CN116070455B - 一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，包括收集压裂井目标储层基础参数；计算水力裂缝闭合后的裂缝宽度；计算管柱内的流体静液柱压力；计算支撑裂缝充填层中支撑剂颗粒启动的临界流速；基于井口油压、临界流速和管柱沿程摩阻迭代计算井底压力，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流速和排液临界流量；根据监测获得的井口油压和临界流量计算油嘴直径；遍历实际监测的井口油压重复步骤计算随变化的油嘴直径。本发明是基于矿场压后实时监测到的井口油压调节油嘴直径，该方法避免了早期使用具有不确定滤失系数和裂缝高度的不足，而且计算方法具有简便、可靠、可操作性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，属于油气田开发的低渗储层水力压裂增产改造领域。
背景技术
水力压裂是低渗-特低渗储层有效/高效开发的重要技术。压裂结束(停泵)后通常要求尽快将进入储层的压裂液返排出来以避免压裂液长时间滞留地层和支撑裂缝，引起严重的对储层基质和支撑裂缝的伤害，现代压裂技术已从早期的压后裂缝自然闭合、小排量排液发展到快速排液。但如果压后排液速度过高有可能导致人工裂缝中支撑剂随返排压裂液进入管柱/井筒、支撑剂颗粒随返排液进入生产流程而带来的设备磨蚀损坏等。因此，压后排液应该是在确保支撑剂充填层稳定、不出现支撑剂回流的约束条件下的有控制的快速排液，而该过程是通过调节地面油嘴来实现的。由于压后排液必然伴随井口油压降低，相应的油嘴尺寸也应该进行相应的实时调节。针对上述问题，本发明针对水力压裂后支撑剂充填层中支撑剂颗粒回流控制问题，考虑其在重力与浮力、液流拖曳力与举升力、有效闭合压力和支撑剂粘结主力等共同作用下的启动条件，确定支撑剂回流的液流临界流速；从储层裂缝-管柱-油嘴的***角度，基于***中的流量与压力协调约束提出了控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法。本发明提出的方法可以有效避免支撑回流对生产流程的磨蚀、实现压后工作液的快速排出以降低对储层的伤害，从而提高水力压裂增产效果。
压后快速排液技术出现以来，合理控制快速排液措施主要是通过室内实验测试支撑剂充填层的支撑剂颗粒回流规律来得到支撑剂回流控制经验方程；二是优选支撑剂以增大颗粒启动和流化的阻力，从而提高支撑剂启动的临界液流速度。三是基于支撑剂充填裂缝中固相颗粒启动条件确定临界流速，并采用物质平衡原理和咀流中流体流动理论建立井口油压与放喷油嘴直径的关系，由于模型中采用了难以准确获取的具有不确定性的压裂液滤失系数和裂缝高度等参数，其计算结果必然具有不确定性，因此制约了在矿场实践的有效应用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，以便有效阻止压后排液过程支撑剂流出裂缝导致的支撑裂缝宽度变窄而降低压裂支撑裂缝导流能力、防止压裂支撑剂颗粒对管柱和地面管线的磨蚀作用而增加其寿命；从而能够明显改善低渗储层水力加砂压裂改造效果并降低生产成本。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂井目标储层基础参数；
步骤S20、计算水力裂缝闭合后的裂缝宽度；
步骤S30、计算管柱内的流体静液柱压力；
步骤S40、计算支撑裂缝充填层中支撑剂颗粒启动的临界流速；
步骤S50、基于井口油压、临界流速和管柱沿程摩阻迭代计算井底压力，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流速和排液临界流量；
步骤S60、根据监测获得的井口油压和临界流量计算油嘴直径；
步骤S70、遍历实际监测的井口油压重复步骤S40～60计算随变化的油嘴直径。
进一步的技术方案是，所述压裂井目标储层基础参数包括井深、产层厚度、闭合压力、压裂返排液密度、压裂返排液粘度、支撑剂颗粒密度、支撑剂颗粒粒度、支撑剂充填孔隙度以及地面压力计的实时压力监测数据。
进一步的技术方案是，所述步骤S20中的计算公式为：
式中：wp为支撑裂缝宽度，m；Cp为支撑剂铺置浓度，Kg/m2；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；φp为支撑剂充填孔隙度，小数。
进一步的技术方案是，所述步骤S20中的计算公式为：
ph＝10-6ρgL
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为排液管柱长度，m。
进一步的技术方案是，所述步骤S40的具体过程为：
步骤S41、计算给定井口油压下的井底压力pwf；
步骤S42、根据井底压力pwf计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速；
