深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法

技术领域

本发明涉及页岩气开发的技术领域，具体涉及深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法。

背景技术

页岩气储层孔隙度、渗透率极低，开采难度极大；目前，国内外通过水平井分段多簇缝网压裂技术，已经实现了3500米以浅的中浅层页岩气商业化开发，并逐步迈向深层页岩气领域；深层页岩气地层具有高温、高压、高应力等特征，不利于压裂缝网的形成；为此，通过减小分段多簇压裂时的射孔簇间距，缩小水力裂缝间距，充分利用缝间应力干扰效应，可促进压裂缝网的形成，该工艺被称为密切割压裂技术；但是，随着射孔簇间距的减小与缝间应力干扰效应的增强，各簇射孔进液差异增大，各簇水力裂缝之间出现相互竞争的延伸行为，即一些射孔簇的水力裂缝延伸受限，而另一些射孔簇的水力裂缝延伸过度，导致各簇水力裂缝长短不一，严重影响压裂增产效果。

深层页岩气水平井密切割压裂过程中，为促使各簇水力裂缝延伸长度趋于一致，需要保证各簇射孔均匀进液，提出了非均匀射孔技术；该技术通过对各簇射孔布置不同射孔孔眼数量，利用射孔摩阻迫使压裂液自动分流，均匀进入各簇水力裂缝中，从而保证裂缝均匀延伸。

目前，非均匀射孔技术已在水平井压裂领域广泛应用，相关研究主要集中于各簇水力裂缝的延伸规律，以及射孔孔眼数量对裂缝延伸的影响；但是，目前，非均匀射孔工艺中的簇射孔孔眼数量主要依靠工程经验进行笼统设计。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔工艺中，簇射孔孔眼数量主要依靠工程经验进行笼统设计的问题，提供了深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法，充分考虑深层页岩水平井密切割压裂时缝间应力干扰效应对各簇水力裂缝延伸的影响，进而对非均匀射孔各簇孔眼数量进行优化调整，促使各簇水力裂缝延伸半长趋于一致，实现裂缝“抑长促短，同步延伸”的目标，并为页岩气的高效开发提供技术支撑与有效工具。

本发明的技术方案如下：

深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径，利用单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量；

步骤S2：根据目标深层页岩水平井的设计参数，结合单簇射孔的最少临界孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；

步骤S3：根据各簇水力裂缝延伸半长，利用射孔孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量，使其数量分布不再均匀；

步骤S4：根据调整后的各簇射孔孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；

步骤S5：再次利用孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量，直到各簇水力裂缝延伸半长基本一致，输出各簇射孔孔眼数量最优值，并绘制各簇水力裂缝延伸空间展布图。

进一步地，所述步骤S1的详细步骤为：

步骤S11：获取目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径；

步骤S12：运用流体力学理论，建立单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型；

步骤S13：根据泵注排量、射孔簇数、孔眼内径，利用单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，分别计算不同单簇射孔数量下的孔眼摩阻压降；

步骤S14：根据不同单簇射孔数量下的孔眼摩阻压降，绘制孔眼摩阻随单簇射孔数量变化曲线；

步骤S15：预设单簇射孔孔眼流动摩阻压降阈值，以单簇射孔孔眼流动摩阻压降小于阈值为条件，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量。

进一步地，所述步骤S2的详细步骤为：

步骤S21：获取目标深层页岩水平井的设计参数，所述设计参数包括地层参数、压裂参数和射孔参数；

步骤S22：运用岩石力学理论、流体力学理论、流固耦合理论，建立深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型；

步骤S23：利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟均匀射孔情况下各簇水力裂缝的延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数。

进一步地，所述步骤S3的详细步骤为：

步骤S31：建立射孔孔眼数量优化模型；

步骤S32：通过对比当前各簇水力裂缝延伸半长与平均延伸半长，利用射孔孔眼数量优化模型增加当前水力裂缝延伸半长较短的簇射孔孔眼数量，使各簇射孔孔眼数量分布不再均匀。

进一步地，所述步骤S4的详细步骤为：

根据调整后的各簇射孔孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数。

进一步地，所述步骤S5的详细步骤为：

步骤S51：预设水力裂缝半长变异系数阈值；

若水力裂缝半长变异系数大于阈值，则再次利用孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量；

若水力裂缝半长变异系数小于或等于阈值，则判定各簇射孔孔眼数量调整完毕，已达最优；并输出各簇射孔孔眼数量最优值，绘制各簇水力裂缝延伸空间展布图。

进一步地，所述单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型包括：

式中：

Δp

进一步地，所述深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型包括：物质平衡方程、缝内流体压降方程、压裂液体滤失方程、裂缝宽度方程、裂缝离散单元应力-应变平衡方程、裂缝离散单元坐标转换方程、裂缝高度方程、各簇水力裂缝流量分配方程、各簇水力裂缝延伸边界条件与初始条件方程、各簇水力裂缝延伸半长变异系数方程。

