CN115510778A - 一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及***，包括：确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；根据陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；对陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案，能够提高陆相页岩储层改造效果，进而提高油气开发的效果。

Description

一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及***

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，特别是涉及一种提高陆相页岩储层改造效果的无限级压裂新工艺优化方法及***。

背景技术

多级压裂技术具有作业时间短、压裂效率高、节省成本、降低环境污染等优势。传统桥塞射孔压裂工艺压裂层位不准，周期长，入井施工次数多，射孔起裂效率难以保证。因此，国内现多采用裸眼分段滑套压裂技术进行多级压裂作业。该技术利用套管注入压裂液，借助水泥环和堵塞器实现层间封隔，通过投球打开压裂滑套实施压裂施工，储层改造均匀度高。然而，此技术中套管及投球尺寸会限制压裂的级数，且层位定位仍不明确，无法检测到各层位压力。渤海湾盆地沧东凹陷孔二段陆相页岩储层岩性复杂多样，层理发育程度高且储层应力非均质性强。开采前期阶段采用水平井分段多簇射孔完井、密切割压裂工艺对陆相页岩储层进行体积压裂改造。现场压裂施工后，声发射监测结果显示射孔起裂效率低，裂缝扩展差异大，难以形成复杂缝网。对此，本发明提供一种提高陆相页岩储层改造效果的无限级压裂新工艺优化方法及***。

发明内容

本发明的目的是提供一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及***。在不同施工参数下，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，对比不同施工参数下的无限级压裂数值模拟，并结合射孔压裂数值模拟结果得出最优的无限级压裂工艺方案，能够解决常规压裂工艺的射孔起裂效率低，裂缝扩展差异大，难以形成复杂缝网问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法，包括：

确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度；

根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；

对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积；

对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

可选的，所述利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果，具体包括：

以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型；

利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

可选的，所述利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果，具体包括：

对射孔压裂或无限级压裂，在所述预设时间步长内，利用所述流体流动模型分别计算每一簇的流体压力，构建每一簇的泵注曲线；所述泵注曲线的横坐标为预设时间步长，纵坐标为每一簇在每一时间步长下对应的流体压力；

确定每一所述泵注曲线的最高点，并根据每一所述最高点和簇数计算各簇平均破裂压力；所述泵注曲线的最高点为对应簇的破裂压力；

对所述射孔压裂或所述无限级压裂，在所述预设时间步长内，根据所述流体流动模型和所述流固耦合过程分别计算射孔压裂和无限级压裂下各簇的最终裂缝宽度；

根据各簇的所述最终裂缝宽度计算裂缝体积，并根据所述裂缝体积计算压裂有效裂缝占比；

根据各簇的所述裂缝体积计算各簇的储层改造体积；

根据各簇的所述储层改造体积计算平均储层改造体积；

根据各簇的所述储层改造体积和储层改造体积均值计算各簇改造体积均匀度；

对所述射孔压裂或所述无限级压裂，根据出现拉剪破坏的所述弹簧两端节点的单位法向向量和储层初始应力，计算各簇诱导应力。

可选的，所述在所述预设时间步长内，根据所述流体流动模型和所述流固耦合过程分别计算射孔压裂和无限级压裂下各簇的最终裂缝宽度，具体包括：

在第n时间步长下，利用所述流体流动模型计算n时间步长对应的裂缝宽度；n＝1，2，...，H；

根据所述n时间步长对应的裂缝宽度调整n时间步长所述流固耦合过程，并根据所述n时间步长所述流固耦合过程更新所述流体流动模型；

利用更新的流体流动模型计算n+1时间步长对应的裂缝宽度；

当n+1为预设时间步长值，则所述n+1时间步长对应的裂缝宽度为最终裂缝宽度；

当n+1小于预设时间步长值H时，则令n＝n+1，返回步骤“在第n时间步长下，利用所述流体流动模型计算n时间步长对应的裂缝宽度”。

可选的，利用所述流体流动模型计算裂缝宽度的表达式为：

k_r＝s²(3-2s)

式中，q表示两个流体单元之间的流体流量；β为无量纲系数；k_r表示相对渗透率；a表示裂缝宽度；μ表示流体黏度；P^A和P^B分别代表流体单元A和流体单元B处流体压力；ρ_w表示流体密度；g表示重力加速度；z^A和z^B分别表示流体单元A和流体单元B处的标高；s表示含水饱和度。

