专利汇可以提供非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于非常规油气藏分段 水 力 压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其步骤为:a、重构天然裂缝分布,预估天然裂缝的性质,从 测井 数据或地质模型获得 地层 的 岩石 力学信息与地层 应力 信息,获取与井工厂施工过程相关的数据文件;b、将获得参数输入建立的耦合井筒、裂缝、储层的天然裂缝性储 层压 裂模型;c.对模型进行数值求解,获得压裂后裂缝形态、开度分布、压强分布等信息;d、采用模型计算结果进行压裂效果分析,为后期生产过程的数值模拟做准备。本发明的耦合井筒流动、裂缝 变形 扩展、多状态天然裂缝及裂缝内 流体 流动的裂缝性储层压裂数值模拟方法,可对非常规储层分段体积压裂缝网形态定量分析,是评价、优化压裂方案的有效手段。,下面是非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,其模拟裂缝性储层压裂过程的具体方式如下:
S1、输入参数:输入压裂模拟相关参数,包括天然裂缝的性质,即天然裂缝的内聚力、摩擦角与初始开度,裂缝的内聚力与摩擦角,岩石的杨氏模量与泊松比、就地最大与最小水平主应力方向、目标层厚度、孔隙流体压强及注入流体粘度与密度、压裂液注入速率、射孔点位置及与射孔相关的施工参数即射孔数量与射孔直径;
S2、模型设置:输入参数确定模拟采用的控制条件,包括裂缝单元长度与初始时间步长,下述参数也人为设定,默认的计算方式如下:
a.根据天然裂缝的长度,确定裂缝单元长度;假定最短天然裂缝可以剖分为20个单元,因此裂缝单元长度设置为最短天然裂缝长度的1/20;
b.初始时间步长根据单元长度与压裂液最大注入速率确定;假定单元长度为L,压裂液最大注入速率为V,初始时间步长即为L/V;
S3、进行数值模拟:采用数值模型进行压裂过程的数值模拟,流体压强、裂缝位移、井底压强、各射孔处流量采用全隐式牛顿-拉夫森迭代求解,支撑剂与压裂液体积分数在上述变量更新完毕之后,保持上述变量不变,进行显式更新,直到压裂过程结束;
S4、输出计算结果:根据需求,设定需要输出的参数,包括裂缝剪切位移分布、裂缝形态分布、裂缝内压强分布和地层应力分布的图像,以及井底压强与各射孔点流入流量随时间变化的输出文件;
S5、压裂效果分析:压裂模拟结束后,根据压裂模拟的结果,对压裂效果进行分析;直接通过压裂后裂缝形态如裂缝总长度进行简要判断,或者将该方法的计算结果传递给能够模拟裂缝性储层的油藏数值模拟器,进行产能的评价;改变压裂参数,对比不同压裂方案对应的模拟结果,以此对压裂方案进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述步骤S5中,采用数值模型进行压裂过程的模拟,包括如下内容:
S3.1、流体压强及地应力作用下的裂缝变形计算;
S3.2、裂缝扩展过程模拟;
S3.3、压裂裂缝与天然裂缝的相交行为判断;
S3.4、天然裂缝状态判断;
S3.5、井筒内流动模拟;
S3.6、裂缝内流动模拟;
S3.7、多物理过程耦合求解。
3.根据权利要求2所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,步骤S3.1中,流体压强及地应力作用下的裂缝变形计算的内容是:
流体压强及地应力作用下裂缝变形通过位移不连续方法Displacement
Discontinuity Method,简称DDM,进行计算;对于二维问题,裂缝为具有长度和曲率的线段,每个裂缝网格单元可以有不同的长度;各单元在法向应力及切向应力的作用下发生变形,产生位移不连续量Ds和Dn;
空间内任一点受到的应力为所有单元位移不连续量诱导应力的加和,假定裂缝剖分为N个单元,对于空间任一点(x,y),其所受诱导应力大小为:
