CN111062129A - 页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟方法，包括：分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征；建立水力压裂改造后水力裂缝‑天然裂缝和基质的渗流数学模型；建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型；构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解；利用模型对致密储层不同缝网改造情况的产量进行预测；能够处理储层中存在基质‑天然裂缝‑水力裂缝多重介质流动的情况；解决了现有商业数值模拟方法无法精确表征压裂改造区域的问题，计算结果更为客观、准确。
Description
技术领域
本公开涉及一种页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟新方法，属于非常规油气开发领域。
背景技术
页岩油储层一般具有人工压裂裂缝-天然裂缝-基质等储集和流动空间，大尺度水力裂缝流体流动能力高、中尺度天然裂缝次之、基质中最差。目前，在非常规油气裂缝-基质表征方法主要分为两类：双重介质模型和离散裂缝模型。双重介质模型假设存在表征单元体，基质和裂缝具有较为均匀的性质，在计算效率方面具有优势。其中，形状因子是该模型中最为重要的参数，传统的基于基质-天然裂缝稳态窜流假设的形状因子已经不能满足页岩油储层模拟的需求，基于非稳态窜流的形状因子可以对页岩油储层基质-裂缝窜流进行准确描述。除了对窜流因子的修正，多重连续作用体模型被提出并应用于页岩油储层的开发模拟。此后，多子域方法被提出并应用到裂缝油藏的模拟中。基本思路为通过局部流动模拟基于压力等势线将基质划分为多个子域，通过建立子域间、粗网格间链接关系并计算其传导率进行数值模拟。但由于多重连续作用体模型和多子域方法需要复杂的前处理获得不同子域间的传导率，在实际油藏数值模拟应用中受到限制。
为了克服双重介质无法准确表征裂缝形态及其流动的缺点，离散裂缝模型被提出并得到广泛应用。模型一般基于非结构网格，显式的刻画裂缝，由于离散裂缝模型需要精细划分网格来显示处理水力裂缝和天然裂缝，计算效率较低。目前，嵌入式离散裂缝模型在页岩油储层数值模拟方面展现出巨大的优势。可以直接通过黑油和组分模拟器的改进进行流动模拟。最初的EDFM方法针对高导流裂缝提出，为了能够对低导流裂缝进行有效模拟，投影嵌入式离散裂缝模型被提出，通过改善裂缝附近裂缝与基质***的传质计算方法可以对近裂缝区域压力逼近，该方法对油水两相流动模拟结果比EDFM更精确，而且不会损失计算时间。
目前，EDFM方法是近年来广受欢迎的页岩油储层裂缝-基质耦合方法，但是对于页岩油储层流动空间往往具有多尺度性，单纯利用嵌入式离散裂缝模型仍然会造成计算矩阵规模较大，计算效率低。因此，必须继续发展和改进EDFM理论方法，在保证其计算精度的同时，提高计算效率，适应大规模计算的需求。
目前的页岩油储层复杂裂缝***的数值模拟方法在计算效率和计算精度方面存在缺陷，如双重介质模型无法刻画裂缝的细节信息，而离散裂缝模型由于离散网格数量巨大，计算效率极低。
发明内容
本公开为了解决上述问题，本公开将结合嵌入式离散裂缝模型和双重介质模型的优势，在页岩油储层复杂缝网表征的基础上，构建离散裂缝-连续介质混合数值模拟方法，为页岩油开发提供技术工具。
本公开提供了一种页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟方法，利用该方法能够准确描述压裂改造区域内的渗流特征，客观的反映基质-天然裂缝-水力裂缝-井筒的关联流动，对存在天然裂缝的页岩油储层进行有效的数值模拟，预测多级压裂水平井的产能。
本公开采用下述技术方案：
一种页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟方法，包括：
步骤(1)分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征；
步骤(2)建立水力压裂改造后水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型；
步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型，其中，水力裂缝利用嵌入式离散裂缝模型处理，储层中天然裂缝和基质间的传质利用双重介质模型处理，天然裂缝与基质间的窜流考虑非稳态窜流；
