技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于压裂施工压力实时评估增产改造体积方法，属于油气田勘探开发
水力压裂技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，随着
页岩气革命在北美取得了巨大的成功，我国也在加快页岩气开发的步伐。2015年10月，中国国际矿业大会公布，继美国、加拿大之后，我国成为第三个实现页岩气商业性开发的国家。形成了涪陵、长宁、威远、延长四大页岩气产区。2015年我国页岩气产量为44.71亿立方米，体现了广阔的开发前景。由于页岩储层基质向裂缝的供气能力较差，仅靠传统的单一的压裂主缝很难取得预期的增产效果，体积改造形成裂缝网络才能使
流体从基质向裂缝实现“最短距离”渗流。因此人们提出了适合低孔、低渗油气储层，提高储层改造体积来增加油气产量的“体积压裂”技术。该技术不仅可以大幅度提高单井产量，还能够降低储层有效动用下限，最大限度提高储层动用率和采收率。
[0003] 储层改造体积(SRV)用来描述体积压裂产生的裂缝网络形态和波及范围。目前，计算SRV的方法主要有微
地震监测法、倾斜仪测量法和离
散裂缝网络模拟法。其中微地震法较为可靠，但微地震测试和倾斜仪测试成本高昂、经济性差，大规模应用受限。离散裂缝网络模拟法由于假设条件导致实际计算与模拟计算结果差异较大，不具有推广性。
发明内容
[0004] 针对
现有技术中存在的不足，本发明提供了一种不依赖于专
门测试的、直接应用压裂施工过程即可获取的压力、
排量参数直接解释的基于压裂施工压力实时评估增产改造体积方法。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种基于压裂施工压力实时评估增产改造体积方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] S1、收集目标井储层地质与工程参数、井身结构数据、压裂材料数据、
泵注程序基本参数；
[0008] S2、建立压裂管串流动摩阻计算方程，采用
流体力学方法结合室内实验测试结果计算压裂管柱内流体流动摩阻；
[0009] S3、基于实时注入流体性质和施工参数，计算近井摩阻，求得地面至裂缝体的总摩阻；
[0010] S4、基于压裂管柱内压力平衡，计算水力压裂实时井底压力；
[0011] S5、基于结构弱面张性破裂和剪切破裂压力计算
临界压力；
[0012] S6、基于井底压力数值判别增产改造体积扩展有效性；
[0013] S7、基于注入过程流体线性扩散方程计算增产改造波及范围。
[0014] 进一步的，所述S1中目标井储层地质与工程参数包括井深、垂深与水平段长、靶点
位置、厚度、簇间距、原地
应力立场、天然裂缝相交
角、内聚力和内摩擦角、射孔孔数、孔径、孔眼流量系数、射孔孔眼直径、有效射孔孔数，所述井身结构数据包括井斜、方位、压裂管柱直径，所述压裂材料包括压裂液净液
密度、稠度系数、流态指数、
支撑剂粒径、支撑剂颗粒密度、支撑剂视密度、减阻比、范宁摩阻系数、清水密度。
[0015] 进一步的，所述S2中压裂管串流动摩阻计算方程采用工程上常用的降阻率方法计算压裂工作液在圆管中的流动摩阻；即以清水在圆管中的流动摩阻为
基础，通过实验测试实际压裂工作液与清水摩阻的比值进行修正，压裂工作液在管柱内的流动摩阻表达式如下：
[0016] 其中：压裂工作液为净液体时：Δpfr＝(1-λ)Δpwater
[0017] 压裂工作液为混砂液时：Δpfr＝f校正(1-λ)Δpwater
[0018] 式中：Δpfr—压裂工作液在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；λ一减阻率，无因次；f校正—混砂液摩阻校正系数，无因次；Δpwater—清水在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；
[0019] 其中清水在管柱沿程摩阻的计算表达式如下：
