一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法

技术领域

本发明属于水力压裂技术领域，尤其是涉及一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法。

背景技术

水平井分段多簇压裂是页岩气实现效益开发的关键技术手段，得到了广泛的应用。与海相页岩相比，陆相黏土含量高，基质脆性差，压裂造复杂裂缝网络难度大，现阶段采用密切割压裂方式增加人工裂缝密度弥补裂缝形态过于简单的不足，导致缝间应力干扰增强，各簇裂缝非均衡扩展现象显著。此外，陆相页岩储层层间岩性与应力差异大，泥灰岩、粉砂岩等夹互层发育，水力裂缝穿层扩展困难，难以获得较大的储层改造体积。在上述多重因素影响下，多数陆相页岩气井压后增产效果不佳。因此，亟需提出一套兼顾实现水力裂缝穿层扩展和多簇裂缝均衡扩展的陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，为现场压裂施工方案设计提供理论指导。

中国专利公开文献CN113850029A公开了一种页岩气水平井密切割压裂射孔参数优化设计方法，其基于位移不连续法建立了一套完全流固耦合的水平井密切割压裂多裂缝同步扩展模型，并建立了一套水力裂缝均匀发育程度的定量评价指标，提供了优选射孔参数的定量标准与方法。但该方法仅针对海相页岩储层特征开展研究，并未考虑陆相页岩层间岩性差异及应力差异等特征的影响；同时该研究仅针对射孔参数开展优化设计，并未涉及施工参数的优化设计方法。

因此，有必要提供一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，用于指导陆相页岩气水平井压裂方案设计，更具操作性和准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，包括以下步骤：

S1：采用有限元法和内聚力单元法，综合考虑陆相页岩层间岩性及应力差异大、隔夹层发育、缝间应力干扰和簇间流量动态分配的影响，引入管流单元，建立完全流固耦合的陆相页岩气水平井多簇压裂裂缝扩展数值模型；

S2：开展不同排量、黏度条件下的单簇裂缝穿层扩展模拟，以水力裂缝完全贯穿优质储层为目标，筛选单簇裂缝实现穿层扩展的最佳施工参数方案；

S3：以步骤S2筛选出的单簇裂缝穿层扩展施工参数为基础，计算多簇裂缝实现穿层扩展的施工参数方案；

S4：以步骤S3筛选出的多簇裂缝穿层扩展施工参数为基础，计算不同射孔参数方案下多簇水力裂缝均衡扩展指数和地面施工压力，以多簇裂缝均衡发育和施工压力不超过安全限压为目标，筛选最佳射孔参数方案。

优选的，在步骤S1中，具体包括以下步骤：

S11：建立流固耦合控制方程，分别建立岩石固体骨架变形与流体流动的耦合控制方程、流体渗流的质量守恒方程和流体在岩石内的流动速度方程如下所示：

式中：

S12：建立缝内流体流动方程，分别建立流体切向流动方程、流体质量守恒方程和压裂液滤失方程如下所示：

式中：q为切向流量，m

S13：建立裂缝扩展准则方程，建立内聚力单元损伤方程和单元损伤演化的刚度退化准则方程如下所示：

式中，σ

S14：建立多簇裂缝间流体动态分配方程，分别建立流体能量守恒方程、井筒摩阻压降方程和射孔孔眼摩阻压降方程如下所示：

式中，P

考虑陆相页岩层间岩性及应力差异时，结合真实储层发育特征，针对不同层位赋予不同的岩石力学和地应力参数。

优选的，在步骤S2中，模拟不同排量、黏度条件下的单簇裂缝穿层扩展形态，以水力裂缝完全贯穿优质储层的最小排量Q

优选的，在步骤S3中，需对步骤S2中筛选出的单簇注入排量或黏度进行放大处理，多簇裂缝实现穿层扩展的施工参数计算公式如下：

式中：Q

在步骤S4中，不同射孔参数方案下多簇水力裂缝均衡扩展指数和地面施工压力计算公式如下：

式中：δ

选取满足δ

因此，本发明采用上述一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，具备以下有益效果：

(1)本发明建立了一套完全流固耦合的陆相页岩气水平井多簇裂缝同步扩展数值模型，可对水力裂缝穿层扩展形态和多簇水力裂缝竞争扩展形态进行准确预测。

(2)本发明采用有限元法和内聚力单元法结合的方法建立数值模型，无需在每一个分析步后对网格进行重划分，大大降低了计算量。

(3)本发明建立了一套科学系统的陆相页岩气水平井分段多簇压裂参数定量优化设计方法，克服了现有方法优化目标单一导致应用效果不佳的不足。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法的流程图；