步骤S43、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，并确定最终的临界速度。进一步的技术方案是，所述步骤S41中的计算公式为：
pwf＝pch+ph+Δpst
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；pch为给定井口油压，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa。
进一步的技术方案是，所述步骤S42中的计算公式为：
式中：pc为储层闭合压力，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；dp为支撑剂直径，m；vc为支撑剂颗粒启动的临界流速，m/s。
进一步的技术方案是，所述步骤S50的具体过程为：
步骤S51、根据裂缝宽度和支撑剂颗粒启动的临界流速计算压裂管柱的排液临界流量和排液临界流速；
步骤S52、计算排液***中的管柱沿程摩阻；
步骤S53、将步骤S52中得到的管柱沿程摩阻代入步骤S40中，并重复步骤S40-S50进行迭代计算，直到满足|pwf (n)-pwf (n+1)|/pwf (n)≤εo的给定精度要求，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流量和排液临界流速。
进一步的技术方案是，所述步骤S51中的计算公式为：
q＝2(0.785wphevc)
v＝q/(πD2/4)
式中：q为排液临界流量，m3/s；he为储层有效厚度，m；D为压后管柱直径，m。
进一步的技术方案是，所述步骤S52中的计算公式为：
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；f为沿程流动摩阻系数，无因次；λ为返排液减阻率，无因次。
进一步的技术方案是，所述油嘴直径的计算公式为：
式中：pch为油嘴压力，MPa；Cd为流量系数，通常为0.85；d为油嘴直径，mm。
本发明具有以下有益效果：本发明避免了早期使用具有不确定滤失系数和裂缝高度的不足，而且计算方法具有简便、可靠、可操作性等特点；还可以有效避免支撑回流对生产流程的磨蚀、实现压后工作液的快速排出以降低对储层的伤害，从而有效提高水力压裂增产效果。
附图说明
图1为裂缝中支撑剂颗粒受力示意图；
图2为压裂裂缝-压裂管柱-油嘴***图；
图3为压后返排液临界流速随井口油压变化关系图；
图4为压后排液过程油嘴临界直径随井口油压变化动态(30/50陶粒)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
本发明的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂井目标储层基础参数，主要包括井深、产层厚度、闭合压力、压裂返排液密度、压裂返排液粘度、支撑剂颗粒密度、支撑剂颗粒粒径、孔隙度以及地面压力计的实时压力监测数据；
步骤S20、计算水力裂缝闭合后的裂缝宽度；
式中：wp为支撑裂缝宽度，m；Cp为支撑剂铺置浓度，Kg/m2；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；φp为支撑剂充填孔隙度(通常取0.35)，小数；
步骤S30、计算管柱内的流体静液柱压力；
ph＝10-6ρgL (2)
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为管柱长度(取储层埋深)，m；
步骤S40、计算支撑裂缝充填层中支撑剂颗粒启动的临界流速；
步骤S41、计算给定井口油压下的井底压力pwf；
pwf＝pch+ph+Δpst (3)
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa；pch为给定井口油压，MPa；
步骤S42、根据井底压力pwf计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速；
根据力矩平衡原理建立支撑剂颗粒滚动的平衡方程，确定不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速如下；
式中：pc为储层闭合压力，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；dp为支撑剂颗粒直径，m；vc为支撑剂颗粒启动的临界流速，m/s；
步骤S43、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，并确定最终的临界速度；
式中：Rep为支撑剂颗粒雷洛数，无因次；ρ为液体的密度，kg/m3；dp为支撑剂直径，m；vc为支撑剂颗粒启动的临界流速，m/s；μ为压裂液粘度，Pa.s；
步骤S50、基于井口油压、临界流速和管柱沿程摩阻迭代计算井底压力，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流速和排液临界流量；