[0020]
[0021] 式中：fwater—范宁摩阻系数,无因次；ν—清水在管柱内的流速,m/s；D—压裂管柱内径，m；ρwater—清水的密度，kg/m3；L—压裂管柱总长度，m。
[0022] 其中范宁摩阻系数的计算表达式如下：
[0023]
[0024] Nrer＝106Dv
[0025] 式中：fwater—范宁摩阻系数,无因次；ν—清水在管柱内的流速,m/s；D—压裂管柱内径，m；Nre—
雷诺数，无因次。
[0026] 所述压裂管管柱中压裂工作液为混砂液时，则引入混砂液无因次密度对混砂液摩阻进行修正。其中混砂液密度、混砂液无因次密度分别表达式为：
[0027]
[0028]
[0029] 式中：ρm—混砂液密度，kg/m3；ρf—净液体密度，kg/m3；c—支撑剂体浓度，无因次；ρpr—支撑剂颗粒密度，kg/m3；ρps—支撑剂视密度，kg/m3；ρD—混砂液无因次密度，kg/m3。
[0030] 结合压裂施工现场录取的大量资料，利用多项式拟合的方法进行
数据处理，得到混砂液摩阻校正系数：
[0031] f校正＝-0.1448ρD2+0.1094ρD+1.1354。
[0032] 进一步的，所述S3中近井摩阻包括孔眼摩阻和近井弯曲摩阻，所述孔眼摩阻的计算表达式如下：
[0033]
[0034] 式中：Δpper—孔眼摩阻，MPa；ρ—压裂工作液密度，kg/m3；Q—施工排量，m3/min；Np—有效射孔孔数，无因次；Dp—射孔孔眼直径，m；Cd—孔眼流量系数；
[0035] 注入携砂液后，孔眼磨蚀引起流量系数增大，计算孔眼流量系数的经验公式表达如下：
[0036]
[0037] 式中：M—通过孔眼的支撑剂
质量，kg；
[0038] 所述近井弯曲摩阻通过阶梯降排量求得，其表达式如下：
[0039]
[0040] 式中：Knear—近井裂缝弯曲摩阻系数，MPa/(m3/min)1/2；Q—施工排量，m3/min；
[0041] 进一步求得近井摩阻，表达式如下：
[0042] Δptotal＝Δpper+Δpnear
[0043] 式中：Δptotal—近井摩阻，MPa；Δpper—孔眼摩阻，MPa；Δpnear—近井弯曲摩阻，MPa。
[0044] 进一步的，所述S4水力压裂实时井底压力的表达式如下：
[0045] pinj＝pt+ph-Δpfr-Δptotal
[0046] 式中：pinj—压裂实时井底压力，MPa；pt—压裂施工实时井口压力，MPa；ph—压裂施工管柱静液柱压力，MPa；Δpfr—压裂工作液在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；Δptotal—近井摩阻，MPa。
[0047] 进一步的，所述S5中基于结构弱面张性破裂的临界压力的表达式如下：
[0048]
[0049] 式中：ptrg—张性破坏临界压力，MPa；σmax—水平方向最大主应力，MPa；σmin—水平方向最小主应力，MPa；
[0050] 基于剪切破裂的临界压力表达式如下：
[0051]
[0052] 式中：ptrg—剪切破坏临界压力，MPa；σmax—水平方向最大主应力，MPa；σmin—水平方向最小主应力，MPa；Kf—摩擦角的正切值，无量纲；τ0—内聚力，MPa。
[0053] 进一步的，所述S6中基于数值判别增产改造体积扩展有效性，当实时井底压力小于前一时刻井底压力，说明裂缝扩展后因流体填充导致压力不增加，增产改造体积维持不变；否则按新的井底压力计算储层改造体积。
[0054] 进一步的，所述S7中注入流体线性扩散方程式以单段射孔源为坐标原点，建立三维笛卡尔
坐标系，其中X方向为主裂缝延伸方向，Y方向平行于井筒方向，Z方向垂直于XY平面向上。根据扩散方程得到水力裂缝在X、Y、Z不同方向上扩展最大距离，并按椭球体计算增产改造体积：
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 其中Δptrg＝min(ptrg1,,ptrg2,)-piΔpinj＝pinj-pi
