一种页岩储层防套变压裂施工方法与关键裂缝控制材料

技术领域

本发明涉及储层增产改造领域，具体而言，涉及一种页岩储层防套变压裂施工方法与关键裂缝控制材料。

背景技术

深层页岩具有储层埋深大、水平应力差高以及非均质性强等特点，发育有大量复杂分布的宏观天然裂缝带。通过水力压裂进行储层改造时，在强射孔集中应力、高施工泵注压力以及天然裂缝带剪切滑移作用下，水平井套管极易发生变形损坏，影响桥塞下入及射孔联作等井下作业，增加储层改造经济成本，严重制约了页岩气规模效益开发进程。

目前，针对深层页岩水平井套管变形问题，常采用的解决措施是增加压裂段长并降低液量规模，通过长段多簇小规模的施工设计来防止套管变形。但该压裂工艺参数选取具有盲目性，虽能在一定程度上做到减小套管变形，但未充分考虑套管变形风险段地质特殊性，不能进行针对性压裂施工设计。现有通过降低储层改造规模以减小套管变形风险的技术，既无法评估和预测水平套管变形风险，也不能对存在套管变形风险的压裂段进行有效的储层改造。

发明内容

针对上述问题，本发明创造性提供一种页岩储层防套变压裂施工方法与关键裂缝控制材料，考虑诱发水平井套管变形的地质因素，静态评价压裂前水平井套管发生变形的风险级别，针对不同的风险等级采用不同的压裂施工设计方案，进一步通过构建水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型，实时判别压裂过程中的裂缝延伸，通过适时添加缝内与缝口暂堵控缝材料，调控裂缝延伸模式，实现在压裂过程中动态预测与降低套管变形风险，并提升页岩储层增产改造效果。

本申请公开了一种页岩储层防套变压裂施工方法与关键裂缝控制材料，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立压裂前水平井套管变形风险段静态评价模型；

S2、优化水平井套管变形风险段的压裂参数设计；

S3、建立水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型；

S4、设计水平井段内多簇压裂缝口和缝内的暂堵控缝材料；

S5、建立压裂过程中防止水平井套管变形的动态调控策略。

进一步地，所述步骤S1建立压裂前水平井套管变形风险段静态评价模型，包括：

(1)根据水平井套管变形原因，利用天然裂缝带长度、天然裂缝与水平井筒夹角、水平井固井质量等参数，建立压裂前水平井套管变形风险段静态评价指标：

(2)根据页岩储层与压裂工艺的特征，考虑天然裂缝带长度、天然裂缝与水平井筒夹角、水平井固井质量等因素诱发套管变形的影响权重，综合评价水平井各压裂段的套管变形风险等级，计算式如下：

S

式中：F表示套管变形风险等级综合评价标准；S表示套管变形的风险等级，从低到高取值为I、II、III、IV、V；

进一步地，所述步骤S2优化水平井套管变形风险段的压裂参数设计，包括：

(1)根据测井、录井及微地震等数据获取页岩储层内天然裂缝带的规模大小与位置分布，结合水平井套管变形风险段静态评价模型，判断水平井各压裂段的套管变形风险等级；

(2)针对水平井套管风险等级为I～II的压裂段，采用主体压裂段的大规模密切割段内多簇压裂施工设计，并通过缝口与缝内的复合暂堵工艺，形成复杂压裂裂缝网络以充分改造储层；

(3)针对水平井套管风险等级为III～V的压裂段，若天然裂缝与水平井筒夹角小于45°，可采用大簇间距高粘小规模的段内多簇压裂施工设计，促使水力裂缝穿过天然裂缝带延伸，并通过降低滤失控制激活天然裂缝带，若天然裂缝与水平井筒夹角大于45°，可采用密切割小规模段内多簇压裂施工设计，通过控制水力裂缝整体的缝长，降低激活天然裂缝带而引发套管变形的风险。

进一步地，所述步骤S3建立水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型，包括：

(1)收集页岩储层水平井压裂现场地质数据、完井数据、施工数据与裂缝监测数据；

(2)通过数值模拟方法，建立考虑天然裂缝带影响下的页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型；

(3)将压裂现场的地质数据、完井数据、施工数据作为输入参数，通过页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型，反演模拟得到不同施工条件下的裂缝扩展轨迹，并通过裂缝监测数据校正模型；

(4)提取压裂施工曲线变化特征与水平井段内多簇压裂裂缝延伸特征，通过机器学习训练得出建立水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型，裂缝延伸模式及模式判断标准如下：

式中：k表示施工过程中净压力曲线的斜率；p

进一步地，所述步骤S4设计水平井段内多簇压裂缝口和缝内的暂堵控缝材料，包括：

(1)根据水平井射孔参数，考虑支撑剂与缝内暂堵材料对射孔孔眼的冲蚀作用，以及在流压作用下的材料变形作用，设计柔性变形的缝口暂堵控缝材料，需要其在压裂过程中对射孔孔眼进行有效封堵，并在压裂结束后实现无害化溶解，或借用屏蔽暂堵理论，通过同时投加缝口暂堵球与缝内暂堵剂的混合暂堵工艺，实现对射孔孔眼进行封堵，实现对水平井压裂裂缝延伸的控制；