步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解；
步骤(5)利用模型对致密储层不同缝网改造情况的产量进行预测。
进一步的，步骤(1)通过现场微地震分析确定页岩油储层的压裂改造区域，在改造区域内考虑基质-天然裂缝-水力裂缝-井筒间的流动，而在非压裂改造区域考虑基质-天然裂缝间的流动。其中，不同介质中的流动能力为水力裂缝中最强，基质中最弱。对于水力裂缝进行显式处理，定义其裂缝长度、裂缝形态、裂缝导流能力等参数。
进一步的，步骤(2)建立压裂改造区域内水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型，同时建立未改造区域内天然裂缝和基质的渗流数学模型。其中，模型有以下假设：(1)流体依次流过基质-天然裂缝-水力裂缝-井筒，非改造区域向改造区域供液；(2)流动在等温条件下进行；(3)流体在不同介质中的流动均遵循达西定律；(4)基质与天然裂缝间的窜流为非稳态窜流；(5)水力裂缝的导流能力远大于天然裂缝导流能力；(6)油或水为微可压缩流体，井的生产条件为定压力或者定产量。基于以上假设建立改造区域内基质、天然裂缝、水力裂缝内流体流动的连续性方程，建立水力裂缝和井筒的流动方程；同时，建立非改造区域中基质和天然裂缝的流动连续性方程。通过定义非稳态窜流因子，建立基质和天然裂缝间的流量交换方程。
进一步的，步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合模拟数学模型。利用嵌入式离散裂缝模型处理水力裂缝和天然裂缝间的流动，通过双重介质模型定义基质和天然裂缝间的流动。对基质-天然裂缝-水力裂缝进行空间离散，离散过程中基质网格和天然裂缝网格运用一套网格***，而水力裂缝依据天然裂缝网格边界自动离散。在计算过程中需要定义五类链接关系：基质网格和天然裂缝网格的链接；天然裂缝网格与天然裂缝网格间的链接；同一天然裂缝网格内水力裂缝单元和水力裂缝单元间的链接；不同天然裂缝网格内水力裂缝单元和水力裂缝单元间的链接；天然裂缝网格和水力裂缝单元间的链接。通过对离散方程添加链接可以获得完整的离散数值模拟模型。
进一步的，步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟的油水两相流动数值模拟模型，不同介质中的油水渗流数学模型利用有限体积方法进行离散，而时间项利用向后一阶欧拉差分处理，在非线性求解***构建完成后，进行求解，求解变量包含基质网格、天然裂缝网格、水力裂缝网格的压力和含水饱和度以及井的产量。
进一步的，步骤(5)建立不同的储层改造地质模型，如考虑双翼裂缝的多级压裂水平井模型、复杂裂缝水平井模型等，利用(1)-(4)对模型进行求解，获得井的产量变化曲线。利用模拟结果分析不同时刻的剩余油分布特征。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开定义了一种页岩油复杂缝网离散裂缝-连续介质混合数值模拟新方法，该模型很好的结合了嵌入式离散裂缝和连续介质模型的优点，能够处理储层中存在基质-天然裂缝-水力裂缝多重介质流动的情况。解决了现有商业数值模拟方法无法精确表征压裂改造区域的问题，该发明在计算效率上具有明显的优势。
(2)本公开所述的一种页岩油复杂缝网离散裂缝-连续介质混合数值模拟新方法可用于页岩油储层压裂改造后具有复杂改造体积条件下流体的流动模拟，计算结果更为客观、准确。该计算方法方便、实用，便于矿场应用和推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是嵌入式离散裂缝非相邻链接示意图；
图2是页岩油复杂缝网离散裂缝-连续介质混合数值模拟方法网格***示意图；
图3是页岩油复杂缝网离散裂缝-连续介质混合数值模拟流程图；
图4是实施例1地质模型示意图；
图5是实施例1不同参数条件下井产量示意图；
图6是实施例1不同参数条件下1000天和10天后的储层压力分布示意图；
图7是实施例2地质模型示意图；
图8是实施例2不同参数条件下井产量示意图；
图9是非稳态窜流和拟稳态窜流油水产量曲线图；
图10为实施例1的基本参数表；
图11为实施例1的油的高压物性参数表；
图12为实施例2的基本参数表；
图13为实施例2的相对渗透率曲线表；
1、射孔点，2、水利裂缝，3、天然裂缝，4、井筒。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术所介绍的，现有数值模拟方法无法准确描述改造区域，同时在计算速度上效率较低，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种页岩油复杂缝网离散裂缝-连续介质混合数值模拟新方法。下面结合附图和实施例对本公开作进一步的描述。