[0059]
[0060] 式中：Δptrg—天然裂缝破坏的最小压力增量，MPa；Δpinj—井底压力增量，MPa；pi—储层初始压力，MPa；ηx，ηy，ηz—扩散系数，m2/s。kx，ky，kz—渗透率张量在主方向的分量，mD；—有效孔隙度，无量纲；μ—液体
粘度，mPa·s；Ctol—
地层总压缩系数，MPa-1；t—时间，s；x，y，z—坐标分量，m。
[0061] 本发明的有益效果为：
[0062] 本发明基于页岩体积压裂过程中裂缝内流体压力在储层中的扩散效应，结合
岩石破坏准则，提出了一种快速评价计算SRV的计算模型和方法，本发明即考虑体积压裂注入多种类型流体与材料实时交互切换的复杂性，结合压裂管柱流体流动摩阻计算模型、孔眼摩阻与弯曲摩阻模型计算获取实时净压力，综合结构弱面张性和剪切破裂压力计算模型和流体线性扩散方程实时计算评估增产改造体积；本发明可以实施优化体积改造规模基于某页岩实例井参数，将该模型计算结果与微地震
云图进行对比，验证了文中模型的可靠性。
附图说明
[0063] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些
实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
[0064] 图1本发明提供的阶梯降排量示意图；
[0065] 图2本发明提供的压裂液流动摩阻计算结果图；
[0066] 图3本发明提供的射孔孔眼摩阻计算结果图；
[0067] 图4本发明提供的孔眼流量系数变化曲线图；
[0068] 图5本发明提供的结构弱面张性破裂和剪切破裂压力计算临界压力图；
[0069] 图6本发明提供的X井某段微地震云图；
[0070] 图7本发明提供的模型计算SRV三维示意图。
具体实施方式
[0071] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0072] 如图1所示，一种基于压裂施工压力实时评估增产改造体积方法，包括以下步骤：
[0073] S1、收集目标井储层地质与工程参数、井身结构数据、压裂材料数据、泵注程序基本参数；
[0074] 所述目标井储层地质与工程参数包括井深、垂深与水平段长、靶点位置、厚度、簇间距、原地应力立场、天然裂缝相交角、内聚力和内摩擦角、射孔孔数、孔径、孔眼流量系数、射孔孔眼直径、有效射孔孔数，所述井身结构数据包括井斜、方位、压裂管柱直径，所述压裂材料包括压裂液净液密度、稠度系数、流态指数、支撑剂粒径、支撑剂颗粒密度、支撑剂视密度、减阻率、范宁摩阻系数、清水密度。
[0075] S2、建立压裂管串流动摩阻计算方程，采用流体力学方法结合室内实验测试结果计算压裂管柱内流体流动摩阻；
[0076] 所述压裂管串流动摩阻计算方程采用工程上常用的减阻率方法计算压裂工作液在圆管中的流动摩阻；即以清水在圆管中的流动摩阻为基础，通过实验测试实际压裂工作液与清水摩阻的比值进行修正，压裂工作液在管柱内的流动摩阻表达式如下：
[0077] 其中：压裂工作液为净液体时：
[0078] Δpfr＝(1-λ)Δpwater (1)
[0079] 压裂工作液为混砂液时：
[0080] Δpfr＝f校正(1-λ)Δpwater (2)
[0081] 式中：Δpfr—压裂工作液在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；λ一减阻率，无因次；f校正—混砂液摩阻校正系数，无因次；Δpwater—清水在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；
[0082] 其中清水在管柱沿程摩阻的计算表达式如下：
[0083]
[0084] 式中：fwater—范宁摩阻系数,无因次；ν—清水在管柱内的流速,m/s；D—压裂管柱内径，m；ρwater—清水的密度，kg/m3；L—压裂管柱总长度，m。
[0085] 其中范宁摩阻系数的计算表达式如下：
[0086]
[0087] Nrer＝106Dv