(2)为进一步有效控制裂缝延伸，基于储层地应力、储层温度、施工规模、压裂液物性等参数，设计缝内暂堵控缝材料，使其在压裂过程中能在水力裂缝前缘聚集并形成低渗封堵带，满足低密度、高强度、易溶解等需求。

进一步地，所述步骤S5建立压裂过程中防止水平井套管变形的动态调控策略，包括：

(1)在现场压裂施工时，通过水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型与井口施工压力监测数据，实时计算并判断裂缝延伸模式；

(2)当识别得到目前的裂缝延伸模式为快速延伸时，水力裂缝长度快速增加，水力裂缝极易沟通同平台邻井的水平井并导致套管变形，此时需投加缝内暂堵控缝材料，在裂缝尖端区域形成低渗封堵层，控制裂缝长度的增长，降低同平台水平井套管变形风险，实现在压裂过程中对水平井套管变形的动态预测与调控；

(3)当识别得到目前的裂缝延伸模式为少簇简单裂缝延伸时，优势水力裂缝扩展速度快使得缝长快速增加，也容易导致本水平井或同平台的其余水平井的套管发生变形，此时需投加缝口暂堵控缝材料，或同时投加暂堵球与暂堵剂，对射孔孔眼进行封堵，改变裂缝延伸模式，降低因水力裂缝延伸失控而引发的套管变形风险，实现在压裂过程中对水平井套管变形的动态预测与调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明能对页岩储层水平井套管变形进行风险等级评估，便于采取针对性的压裂方案设计；

(2)本发明通过压裂过程中的施工压力数据实时判别裂缝扩展模式，动态预测套管变形的可能性，增强缝口与缝内的暂堵控缝材料投加科学性；

(3)本发明结合静态评估与动态调控以降低水平井套管变形风险，并通过投加缝口控缝材料与缝内控缝材料实现对水平井压裂裂缝延伸的调控。

附图说明

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相关的附图。

图1为本发明实施流程示意图

图2为页岩储层内地震多级断裂体裂缝预测结果图

图3为水平井压裂段的套管变形风险等级静态评估结果示意图

图4为页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型模拟裂缝轨迹图

图5为页岩储层水平井压裂过程中井底净压力曲线结果图

图6为净压力曲线变化特征与压裂裂缝延伸模式特征匹配示意图

图7为页岩储层水平井压裂井口施工数据监测结果图

图8为页岩储层水平井压裂裂缝延伸模式识别结果图

具体实施方式

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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参照图1，本发明提出一种页岩储层防套变压裂施工方法与关键裂缝控制材料，主要包括以下5项步骤：

S1、建立压裂前水平井套管变形风险段静态评价模型；

S2、优化水平井套管变形风险段的压裂参数设计；

S3、建立水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型；

S4、设计水平井段内多簇压裂缝口和缝内的暂堵控缝材料；

S5、建立压裂过程中防止水平井套管变形的动态调控策略。

具体地，步骤S1包括：

(1)以川南某一页岩水平井为例，参照图2，从地震多级断裂体裂缝预测结果可知，水平井筒与众多天然裂缝带相交，天然裂缝带是导致井筒变形的重要诱因，因此以天然裂缝带长度、天然裂缝与水平井筒夹角、水平井固井质量作为压裂前水平井套管变形风险段静态评价的指标，并将对应的风险等级划分为I、II、III、IV、V共5个等级：

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(2)根据页岩储层与压裂工艺的特征，考虑天然裂缝带长度、天然裂缝与水平井筒夹角、水平井固井质量等因素诱发套管变形的影响权重，综合评价水平井各压裂段的套管变形风险等级。本实施例中，套管变形风险等级综合评价标准：

S

＝0.2×指标1风险等级+0.4×指标2风险等级+0.4×指标3风险等级

为降低套管变形风险等级评估结果对实际工程的影响，对综合评价的风险等级进行向上取整处理。

具体地，步骤S2包括：

(1)根据测井、录井及微地震等数据获取页岩储层内天然裂缝带的规模大小与位置分布，结合水平井套管变形风险段静态评价模型，判断水平井各压裂段的套管变形风险等级，参照图3，对水平井的A、B、C、D共4处压裂段进行了套管变形风险等级的评估。

(2)针对水平井套管风险等级为I～II的压裂段，采用主体压裂段的大规模密切割段内多簇压裂施工设计，并通过缝口与缝内的复合暂堵工艺，形成复杂压裂裂缝网络以充分改造储，在本实施例中，参照图3，对应区域A的压裂段，部分压裂设计参数包括：簇间距8～10m，射孔簇6～8簇，施工排量16～18方/分，1～5mPa.s压裂液造缝，10～30mPa.s压裂液携砂，采用缝内暂堵颗粒与缝口暂堵球的混合暂堵工艺。