可选的，所述压裂有效裂缝占比计算表达式为：

式中，

为第j簇裂缝的裂缝体积；当压裂裂缝体积大于裂缝总体积除以裂缝簇数N的70％时，裂缝为有效裂缝。

可选的，所述储层改造体积的表达式为：

式中，

表示第j簇的储层改造体积。

可选的，所述改造体积均匀度的表达式为：

式中，

是各簇裂缝的储层改造体积均值。

本发明还提供一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化***，包括：

岩性和层面弱面属性确定模块，用于确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度；

陆相页岩储层模型建立模块，用于根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；

压裂数值模拟模块，用于对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积；

压裂最优方案确定模块，用于对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

可选的，所述压裂数值模拟模块具体包括：

以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型；

利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及***，包括：确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；根据陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；对陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案，通过在不同施工参数下，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，对比不同施工参数下的无限级压裂数值模拟，并结合射孔压裂数值模拟结果得出最优的无限级压裂工艺方案，能够解决常规压裂工艺的射孔起裂效率低、裂缝扩展差异大、难以形成复杂缝网问题。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无限级压裂工艺施工流程图；

图2为本发明实施例1提供的一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法流程图；

图3为本发明实施例1提供的陆相页岩不同岩性建模；

图4为本发明实施例1提供的现场尺度射孔与无限级分段分簇压裂建模；

图5为本发明实施例1提供的三维离散格子法流体流动模型图；

图6为本发明实施例1提供的泵注结束后，两种不同压裂工艺不同岩性与施工条件下的平均破裂压力、储层改造体积均匀度对比图；

图7为本发明实施例1提供的泵注结束后，两种不同压裂工艺不同岩性与施工条件下的有效裂缝占比、平均储层改造体积对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如图1所示，无限级压裂技术通过逐级投入可溶堵塞器打开无限级滑套压裂，并同时利用导压管线传导至上一级，在液缸推动下形成闭合球座，借此准确压裂地层，实现自下而上级数不限的压裂改造。现场技术人员希望针对该区块陆相页岩储层进行无限级压裂工艺改造优化，有效降低裂缝在不同岩性页岩中的起裂破裂压力，提高各级储层改造均匀度，以形成复杂裂缝网络，最大限度改善储层改造效果。

本发明的目的是提供一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法及***。采用本发明的无限级压裂工艺优化方法及***，在不同施工参数下，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，对比不同施工参数下的无限级压裂数值模拟，并结合射孔压裂数值模拟结果得出最优的无限级压裂工艺方案，能够解决常规压裂工艺的射孔起裂效率低，裂缝扩展差异大，难以形成复杂缝网问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法，包括：

S1：确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性.如图3所示，所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度。

选取孔二段陆相页岩储层典型岩性进行示例分析，其中，如图4所示，模型几何尺寸为300m×300m×18m；储层的岩性小层通过前期现场岩心库结合岩性分布表格拍照识别并统计，各小层岩石力学参数通过前期地质勘探数据结合深度学习训练获取，为研究陆相页岩复杂岩性储层建模提供参数。层理缝抗拉强度与抗剪强度根据已有文献数据获得，为研究陆相页岩层理发育储层建模提供参数。

S2：根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型。

S3：对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积。

其中，S3具体包括：

S31：以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型。

所述三维离散格子法，该方法使用黏结颗粒模型将岩石颗粒简化成节点，弹簧来表示具有弹性特征的岩石接触面，光滑节理模型模拟射孔或滑套形成的起始簇及岩体中预存的不连续弱面。格点连接着带有法向刚度与剪切刚度的弹簧，弹簧的拉张剪切对应了岩石的拉剪破坏，位于破裂弹簧中心的币状流体单元间可形成管网以供流体流动，如图5所示。众多由弹簧连接的准随机分布节点组成格点弹簧网络，节理能够以任意方位放置其中，用以精确而高效的表征裂缝断裂。

三维离散格子法主要包含的数值模型有力学模型和流体流动模型，其中，力学模型和流体流动模型完全耦合模，即存在流固耦合过程。

关于力学模型：

弹簧格点发生位移的速度由以下中心差分方程计算：

式中：

和

分别表示时间t时节点第i个分量(i＝1，2，3)的速度和位移；∑F_i表示作用在节点上所有i分量的合力；△t为时间步长；m为节点质量。

弹簧的剪切或拉伸破坏对应与岩石的剪切或拉伸破坏，微观弹簧与宏观岩体的抗拉剪强度对应关系为：

式中：F^Nmax与F^Smax分别表示弹簧的断裂拉力与断裂剪力；a_t为抗拉强度校正系数；T与C分别表示宏观岩体抗拉强度与抗剪强度；R表示网格单元尺寸；μ表示摩擦系数；a_s为抗剪强度校正系数。