[0088] 式中：fwater—范宁摩阻系数,无因次；ν—清水在管柱内的流速,m/s；D—压裂管柱内径，m；Nre—雷诺数，无因次。
[0089] 所述压裂管管柱中压裂工作液为混砂液时，则引入混砂液无因次密度对混砂液摩阻进行修正。其中混砂液密度、混砂液无因次密度分别表达式为：
[0090]
[0091]
[0092] 式中：ρm—混砂液密度，kg/m3；ρf—净液体密度，kg/m3；c—支撑剂体浓度，无因次；ρpr—支撑剂颗粒密度，kg/m3；ρps—支撑剂视密度，kg/m3；ρD—混砂液无因次密度，kg/m3。
[0093] 结合压裂施工现场录取的大量资料，利用多项式拟合的方法进行数据处理，得到混砂液摩阻校正系数：
[0094] f校正＝-0.1448ρD2+0.1094ρD+1.1354 (6)
[0095] S3、基于实时注入流体性质和施工参数，计算近井摩阻，求得地面至裂缝体的总摩阻；
[0096] 所述近井摩阻包括孔眼摩阻和近井弯曲摩阻，所述孔眼摩阻的计算表达式如下：
[0097]
[0098] 式中：Δpper—孔眼摩阻，MPa；ρ—压裂工作液密度，kg/m3；Q—施工排量，m3/min；Np—有效射孔孔数，无因次；Dp—射孔孔眼直径，m；Cd—孔眼流量系数；
[0099] 注入携砂液后，孔眼磨蚀引起流量系数增大，计算孔眼流量系数的经验公式表达如下：
[0100]
[0101] 式中：M—通过孔眼的支撑剂质量，kg；
[0102] 如图2所示，所述近井弯曲摩阻通过阶梯降排量求得，其表达式如下：
[0103]
[0104] 式中：Knear—近井裂缝弯曲摩阻系数，MPa/(m3/min)1/2；Q—施工排量，m3/min；
[0105] 进一步求得近井总摩阻，表达式如下：
[0106] Δptotal＝Δpper+Δpnear (10)
[0107] 式中：Δptotal—近井摩阻，MPa；Δpper—孔眼摩阻，MPa；Δpnear—近井弯曲摩阻，MPa。
[0108] S4、基于
能量守恒，计算水力压裂实时井底压力；
[0109] 所述水力压裂实时井底压力的表达式如下：
[0110] pinj＝pt+ph-Δpfr-Δptotal (11)
[0111] 式中：pinj—压裂实时井底压力，MPa；pt—压裂施工实时井口压力，MPa；ph—压裂施工管柱静液柱压力，MPa；Δpfr—压裂工作液在压裂管柱内的流动摩阻，MPa；Δptotal—近井摩阻，MPa
[0112] S5、基于结构弱面张性破裂和剪切破裂压力计算临界压力；
[0113] 所述基于结构弱面张性破裂的临界压力的表达式如下：
[0114]
[0115] 式中：ptrg—张性破坏临界压力，MPa；σmax—水平方向最大主应力，MPa；σmin—水平方向最小主应力，MPa；
[0116] 基于剪切破裂的临界压力表达式如下：
[0117]
[0118] 式中：ptrg—剪切破坏临界压力，MPa；σmax—水平方向最大主应力，MPa；σmin—水平方向最小主应力，MPa；Kf—内
摩擦系数，无量纲；τ0—内聚力，MPa。
[0119] S6、基于井底压力数值判别增产改造体积扩展有效性；
[0120] 所述基于数值判别增产改造体积扩展有效性，当实时井底压力小于前一时刻井底压力，说明裂缝扩展后因流体填充导致压力不增加，增产改造体积维持不变；否则按新的井底压力计算储层改造体积。
[0121] S7、基于注入过程流体线性扩散方程计算增产改造波及范围；
[0122] 所述注入流体线性扩散方程式以单段射孔源为坐标原点，建立三维笛卡尔坐标系，其中X方向为主裂缝延伸方向，Y方向平行于井筒方向，Z方向垂直于XY平面向上。假设储层为均质
各向异性孔隙弹性介质，地
层流体为气相，近井弯曲摩阻忽略不计，注入流体不影响气藏孔隙体积，其表达式如下：
[0123]
[0124] 式中： —地层孔隙压力，MPa；kx，ky，kz—渗透率张量在主方向的分量，mD；—有效孔隙度，无量纲；μ—液体粘度，mPa·s；Ctol—地层总压缩系数，MPa-1；t—时间，s；x，y，z—坐标分量，m；