(3)针对水平井套管风险等级为III～V的压裂段，若天然裂缝与水平井筒夹角小于45°，可采用大簇间距高粘小规模的段内多簇压裂施工设计，促使水力裂缝穿过天然裂缝带延伸，并通过降低滤失控制激活天然裂缝带，在本实施例中，参照图3，对应区域C和区域D的压裂段，部分压裂设计参数包括：簇间距15～20m，射孔簇3～4簇，施工排量快提至16～18方/分，50～100mPa.s的高粘压裂液造缝，20～50mPa.s的中等粘度压裂液携砂，不采用暂堵工艺。

若天然裂缝与水平井筒夹角大于45°，可采用密切割小规模段内多簇压裂施工设计，通过控制水力裂缝整体的缝长，降低激活天然裂缝带而引发套管变形的风险，在本实施例中，参照图3，对应区域B的压裂段，部分压裂设计参数包括：簇间距5～8m，射孔簇7～10簇，施工排量14方/分，1～5mPa.s压裂液造缝，10～30mPa.s压裂液携砂，采用缝内暂堵颗粒与缝口暂堵球的混合暂堵工艺。

具体地，步骤S3包括：

(1)收集页岩储层水平井压裂现场地质数据、完井数据、施工数据与裂缝监测数据；

(2)通过数值模拟方法，建立考虑天然裂缝带影响下的页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型，本实施例中，采用的数值模拟方法为边界元法与有限体积法。

(3)将压裂现场的地质数据、完井数据、施工数据作为输入参数，通过页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型，反演模拟得到不同施工条件下的裂缝扩展轨迹，并通过裂缝监测数据校正模型，本实施例中，基于页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型模拟得到的裂缝轨迹分布参照图4。

(4)提取压裂施工曲线变化特征与水平井段内多簇压裂裂缝延伸特征，通过机器学习训练得出建立水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型，本实施例中，首先将该页岩储层区块已经完成压裂水平井的现场施工压力曲线压裂换算为井底净压力曲线(参照图5)，然后分段并逐段提取每一时间Δt内的净压力曲线变化特征与基于页岩储层水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型得到的裂缝延伸模式(参照图6)，最后通过机器学习获得针对该页岩储层区块的水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型，本实施例所选页岩水平井的不同的延伸模式判别特征与对应的延伸模式结果如下：

式中：k表示施工过程中净压力曲线的斜率；p

具体地，步骤S4包括：

(1)根据水平井射孔参数，考虑支撑剂与缝内暂堵材料对射孔孔眼的冲蚀作用，以及在流压作用下的材料变形作用，设计柔性变形的缝口暂堵控缝材料，需要其在压裂过程中对射孔孔眼进行有效封堵，并在压裂结束后实现无害化溶解，或借用屏蔽暂堵理论，通过同时投加缝口暂堵球与缝内暂堵剂的混合暂堵工艺，实现对射孔孔眼进行封堵，实现对水平井压裂裂缝延伸的控制，本实施例中，采用柔性绳结作为缝口暂堵控缝材料。

(2)为进一步有效控制裂缝延伸，基于储层地应力、储层温度、施工规模、压裂液物性等参数，设计缝内暂堵控缝材料，使其在压裂过程中能在水力裂缝前缘聚集并形成低渗封堵带，满足低密度、高强度、易溶解等需求，本实施例中，采用暂堵颗粒作为缝内暂堵控缝材料。

具体地，步骤S5包括：

(1)在现场压裂施工时，通过水平井段内多簇压裂裂缝复杂延伸模式识别模型与井口施工压力监测数据，实时计算并判断裂缝延伸模式，本实施例中，所采用的井口施工压力监测数据结果参照图7，判断得到的裂缝延伸模式识别结果参照图8。

(2)当识别得到目前的裂缝延伸模式为少簇简单裂缝延伸时，优势水力裂缝扩展速度快使得缝长快速增加，也容易导致本水平井或同平台的其余水平井的套管发生变形，此时需投加缝口暂堵控缝材料，或同时投加暂堵球与暂堵剂，对射孔孔眼进行封堵，改变裂缝延伸模，改变裂缝延伸模式，本实施例中，投加柔性绳结的时段为图8中的时段A。

(3)当识别得到目前的裂缝延伸模式为快速延伸时，水力裂缝长度快速增加，水力裂缝极易沟通同平台邻井的水平井并导致套管变形，此时需投加缝内控缝材料，在裂缝尖端区域形成低渗封堵层，控制裂缝长度的增长，降低同平台水平井套管变形风险，本实施例中，投加缝内暂堵颗粒的时段为图8中的时段B与时段C。

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，然而开非用以限个的持术内容作出些许更动或修饰员，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做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。