图2是本发明实施例中ZX井不同排量和黏度条件下对应的单簇水力裂缝穿层扩展形态；

图3是本发明实施例中ZX井单段5-7簇压裂模式下不同射孔数方案对应的多簇水力裂缝均衡扩展指数和地面施工压力曲线图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”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，而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，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。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，包括以下步骤：

S1：采用有限元法和内聚力单元法，综合考虑陆相页岩层间岩性及应力差异大、隔夹层发育、缝间应力干扰和簇间流量动态分配的影响，引入管流单元，建立完全流固耦合的陆相页岩气水平井多簇压裂裂缝扩展数值模型；

在步骤S1中，具体包括以下步骤：

S11：建立流固耦合控制方程，分别建立岩石固体骨架变形与流体流动的耦合控制方程、流体渗流的质量守恒方程和流体在岩石内的流动速度方程如下：

式中：

S12：建立缝内流体流动方程，分别建立流体切向流动方程、流体质量守恒方程和压裂液滤失方程如下：

式中：q为切向流量，m

S13：建立裂缝扩展准则方程，建立内聚力单元损伤方程和单元损伤演化的刚度退化准则方程如下：

式中，σ

S14：建立多簇裂缝间流体动态分配方程，分别建立流体能量守恒方程、井筒摩阻压降方程和射孔孔眼摩阻压降方程如下：

式中，P

考虑陆相页岩层间岩性及应力差异时，结合真实储层发育特征，针对不同层位赋予不同的岩石力学和地应力参数。

S2：开展不同排量、黏度条件下的单簇裂缝穿层扩展模拟，以水力裂缝完全贯穿优质储层为目标，筛选单簇裂缝实现穿层扩展的最佳施工参数方案；模拟不同排量、黏度条件下的单簇裂缝穿层扩展形态，以水力裂缝完全贯穿优质储层的最小排量Q

S3：以步骤S2筛选出的单簇裂缝穿层扩展施工参数为基础，计算多簇裂缝实现穿层扩展的施工参数方案；开展不同射孔参数方案下的多簇裂缝扩展模拟。考虑到多簇裂缝缝间应力干扰作用对水力裂缝穿层扩展的抑制作用，需对筛选出的单簇注入排量或黏度进行放大处理；

在步骤S3中，需对步骤S2中筛选出的单簇注入排量或黏度进行放大处理，多簇裂缝实现穿层扩展的施工参数计算公式如下：

式中：Q

S4：以步骤S3筛选出的多簇裂缝穿层扩展施工参数为基础，计算不同射孔参数方案下多簇水力裂缝均衡扩展指数δ

步骤S4中，不同射孔参数方案下多簇水力裂缝均衡扩展指数δ

式中：δ

选取满足δ

实施例

以四川盆地陆相页岩气水平井ZX井为例，该井目标层段页岩气层分为3个亚段6个小层，其中⑤小层最优、④小层次之；①、④、⑥小层为高应力隔层，③-⑤小层为优质储层，基础参数见表1。

表1

ZX井水平段平均垂深为2800m，地层延伸压力梯度为2.6MPa/100m，经验系数C为0.9，水力摩阻系数λ为0.004，流体密度为1.05g/cm

步骤1：采用有限元法和内聚力单元法，综合考虑陆相页岩层间岩性及应力差异大、隔夹层发育、缝间应力干扰、簇间流量动态分配等影响，建立完全流固耦合的陆相页岩气水平井多簇压裂裂缝扩展数值模型。

步骤2：开展不同排量、黏度条件下单簇裂缝穿层扩展模拟，各种方案下的裂缝扩展形态如图2所示。以水力裂缝完全贯穿优质储层(③-⑤小层)为目标，推荐排量2m

步骤3：考虑到多簇裂缝缝间应力干扰作用对水力裂缝穿层扩展的抑制作用，对步骤2中筛选出的单簇注入排量进行放大处理，保持压裂液黏度不变，根据公式(12)计算多簇裂缝实现穿层扩展的施工参数方案(单段5簇注入排量为12.5m

步骤4：计算单段5～7簇压裂模式下不同射孔数条件下对应的多簇水力裂缝均衡扩展指数δ

针对本实施例，综合考虑到射孔施工作业实施的便捷性，推荐单段5-7簇压裂模式下采用单簇射孔数为6孔的射孔方案。ZX井按照单段5-7簇，单簇射孔6孔，施工排量12-19m

以上所述，仅为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，任何未脱离本发明技术方案内容，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。

因此，本发明采用上述一种陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计方法，克服了现有方法优化目标单一导致应用效果不佳的不足，为陆相页岩水平井分段多簇压裂参数优化设计提供一套科学系统的新方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。