式中Ai为不同位移不连续量在不同方向诱导应力的影响系数;假定已知边界条件为应力边界条件,即已知作用在裂缝各单元表面的应力大小;当裂缝位移不连续量在裂缝单元表面的诱导应力和等于裂缝表面真实应力时,求得的位移不连续量为裂缝在该应力边界条件下的真实值:
上式中 为单元j的单位切向位移在单元i所在位置诱发的剪切应力大小;A称为影响系数; 和σni分别是单元i表面实际所受的剪切应力与法向应力;
引入高度修正因子H,上式改写为:
其中σij,0为作用在裂缝单元i的就地应力大小,高度修正因子表达式为:
式中,dij为裂缝单元i与单元j中心点距离,α和β为经验常数,根据数值计算结果,取α=
1,β=2.3。
4.根据权利要求3所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述步骤S3.2中的裂缝扩展过程模拟,其方法为:
地层中裂缝扩展形式可以分为I型张拉型、II型平面剪切、III型撕裂型三种情形:
在裂缝尖端位置的应力集中因子SIF如下:
上式中E为岩石杨氏模量,ui代表不同方向的位移;
当不同方向的SIF达到临界值时,裂缝开始扩展;SIF被看做材料本身的特性,与受力情况无关;利用DDM方法可以快速、直接获得尖端位移,进而快速算出不同方向的SIF:
上式中Di为尖端单元沿不同方向的位移不连续量,a为尖端单元半长;位移不连续方法计算得到的应力集中因子总大于解析值;0.806为经验修正常数;
采用应变能释放率作为裂缝是否扩展的判据,由于岩石I型断裂韧性KIC与II型断裂韧性KIIC不同,采用F判据对裂缝起裂及扩展方向进行判断:
F取最大值的方向即裂缝扩展方向,若F大于1,则裂缝发生扩展。
5.根据权利要求4所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述步骤S3.3中,压裂裂缝与天然裂缝的相交行为判断方法如下:
天然裂缝与压裂裂缝的相互作用以多种形式存在;压裂裂缝被天然裂缝捕获并沿天然裂缝生长,穿过天然裂缝沿原有路径扩展,或者沿天然裂缝生长一段距离后再次转向进入基质;
采用I型应力集中因子KI与II型应力集中因子KII对裂缝尖端应力场进行全面刻画,基于裂缝尖端应力场,判断天然裂缝剪切滑移与新压裂裂缝产生哪一个过程先发生,若天然裂缝先发生滑移,则压裂裂缝无法穿过天然裂缝,反之则压裂裂缝将穿过天然裂缝,沿原有路径生长。
6.根据权利要求3所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述步骤S3.4中,天然裂缝状态判断方法如下:
作用于天然裂缝单元的法向应力σβn与剪切应力τβ根据所有裂缝单元的位移进行计算:
在压裂过程中天然裂缝存在三种状态:闭合、滑移与开启,天然裂缝单元所属类型根据下述应力条件进行判断:
闭合单元:
|τβ|<So-λσβn
滑移单元:
|τβ|≥So-λσβn
开启单元:
P≥σβn
若天然裂缝完全闭合,天然裂缝单元无位移不连续量,不参与裂缝变形计算;若天然裂缝完全开启,则其受力边界条件与压裂裂缝相同;若天然裂缝闭合,但由于违反摩尔库伦准则发生剪切破坏,则裂缝单元无法向位移,切向应力边界条件满足摩尔库伦定律:
|τβ|=-λσβn
摩擦力符号应与剪切位移变化方向相反:
Ds为裂缝单元的剪切位移,当作用于天然裂缝的法向应力小于裂缝内流体压强时,天然裂缝单元力学开启,控制方程与压裂裂缝相同。
7.根据权利要求2所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述S3.5中,井筒内流动模拟方法是:
借鉴井筒模型;假设流入井筒总流量为QT,压裂液流经每个射孔簇时,会有部分流量分流到该射孔簇连接的裂缝,剩余流量继续沿井筒运输至下一射孔位置;井筒内流量满足守恒关系式:
上式中N为压裂裂缝条数,i取值为1和2,分别对应射孔簇连接的两条裂缝;
只有流量守恒关系并不能求出每个射孔簇对应的流量;假设水平井注入压强为P0,裂缝i与水平井井筒相邻处裂缝内压强为Pf,i,该裂缝对应井筒内部压强为Pw,i,则每个射孔簇位置满足压强关系式:
Pw,i=Pf,i+Ppf,i
每个射孔簇对应井筒位置压强与注入压强应满足关系式:
P0=Pw,i+Pcf,i
Pcf,i为从注入点到射孔簇i,由于井筒内井壁摩擦、流动能量耗散产生的压降;Ppf,i为裂缝i处由于射孔摩阻产生的压强损失,射孔摩阻压降通常认为与流入裂缝的流量平方成正比;
射孔摩阻表达式为:
需要额外注意摩阻压差中各项的单位;Ppf,i单位为psi,压裂液密度单位为lbs/gal,注入裂缝i的体积流量Qi单位为桶/分钟,d为射孔簇直径,单位为in,np为射孔簇射孔点个数,Kd是经验常数,无量纲,取值范围在0.56~0.89;
井筒内压强Pw,i在不同射孔簇位置不等,这是因为井筒摩擦、流体流动产生的阻力会耗散井筒内压强;Pcf,i为水平井筒内的压强损耗,根据Valko and Economides关于圆筒形管道流动的说明,假设流体为牛顿流体,且在井筒内为理想的平流状态,则井筒内不同射孔簇位置的压强损耗Pcf,i通过下式进行计算:
Qw,j=QT,j=1
上式中D为井筒直径。
8.根据权利要求2所述的一种用于非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟的方法,其特征在于,所述步骤S3.6中,对裂缝内流动模拟的方法是:
对于压裂裂缝,假设裂缝内流体流动满足狭长长方形截面管道流动规律:
上式中 为流体沿裂缝截面流动速度,k为等效渗透率,μ为流体粘度,p是裂缝内流体压强,w是裂缝开度;裂缝中流体流动为沿裂缝长度方向的一维流动;
天然裂缝内流动模拟略有不同,假设天然裂缝总开度由闭合开度 和力学开度w组成;
当裂缝内部压强远小于外部压应力σn时,天然裂缝完全闭合,由于天然裂缝壁面不光滑,壁面间存在微小间隙,此时仍有部分残余开度w0;随着压强的升高,裂缝间间隙逐渐增大,但壁面尚未脱离 进一步增大天然裂缝压强,壁面脱离,壁面脱离距离称为力学开度w,脱离前裂缝存在开度称为闭合开度 假设天然裂缝内流动满足达西定律,裂缝渗透率与有效应力间满足指数关系式:
上式中knf为裂缝渗透率,knf,0为裂缝初始渗透率,cf为裂缝可压缩系数,σβn为作用于裂缝表面的法向应力,χ为Biot’s系数,Pf是天然裂缝内流体压强;假定闭合开度 与有效应力之间满足指数关系,并采用Mcclure的公式对天然裂缝渗透率进行计算:
上式假设Biot’s常数为1,ko为给定常数;
进一步的,所述步骤S3.7中,对多物理过程耦合求解的方式是:
压裂问题是典型的流固耦合问题,裂缝开度的变化影响流体流动速度,裂缝内流体压强影响裂缝变形;压裂模型可以分为3个部分:井筒模型、裂缝内流动模型与应力应变模型中需要全耦合求解的主变量为:
xT=[Dn,1,Dn,2,...,Dn,n,P1,P2,...,Pn,P0,Q1,Q2,...,Qm]
式中Di为裂缝法向位移不连续量,P为每个裂缝单元内的压强,Qi为每个压裂裂缝流入流体的流量;
流体部分方程采用有限体积法离散,采用牛顿-拉夫森迭代对离散后的上述方程进行全隐式求解:
J(xn)dxn+1=-Rn
n+1 n n+1
x =x+dx
J(xn)为迭代步n时的雅克比矩阵,R为右端项残差;
采用的迭代收敛条件为:
||R||2<tol and ||dx||2<tol
式中||·||2表示向量的II型范数;方程收敛时,残差与变量变化dx需要同时小于容差tol;通过大量算例计算发现,当容差值取为1e-5时,单个时间步的模拟只需3~5次迭代即可收敛。
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