[0125] 初始条件与边界条件为：
[0126] p＝pi，0≤x≤∞，0≤y≤∞，0≤z≤∞，t＝0 (15)
[0127] p＝pinj，x＝0，y＝0，z＝0，t＞0 (16)
[0128] 式中：pi—储层初始压力，MPa；pinj—井底泵注压力，MPa；
[0129] 进一步求得：
[0130]
[0131] 式中：Δpres—储层中某点压力增大数值，MPa；Δpinj—井底压力增大数值，MPa；ηx,ηy,ηz—扩散系数，m2/s；
[0132] 其中：
[0133]
[0134] 当储层某点压力增幅Δpres大于天然裂缝开启的临界压力增幅Δptrg时，该点处天然裂缝将发生破坏；假设储层各处的天然裂缝力学性质相同，则储层中天然裂缝发生破坏的条件也一样，则储层内部的Δptrg处处相等，则：
[0135]
[0136] 式中：Δptrg—是天然裂缝破坏的最小压力增量；
[0137] 最终计算得到不同方向上的SRV扩展最大距离：
[0138]
[0139]
[0140]
[0141] 其中Δptrg＝min(ptrg1,,ptrg2,)-piΔpinj＝pinj-pi (23)
[0142]
[0143] 式中：Δptrg—天然裂缝破坏的最小压力增量，MPa；Δpinj—井底压力增量，MPa；pi—储层初始压力，MPa；ηx，ηy，ηz—扩散系数，m2/s。kx，ky，kz—渗透率张量在主方向的分量，mD；—有效孔隙度，无量纲；μ—液体粘度，mPa·s；Ctol—地层总压缩系数，MPa-1；t—时间，s；x，y，z—坐标分量，m。
[0144] 实施例：
[0145] 选取我国西南某页岩开发示范区的X井段，水平井完井垂深4276m，水平段长800m，有效厚度32m，地层流体压力42MPa。根据
岩心实验分析水平和垂向渗透率分别为2.1×10-3μm2、4.9×10-3μm2、2.8×10-3μm2，岩石综合压缩系数1×10-4MPa-1；垂向和水平主应力分别为145MPa、121.6MPa、105.0MPa；天然裂缝内聚力17.5MPa、内摩擦角25°，相交角20°；平均
抗拉强度6.56MPa。现采用φ177.8δ12.65光
套管、滑溜水压裂液(流型指数为1.0、减阻率70％)分15段、3簇、裂缝簇间距15m；射孔有效孔眼20孔、孔径φ12；前序压裂裂缝高度50m。压裂施工注入2hr共计总净液量1700m3，总支撑剂量60m3(40/70目、颗粒密度2800Kg/m3，视密度
1800Kg/m3)，排量15m3/min。注液80min、砂比5％时井口施工压力为90MPa，确定此时增产改造体积。
[0146] 如图2所示，通过公式(4)计算得到，砂比5％的混砂液密度计算为1058kg/m3，通过公式(1)计算得到净液摩阻(本井滑使用减阻率70％溜水，沿程摩阻为1.5MPa/km)，通过公式(2)计算得到混砂液摩阻计算结果混砂液摩阻为8.29MPa，其中通过公式(5)计算得到无因次密度为1.058，通过公式(6)计算得到f校正＝1.089。
[0147] 如图3～4所示，通过公式(8)计算得到射孔孔眼摩阻1.3MPa，通过公式10计算得到近井弯曲摩阻为2.68MPa。
[0148] 通过公式(12)计算得到水力压裂近井裂缝端的实时井底压力为120.48MPa。
[0149] 如图5所示，通过公式(13)、公式(14)计算得到结构弱面产生张性破坏和剪切破坏需要的临界压力。
[0150] 如图6所示，根据施工过程中的微地震监测，如图1所示。施工结束时(t＝2h)，储层改造体积平均裂缝半长为125m，横向波及范围为120m，平均裂缝高度为100m，改造体积为157.08×104m3。
[0151] 如图6所示，依据椭球体的三轴长度，结合施工过程中监测到的微地震数据，绘制三维SRV6；由图中可以看出，模型计算出的三维SRV与微地震数据的拟合较好，准确性较高。
[0152] 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。