当弹簧法向应力大于抗拉强度(F^N>F^Nmax)，或弹簧切向力大于抗剪强度(F^S>F^Smax)时，弹簧发生拉伸破坏或者剪切破坏。微裂缝在弹簧发生破坏之后形成，此时对应的破坏弹簧的法向力和切向力均为0，即F^N＝0和F^S＝0。

对于流体流动模型：

假定管宽与管长相等，流体沿管道从流体单元A到单元B的流量公式为：

k_r＝s²(3-2s)

式中：q表示流体流量；β为无量纲系数；k_r表示相对渗透率；a表示裂缝宽度；μ表示流体黏度；P^A和P^B分别代表流体单元A和流体单元B处流体压力；ρ_w表示流体密度；g表示重力加速度；z^A和z^B分别表示节点A和B处的标高；k_r表示相对渗透率；s表示含水饱和度。

显示计算方法被用以求解流动过程中随时间变化的流动演化模型，在流动时间步长△t_f内，流动压力增量△P的计算公式为：

式中：△P为流动压力增量，Pa；

表示显示流体弹性模量；V为节点的体积；q_i表示与节点i连接的流体管道的流量。

对于流-固耦合过程，采用由Peter Cundall提出的机械不可压缩流体流-固耦合方法进行流体注入应力诱发裂缝或岩体中预存节理与岩石变形的耦合。这种方法通过岩石变形及初始裂缝宽度求解裂缝渗透率。受渗透率影响，流压作用于裂缝表面进而影响岩石变形。而岩石的变形又反过来导致裂缝宽度及流压变化，进而造成裂缝渗透率的变化。

S32：利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

本实施例中，利用三维离散格子模型分别对两种不同的压裂工艺进行压裂数值模拟，这样能够得出不同压裂工艺下的不同施工参数下的压裂数值模拟结果(各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积)。需要说明的是，数值模拟时，只是压裂工艺不同，计算数值模拟结果的方式相同。

具体的，步骤S32包括：

S321：分别对射孔压裂和无限级压裂，在所述预设时间步长内，利用所述流体流动模型分别计算每一簇的流体压力，构建每一簇的泵注曲线；所述泵注曲线的横坐标为预设时间步长，纵坐标为每一簇在每一时间步长下对应的流体压力。

如图4所示，对于射孔压裂技术来说，由于其技术本身的原因计算时可以分段分簇计算，只是每一分段内的各簇对应的数据相同。对于无限级压裂技术来说，一级(簇)一级的压裂，则一簇一簇的计算，各簇对应的数据一般是不同。

S322：确定每一所述泵注曲线的最高点，并根据每一所述最高点和簇数计算各簇平均破裂压力；所述泵注曲线的最高点为对应簇的破裂压力。

S323：分别对所述射孔压裂和所述无限级压裂，在所述预设时间步长内，根据所述流体流动模型和所述流固耦合过程分别计算射孔压裂和无限级压裂下各簇的最终裂缝宽度。

由于力学模型和流体流动模型完全耦合，模型实现完全耦合。流体在应力诱导裂缝或预存在的天然裂缝中的流动受到渗透率影响，流体压力作用在岩石裂缝表面，影响岩石的变形和强度。而岩石的变形会导致裂缝中流体压力变化与宽度变化，进而导致裂缝渗透率发生变化。所以由于流固耦合过程，在泵注的过程中，流体压力和岩石变形相互影响，使得裂缝宽度也不断的变化，所以需要利用流体流动模型初始裂缝宽度，再结合流固耦合过程不断的更新流体流动模型，最终计算泵注结束后的最终裂缝宽度。具体的，步骤S323包括：