进一步地，所述物质平衡方程如下：

式中：

q为裂缝内流量；

s为裂缝长度方向坐标；

t为时间；

h

w

q

缝内流体压降方程如下：

式中：

p为裂缝内压力；

μ为液体粘度；

压裂液体滤失方程如下：

式中：

C

τ为开始滤失时间；

裂缝宽度方程：

wf(s)＝(Dn)j

式中：

(D

裂缝离散单元应力-应变平衡方程如下：

其中：

式中：

(σ

(σ

(D

(D

(A

(A

(A

(A

E为岩石杨氏模量；

ν为地层泊松比；

n

l

F

裂缝离散单元坐标转换方程：

式中：

ζ

x

x

y

y

裂缝高度方程：

式中：

K

各簇水力裂缝流量分配方程：

其中：

式中：

p

p

Δp

Δp

p

σ

n

μ为压裂液粘度；

L

q

q

d

下标i表示各簇裂缝编号；下标j表示各段水平井段编号；

各簇水力裂缝延伸边界条件与初始条件方程：

式中：

L

各簇水力裂缝延伸半长变异系数方程：

式中：

μ

σ

χ

进一步地，所述射孔孔眼数量优化模型包括：

式中：

为优化后第i簇射孔孔眼数量；/>

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法，包括如下步骤：步骤S1：根据目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径，利用单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量；步骤S2：根据目标深层页岩水平井的设计参数，结合单簇射孔的最少临界孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；步骤S3：根据各簇水力裂缝延伸半长，利用射孔孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量，使其数量分布不再均匀；步骤S4：根据调整后的各簇射孔孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；步骤S5：再次利用孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量，直到各簇水力裂缝延伸半长基本一致，输出各簇射孔孔眼数量最优值，并绘制各簇水力裂缝延伸空间展布图；本方法专门针对深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔工艺，建立了深层页岩水平井压裂水力裂缝起裂延伸模型、单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型、射孔孔眼数量优化模型，从而提出了深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法；由于该方法充分考虑了深层页岩水平井密切割压裂时缝间应力干扰效应对各簇水力裂缝延伸的影响，进而对非均匀射孔各簇孔眼数量进行优化调整，促使各簇水力裂缝延伸半长趋于一致，实现裂缝“抑长促短，同步延伸”的目标；解决了深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔工艺中，簇射孔孔眼数量主要依靠工程经验进行笼统设计的问题。

附图说明

图1为深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法的数值计算流程框图；

图2为实施例二中的孔眼摩阻随单簇射孔数量变化曲线图

图3为实施例二中目标井射孔孔眼数量优化前(均匀射孔工艺)的各簇水力裂缝延伸空间展布图；

图4为实施例二目标井射孔孔眼数量优化后(非均匀射孔工艺)的各簇水力裂缝延伸空间展布图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

目前，非均匀射孔技术已在水平井压裂领域广泛应用，相关研究主要集中于各簇水力裂缝的延伸规律，以及射孔孔眼数量对裂缝延伸的影响；但是，目前，非均匀射孔工艺中的簇射孔孔眼数量主要依靠工程经验进行笼统设计。

本实施例针对上述问题，提出了一种深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法，充分考虑深层页岩水平井密切割压裂时缝间应力干扰效应对各簇水力裂缝延伸的影响，进而对非均匀射孔各簇孔眼数量进行优化调整，促使各簇水力裂缝延伸半长趋于一致，实现裂缝“抑长促短，同步延伸”的目标，并为页岩气的高效开发提供技术支撑与有效工具。

请参阅图1，深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径，利用单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量；

在本实施例中，具体的，所述单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型包括：

其中：

式中：

Δp

q

n

d

α

ρ为压裂液密度，单位：kg/m

Q

N

在本实施例中，具体的，所述步骤S1的详细步骤为：

步骤S11：获取目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径；

步骤S12：运用流体力学理论，建立单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型；

步骤S13：根据泵注排量、射孔簇数、孔眼内径，利用单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，分别计算不同单簇射孔数量下的孔眼摩阻压降；即利用(式1)和(式2)计算在不同单簇射孔数量情况下的孔眼摩阻压降；优选地，利用(式1)和(式2)分别计算单簇射孔数量为1簇～48簇情况下的孔眼摩阻压降；