步骤(1)分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征。如图1，水力压裂后在井周围形成具有高导流能力的水力裂缝，水力裂缝在井的生产过程中起到主导作用。储层中发育天然裂缝，天然裂缝的导流能力明显低于水力裂缝，但高于基质。水力裂缝发育的区域定义为压裂改造区域，而压裂区域以外的区域是非压裂改造区域。
步骤(2)建立水力压裂改造后水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型。
考虑油水两相流动，依据质量守恒方程可以建立两相渗流的连续性方程：
其中φ是孔隙度；ρ为流体密度；q为源或汇；u*为基质和裂缝间的窜流量；t为时间。
油水的流动符合达西定律：
在基质中油和水的连续性方程为：
基质和天然裂缝的窜流量为：
拟稳态窜流因子为：
其中k为渗透率；Lx,Ly,Lz为基质在x,y,z方向的尺寸；μ为流体粘度；kr为相对渗透率；下标m,f,w,o,代表基质、天然裂缝、水、油。
非稳态窜流因子为：
辅助方程为：
Sof+Swf＝1 (9)
pcowf＝pof-pwf (10)
Som+Swm＝1 (11)
pcowm＝pom-pwm (12)
其中，S未饱和度；pc为毛管压力。
步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型，其中，水力裂缝利用嵌入式离散裂缝模型处理，储层中天然裂缝和基质间的传质利用双重介质模型处理，天然裂缝与基质间的窜流考虑非稳态窜流。
利用全隐式方法对连续性方程进行离散：
其中：
其中，Vb是网格体积；Q为源汇项；Tf为传导率，一般的密度ρ和粘度μ利用算数平均获得；
利用调和平均值计算；kr利用上游迎风方法获得。
步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解；
通过增加非相邻链接，对连续性方程进行改进：
其中qN为：
步骤(5)利用模型对页岩油储层不同压裂裂缝的产量进行预测。
案例分析
实施例1：
步骤(1)分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征。如图4为本案例地质模型，模型基本参数如图10，其中发育3条水力裂缝，20条大尺度天然裂缝。
步骤(2)建立水力压裂改造后水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型。渗流数学模型完全参考公式(1)(2)。
步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型，其中，水力裂缝利用嵌入式离散裂缝模型处理，储层中天然裂缝和基质间的传质利用双重介质模型处理，天然裂缝与基质间的窜流考虑非稳态窜流。模型最终形式参考公式(23)。
步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解。求解流程如图3。
步骤(5)利用模型对致密储层不同缝网改造情况的产量进行预测。产量如图5。
实施例2：
步骤(1)分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征。如图7为本案例地质模型，模型基本参数如图11，其中发育多条水力裂缝。
步骤(2)建立水力压裂改造后水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型。渗流数学模型完全参考公式(1)(2)。
步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型，其中，水力裂缝利用嵌入式离散裂缝模型处理，储层中天然裂缝和基质间的传质利用双重介质模型处理，天然裂缝与基质间的窜流考虑非稳态窜流。模型最终形式参考公式(23)。
步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解。求解流程如图3。
步骤(5)利用模型对致密储层不同缝网改造情况的产量进行预测。产量如图9。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种页岩油复杂缝网离散裂缝连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,包括：
步骤(1)分析页岩油储层压裂施工状况，确定压裂改造区域水力裂缝性质，并对水力裂缝进行显式表征；
