的进步。
[0124]
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。