步骤S14：根据不同单簇射孔数量下的孔眼摩阻压降，绘制孔眼摩阻随单簇射孔数量变化曲线；

步骤S15：预设单簇射孔孔眼流动摩阻压降阈值，以单簇射孔孔眼流动摩阻压降小于阈值为条件，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量；优选地，设定阈值为0.5MPa；即以单簇射孔孔眼流动摩阻压降小于0.5MPa为条件，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量。

步骤S2：根据目标深层页岩水平井的设计参数，结合单簇射孔的最少临界孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；

在本实施例中，具体的，所述深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型包括：物质平衡方程、缝内流体压降方程、压裂液体滤失方程、裂缝宽度方程、裂缝离散单元应力-应变平衡方程、裂缝离散单元坐标转换方程、裂缝高度方程、各簇水力裂缝流量分配方程、各簇水力裂缝延伸边界条件与初始条件方程、各簇水力裂缝延伸半长变异系数方程；

其中：

物质平衡方程：

式中：

q为裂缝内流量，单位：m

s为裂缝长度方向坐标，单位：m；

t为时间，单位：s；

h

w

q

缝内流体压降方程：

式中：

p为裂缝内压力，单位：Pa；

μ为液体粘度，单位：Pa·s；

压裂液体滤失方程：

式中：

C

τ为开始滤失时间，单位：s；

裂缝宽度方程：

w

式中：

(D

裂缝离散单元应力-应变平衡方程：

其中：

式中：

(σ

(σ

(D

(D

(A

(A

(A

(A

E为岩石杨氏模量，单位：Pa；

ν为地层泊松比，无量纲；

n

l

F

裂缝离散单元坐标转换方程：

式中：

ζ

x

x

y

y

裂缝高度方程：

式中：

K

各簇水力裂缝流量分配方程：

其中：

/>

式中：

p

p

Δp

Δp

p

σ

n

μ为压裂液粘度，单位：Pa·s；

L

q

q

d

下标i表示各簇裂缝编号；下标j表示各段水平井段编号；

各簇水力裂缝延伸边界条件与初始条件方程：

式中：

L

各簇水力裂缝延伸半长变异系数方程：

式中：

μ

σ

χ

进一步地，在本实施例中，步骤S2的详细步骤为：

步骤S21：获取目标深层页岩水平井的设计参数；优选地，所述设计参数包括地层参数(地层最大水平主应力、地层最小水平主应力、岩石杨氏模量、岩石泊松比、储层岩石断裂韧性、地层滤失系数)、压裂参数(压裂排量、压裂液量、泵注时间、压裂管柱内径、压裂液粘度)和射孔参数(簇间距、簇数、射孔孔眼数量、射孔孔眼内径)；

步骤S22：运用岩石力学理论、流体力学理论、流固耦合理论，建立深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型；

步骤S23：利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟均匀射孔情况下各簇水力裂缝的延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；即所述步骤S23的详细步骤为：联立(式1)～(式16)，结合(式17)，利用有限差分方法求解物质平衡方程与缝内流体压降方程，利用边界元方法求解裂缝离散单元应力-应变平衡方程，利用牛顿迭代方法求解各簇水力裂缝流量分配方程，计算各簇水力裂缝延伸过程中几何参数，包括：各簇水力裂缝半长、裂缝宽度、裂缝高度，以及各簇水力裂缝分配所得流量，并结合(式18)输出压裂结束后各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数数据。

步骤S3：根据各簇水力裂缝延伸半长，利用射孔孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量，使其数量分布不再均匀；

在本实施例中，具体的，所述射孔孔眼数量优化模型包括：

式中：

为优化后第i簇射孔孔眼数量，单位：个；

为优化前第i簇射孔孔眼数量，单位：个；

在本实施例中，具体的，所述步骤S3的详细步骤为：

步骤S31：建立射孔孔眼数量优化模型；

步骤S32：通过对比当前各簇水力裂缝延伸半长与平均延伸半长，利用射孔孔眼数量优化模型，即利用(式19)优化当前各簇射孔孔眼数量，即增加当前水力裂缝延伸半长较短的簇射孔孔眼数量，使各簇射孔孔眼数量分布不再均匀。

步骤S4：根据调整后的各簇射孔孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，确定非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；

在本实施例中，具体的，所述步骤S4的详细步骤为：

根据调整后的各簇射孔孔眼数量，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；即将调整后的各簇射孔孔眼数量代入(式15)，利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数。