步骤(2)建立水力压裂改造后水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型；
步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质混合数值模拟数学模型，其中，水力裂缝利用嵌入式离散裂缝模型处理，储层中天然裂缝和基质间的传质利用双重介质模型处理；
步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟模型，包含单相或油水两相流动数值模拟模型，并进行求解；
步骤(5)利用所述渗流数学模型、模拟数学模型和数值模拟模型对致密储层不同缝网改造情况的产量进行预测。
2.如权利要求1所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,步骤(1)通过现场微地震分析确定页岩油储层的压裂改造区域，在改造区域内考虑基质-天然裂缝-水力裂缝-井筒间的流动，而在非压裂改造区域考虑基质-天然裂缝间的流动。
3.如权利要求1所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,步骤(2)建立压裂改造区域内水力裂缝-天然裂缝和基质的渗流数学模型，同时建立未改造区域内天然裂缝和基质的渗流数学模型。
4.如权利要求1所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,步骤(3)建立嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合模拟数学模型；利用嵌入式离散裂缝模型处理水力裂缝和天然裂缝间的流动，通过双重介质模型定义基质和天然裂缝间的流动。
5.如权利要求1所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,步骤(4)构建嵌入式离散裂缝与连续性介质模型混合数值模拟的油水两相流动数值模拟模型，不同介质中的油水渗流数学模型利用有限体积方法进行离散，而时间项利用向后一阶欧拉差分处理，在非线性求解***构建完成后，进行求解，求解变量包含基质网格、天然裂缝网格、水力裂缝网格的压力和含水饱和度以及井的产量。
6.如权利要求1所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)建立不同的储层改造地质模型，包括双翼裂缝的多级压裂水平井模型和复杂裂缝水平井模型，利用步骤(1)-(4)对模型进行求解，获得井的产量变化曲线；利用模拟结果分析不同时刻的剩余油分布特征。
7.如权利要求2所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,不同介质中的流动能力为水力裂缝中最强，基质中最弱；对于水力裂缝进行显式处理，定义其裂缝长度、裂缝形态和裂缝导流能力。
8.如权利要求3所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,所述渗流数学模型有以下假设：
(1)流体依次流过基质-天然裂缝-水力裂缝-井筒，非改造区域向改造区域供液；
(2)流动在等温条件下进行；
(3)流体在不同介质中的流动均遵循达西定律；
(4)基质与天然裂缝间的窜流为非稳态窜流；
(5)水力裂缝的导流能力远大于天然裂缝导流能力；
(6)油或水为微可压缩流体，井的生产条件为定压力，或，定产量。
9.如权利要求4所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,对基质-天然裂缝-水力裂缝进行空间离散，离散过程中基质网格和天然裂缝网格运用一套网格***，水力裂缝依据天然裂缝网格边界自动离散；
在计算过程中需要定义五类链接关系：基质网格和天然裂缝网格的链接；天然裂缝网格与天然裂缝网格间的链接；同一天然裂缝网格内水力裂缝单元和水力裂缝单元间的链接；不同天然裂缝网格内水力裂缝单元和水力裂缝单元间的链接；天然裂缝网格和水力裂缝单元间的链接；通过对离散方程添加链接可以获得完整的离散数值模拟模型。
10.如权利要求9所述的连续介质混合数值模拟方法，其特征在于,基于所述假设建立改造区域内基质、天然裂缝和水力裂缝内流体流动的连续性方程，建立水力裂缝和井筒的流动方程；同时，建立非改造区域中基质和天然裂缝的流动连续性方程；通过定义非稳态窜流因子，建立基质和天然裂缝间的流量交换方程。
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