S323-1：在第n时间步长下，利用所述流体流动模型计算n时间步长对应的裂缝宽度；n＝1，2，...，H。

S323-2：根据所述n时间步长对应的裂缝宽度调整n时间步长所述流固耦合过程，并根据所述n时间步长所述流固耦合过程更新所述流体流动模型。

S323-3：利用更新的流体流动模型计算n+1时间步长对应的裂缝宽度。

S323-4：当n+1为预设时间步长值，则所述n+1时间步长对应的裂缝宽度为最终裂缝宽度。

S323-5：当n+1小于预设时间步长值H时，则令n＝n+1，返回步骤S323-1。

S34：根据各簇的所述最终裂缝宽度计算裂缝体积，并根据所述裂缝体积计算压裂有效裂缝占比。

所述压裂有效裂缝占比计算表达式为：

式中，

为第j簇裂缝的裂缝体积；当压裂裂缝体积大于理想裂缝体积(裂缝总体积除以裂缝簇数N)的70％时，裂缝为有效裂缝。

当确认裂缝是否为有效裂缝后，则能够进一步确定压裂有效裂缝的占比。

S35：根据各簇的所述裂缝体积计算各簇的储层改造体积。

所述储层改造体积的表达式为：

表示第j簇的储层改造体积。

S36：根据各簇的所述储层改造体积计算平均储层改造体积。

各簇的所述储层改造体积之和除以簇数则为平均储层改造体积。

S37：根据各簇的所述储层改造体积和储层改造体积均值计算各簇改造体积均匀度。

所述改造体积均匀度的表达式为：

式中，

是各簇裂缝的储层改造体积均值。

平均储层改造体积、压裂裂缝有效率(占比)和各簇改造体积均匀度是基于裂缝几何形态求解得到的，裂缝几何形态可通过力学模型、流体模型及耦合后计算所得的三向位移坐标点可视化得到。

S38：对所述射孔压裂或所述无限级压裂，根据出现拉剪破坏的所述弹簧两端节点的单位法向向量和储层初始应力，计算各簇诱导应力。

具体表达式为：

式中：σ_h,w表示一个节点在h方向分量(h＝X，Y，Z)和w方向分量(w＝X，Y，Z)的三维坐标系地应力分量；节点的单位法向向量n_h ^X＝(u_h ^X-u_h ^Y)/u_h ^X-u_h ^Y(即两节点在X,Y,Z方向位移矢量u_h ^X，u_h ^Y，u_z ^Z与对应相切方向的位移矢量之差比上其绝对值)；

表示弹簧两端节点P和Q分别在X,Y,Z方向的单位法向向量的点乘(投影)；σ_X,σ_Y,σ_Z为输入的地层初始三向应力。

依据上述的表达式可以计算出流固耦合过程中每个节点的应力分量σ_h,w，根据各簇裂缝形成具***置处的出现拉剪破坏的弹簧两端节点的单位法向向量和储层初始应力即可得出各簇压裂诱导应力场。

S4：对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

本实施例中，得出了不同施工参数下，射孔压裂下的各簇平均破裂压力、各簇诱导应力分布、平均储层改造体积、压裂裂缝有效率(占比)和各簇改造体积均匀度，以及无限级压裂下的各簇平均破裂压力、各簇诱导应力分布、平均储层改造体积、压裂裂缝有效率(占比)和各簇改造体积均匀度，不仅仅可以对比不同施工参数下无限级压裂数值模拟结果，还能够对比着射孔压裂数值模拟结果，从而能够得出最优的无限级压裂工艺(最优的施工参数)，用于指导现场无限级压裂技术。如图6所示，泵注结束后，两种不同压裂工艺不同岩性与施工条件下的平均破裂压力、储层改造体积均匀度对比。如图7所示，泵注结束后，两种不同压裂工艺不同岩性与施工条件下的有效裂缝占比、平均储层改造体积对比。将这些模拟结果综合起来得出一个最优的无限级压裂工艺方案。

本实施例还具有以下优点：

(1)针对孔二段陆相页岩储层特性，研究页岩地层不同岩性、层理弱面属性条件下裂缝扩展规律。

(2)依托孔二段典型陆相页岩储层水平井，开展无限级压裂优化方案研究，通过数值模拟方法研究起始裂缝开度、级数与级间距、泵注排量与压裂液黏度对储层改造效果的影响，深化无限级压裂裂缝扩展规律理解，为孔二段典型陆相页岩水平井无限级压裂优化方案制定提供指导。

(3)针对孔二段典型陆相页岩储层水平井，开展现场尺度的无限级滑套压裂裂缝扩展数值模拟，并分析不同施工参数(包含：起始裂缝开度、级数与级间距、泵注排量及压裂液黏度)下的各级储层改造体积均匀度与破裂压力差异性的原因，为无限级压裂施工参数优化提供有利依据。

(4)三维离散格子法通过将模拟的区域离散为点质量以及连接点质量的弹簧来建立模型，计算效率比离散元有极大的改进。其可以直接模拟真三维条件下裂缝的扩展。

实施例2

本实施例提供一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化***，包括：

岩性和层面弱面属性确定模块M1，用于确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度；

陆相页岩储层模型建立模块M2，用于根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；

压裂数值模拟模块M3，用于对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积；

其中，所述压裂数值模拟模块M3具体包括：

以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型；

利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

压裂最优方案确定模块M4，用于对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体案例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种陆相页岩储层无限级压裂工艺优化方法，其特征在于，包括：