步骤S5：再次利用孔眼数量优化模型，反复调整各簇射孔孔眼数量，直到各簇水力裂缝延伸半长基本一致，输出各簇射孔孔眼数量最优值，并绘制各簇水力裂缝延伸空间展布图；

在本实施例中，具体的，所述步骤S5的详细步骤为：

步骤S51：预设水力裂缝半长变异系数阈值；优选地，所述阈值设定为0.05；

若水力裂缝半长变异系数大于阈值，则再次利用孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量；即若水力裂缝半长变异系数大于0.05，则再次利用孔眼数量优化模型，调整各簇射孔孔眼数量；

若水力裂缝半长变异系数小于或等于阈值，则判定各簇射孔孔眼数量调整完毕，已达最优；并输出各簇射孔孔眼数量最优值，绘制各簇水力裂缝延伸空间展布图；即若水力裂缝半长变异系数小于或等于0.05，则判定各簇射孔孔眼数量调整完毕，已达最优。

本方法专门针对深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔工艺，建立了深层页岩水平井压裂水力裂缝起裂延伸模型、单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型、射孔孔眼数量优化模型，从而提出了深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法；由于该方法充分考虑了深层页岩水平井密切割压裂时缝间应力干扰效应对各簇水力裂缝延伸的影响，进而对非均匀射孔各簇孔眼数量进行优化调整，促使各簇水力裂缝延伸半长趋于一致，实现裂缝“抑长促短，同步延伸”的目标；解决了深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔工艺中，簇射孔孔眼数量主要依靠工程经验进行笼统设计的问题。

实施例二

实施例二是实施例一提出深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法应用在某深层页岩水平井时的实施例。

请参阅图1-3，

已知某深层页岩水平井的地层参数、压裂参数、射孔参数如表1所示。

表1某深层页岩水平井密切割压裂设计参数表

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首先，运用流体力学理论，建立单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，并结合单簇射孔孔眼流动摩阻压降模型，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量：

具体步骤为：①输入目标深层页岩水平井密切割压裂设计的泵注排量、射孔簇数、孔眼内径；②利用(式1)～(式2)，分别计算单簇射孔数量为1簇～48簇情况下的孔眼摩阻压降，绘制孔眼摩阻随单簇射孔数量变化曲线，如图2所示；以单簇射孔孔眼流动摩阻压降小于0.5MPa为条件，确定单簇射孔的最少临界孔眼数量为12个。

随后，运用岩石力学理论、流体力学理论、流固耦合理论，建立深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，并结合深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型计算各簇水力裂缝延伸情况：

具体步骤为：①将1～4号射孔簇孔眼数量均设置为12个；②联立(式1)～(式16)，结合各簇水力裂缝延伸边界条件与初始条件方程(式17)；③利用有限差分方法求解物质平衡方程与缝内流体压降方程；④利用边界元方法求解裂缝离散单元应力-应变平衡方程；⑤利用牛顿迭代方法求解各簇水力裂缝流量分配方程，计算各簇水力裂缝延伸过程中几何参数，包括：各簇水力裂缝半长、裂缝宽度、裂缝高度，以及各簇水力裂缝分配所得流量；⑥输出压裂结束后各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数数据。

随后，建立射孔孔眼数量优化模型，并结合射孔孔眼数量优化模型对当前各簇射孔孔眼数量进行反复调整，最终计算出各簇射孔孔眼数量最优值：

具体步骤为：①对比当前各簇水力裂缝延伸半长与平均延伸半长，利用(式19)优化当前各簇射孔孔眼数量，即增加当前水力裂缝延伸半长较短的簇射孔孔眼数量；②将调整后的各簇射孔孔眼数量代入(式15)，并利用深层页岩水平井密切割压裂多簇水力裂缝延伸模型，模拟非均匀射孔情况下各簇水力裂缝延伸行为，确定各簇水力裂缝延伸半长与水力裂缝半长变异系数；③若水力裂缝半长变异系数大于0.05，则再次利用射孔孔眼数量优化模型优化孔眼数量，反复调整各簇射孔孔眼数量；若水力裂缝半长变异系数小于等于0.05，则各簇射孔孔眼数量调整完毕，已达最优值。

最后，运用如图1所示的深层页岩气水平井密切割压裂非均匀射孔优化设计方法的数值计算流程框图开展实例计算，并根据计算结果，输出目标井密切割压裂非均匀射孔工艺中的各簇射孔孔眼数量最优值(如表2所示)、目标井射孔孔眼数量优化前(均匀射孔工艺)的各簇水力裂缝延伸空间展布图(如图3所示)、目标井射孔孔眼数量优化后(非均匀射孔工艺)的各簇水力裂缝延伸空间展布图(如图4所示)。

表2目标井密切割压裂非均匀射孔工艺中的各簇射孔孔眼数量最优值

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。