确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度；

根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；

对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积；

对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果，具体包括：

以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型；

利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果，具体包括：

对射孔压裂或无限级压裂，在所述预设时间步长内，利用所述流体流动模型分别计算每一簇的流体压力，构建每一簇的泵注曲线；所述泵注曲线的横坐标为预设时间步长，纵坐标为每一簇在每一时间步长下对应的流体压力；

确定每一所述泵注曲线的最高点，并根据每一所述最高点和簇数计算各簇平均破裂压力；所述泵注曲线的最高点为对应簇的破裂压力；

对所述射孔压裂或所述无限级压裂，在所述预设时间步长内，根据所述流体流动模型和所述流固耦合过程分别计算射孔压裂和无限级压裂下各簇的最终裂缝宽度；

根据各簇的所述最终裂缝宽度计算裂缝体积，并根据所述裂缝体积计算压裂有效裂缝占比；

根据各簇的所述裂缝体积计算各簇的储层改造体积；

根据各簇的所述储层改造体积计算平均储层改造体积；

根据各簇的所述储层改造体积和储层改造体积均值计算各簇改造体积均匀度；

对所述射孔压裂或所述无限级压裂，根据出现拉剪破坏的所述弹簧的两端节点的单位法向向量和储层初始应力，计算各簇诱导应力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述预设时间步长内，根据所述流体流动模型和所述流固耦合过程分别计算射孔压裂和无限级压裂下各簇的最终裂缝宽度，具体包括：

在第n时间步长下，利用所述流体流动模型计算n时间步长对应的裂缝宽度；n＝1，2，...，H；

根据所述n时间步长对应的裂缝宽度调整n时间步长所述流固耦合过程，并根据所述n时间步长所述流固耦合过程更新所述流体流动模型；

利用更新的流体流动模型计算n+1时间步长对应的裂缝宽度；

当n+1为预设时间步长值，则所述n+1时间步长对应的裂缝宽度为最终裂缝宽度；

当n+1小于预设时间步长值H时，则令n＝n+1，返回步骤“在第n时间步长下，利用所述流体流动模型计算n时间步长对应的裂缝宽度”。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述流体流动模型计算裂缝宽度的表达式为：

k_r＝s²(3-2s)

式中，q表示两个流体单元之间的流体流量；β为无量纲系数；k_r表示相对渗透率；a表示裂缝宽度；μ表示流体黏度；P^A和P^B分别代表流体单元A和流体单元B处流体压力；ρ_w表示流体密度；g表示重力加速度；z^A和z^B分别表示流体单元A和流体单元B处的标高；s表示含水饱和度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压裂有效裂缝占比计算表达式为：

式中，

为第j簇裂缝的裂缝体积；当压裂裂缝体积大于裂缝总体积除以裂缝簇数N的70％时，裂缝为有效裂缝。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述储层改造体积的表达式为：

式中，

表示第j簇的储层改造体积。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述改造体积均匀度的表达式为：

式中，

是各簇裂缝的储层改造体积均值。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的方法的***，其特征在于，包括：

岩性和层面弱面属性确定模块，用于确定研究区块的陆相页岩的岩性和陆相页岩储层的层面弱面属性；所述陆相页岩的岩性包括纹层状长英质页岩和层状灰云质页岩；所述陆相页岩储层的层面弱面属性包括层理缝抗拉强度与抗剪强度；

陆相页岩储层模型建立模块，用于根据所述陆相页岩的岩性和所述陆相页岩储层的层面弱面属性建立陆相页岩储层模型；

压裂数值模拟模块，用于对所述陆相页岩储层模型施加不同压裂工艺施工参数后，利用三维离散格子法分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得出不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述压裂工艺施工参数包括起始裂缝开度、压裂施工簇数与簇间距、压裂液黏度压裂泵注排量；所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果均包括各簇平均破裂压力、各簇诱导应力、压裂裂缝有效占比、各簇改造体积均匀度和平均储层改造体积；

压裂最优方案确定模块，用于对比不同压裂工艺施工参数下的所述射孔压裂数值模拟结果和所述无限级压裂数值模拟结果确定无限级压裂工艺最优方案。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述压裂数值模拟模块具体包括：

以岩石颗粒为节点，以岩石颗粒之间的接触为节点间的弹簧；流体单元位于出现拉剪破坏的所述弹簧的中心，所述流体单元之间通过流体管道连接，构建出三维离散格子模型；

利用所述三维离散格子模型分别进行射孔压裂数值模拟和无限级压裂数值模拟，得到不同压裂工艺施工参数下的射孔压裂数值模拟结果和无限级压裂数值模拟结果；所述三维离散格子模型包括固体力学模型和流体流动模型；所述固体力学模型和所述流体流动模型之间存在流固耦合过程。

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