步骤S51、根据裂缝宽度和支撑剂颗粒启动的临界流速计算压裂管柱的排液临界流量和排液临界流速；
q＝2(0.785wphevc) (3)
v＝q/(πD2/4) (4)
式中：q为排液临界流量，m3/s；he为储层有效厚度，m；D为压后排液管柱直径，m；v为排液临界流速；
步骤S52、计算排液***中的管柱沿程摩阻；
首先计算雷洛数Nre和摩阻系数f；
式中：f为沿程流动摩阻系数，无因次；
再根据摩阻系数f计算管柱沿程摩阻；
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；λ为返排液减阻率(实验确定，通常为0.6)，无因次；
步骤S53、将步骤S52中得到的管柱沿程摩阻代入步骤S40中，并重复步骤S40-S50进行迭代计算，直到满足|pwf (n)-pwf (n+1)|/pwf (n)≤εo的给定精度要求，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流量和排液临界流速；
步骤S60、根据监测获得的井口油压和临界流量计算油嘴直径；
式中：pch为油嘴压力，MPa；Cd为流量系数，通常为0.85；d为油嘴直径，mm；
步骤S70、遍历实际监测的井口油压重复步骤S40～60计算随变化的油嘴直径，以图像或列表等形式给出。
实施例
中国中部某压裂井，储层埋藏深度3800m，采用3 1/2”油管、HPG压裂液实施水力压裂改造作业。施工用液量400m3、施工排量4.0m3/min、压裂加入30/50目陶粒支撑剂60m3、设计末段铺砂浓度5.0Kg/m2。
本发明的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，包括以下步骤：
A、收集压裂井目标储层基础参数，主要包括井深、产层厚度、闭合压力、压裂返排液密度、压裂返排液粘度、支撑剂颗粒密度、支撑剂颗粒粒径、孔隙度以及地面压力计的实时压力监测数据，如表1所示；
表1
B、计算水力裂缝闭合后的裂缝宽度；
C、计算管柱内的流体静液柱压力；
ph＝10-6×1020×9.8×3800＝37.985MPa
D、计算支撑裂缝充填层中支撑剂颗粒启动的临界流速；
(1)首先假定管柱沿程摩阻为零，计算给定井口油压(以27MPa为例)下的井底压力；
pwf＝pch+ph+Δpst＝27+37.985-0＝64.985MPa
(2)层流和过渡流条件下支撑剂颗粒启动时返排液的最大速度分别为：
(3)根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态；
判别流态为过渡流状态，此条件下支撑剂颗粒启动的临界速度为0.0189m/s；
E、基于井口油压、排液速度和管柱沿程摩阻迭代计算井底压力，确定给定井口油压下的临界流速和临界流量；
(1)根据支撑缝宽和临界流速计算压裂管柱排液流量和流速；
q＝2(0.785wphe)vc＝2×(0.785×0.00279×25)×0.0189＝2.07×10-3m3/s
v＝4q/(πD2)＝4×2.07×10-4/(3.14×0.0762)＝0.456m/s
(2)计算排液***中的管柱沿程摩阻；
首先计算雷洛数和摩阻系数；
f＝0.3164/Nre 0.25＝0.3164/70700.25＝0.3447
再基于流态划分计算管柱沿程摩阻；
(3)将管柱沿程摩阻带入步骤D中进行迭代计算，迭代计算直到满足|pwf (n)-pwf (n+1)|/pwf (n)≤εo的给定进度要求，得到排液临界流速v＝0.0206m/s和排液临界流量q＝0.00226m3/s；
F、结合临界排量和井口油压计算油咀直径；
G、遍历实际监测的井口油压重复步骤(D)～(F)计算随变化的油咀直径，见图4。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变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。
Claims (7)
1.一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、收集压裂井目标储层基础参数；
步骤S20、计算水力裂缝闭合后的裂缝宽度；
步骤S30、计算管柱内的流体静液柱压力；
步骤S40、计算支撑裂缝充填层中支撑剂颗粒启动的临界流速；
步骤S50、基于井口油压、临界流速和管柱沿程摩阻迭代计算井底压力，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流速和排液临界流量；
步骤S51、根据裂缝宽度和支撑剂颗粒启动的临界流速计算压裂管柱的排液临界流量和排液临界流速；
q＝2(0.785wphevc)
v＝q/(πD2/4)
式中：q为排液临界流量，m3/s；he为储层有效厚度，m；D为压后管柱直径，m；vc为支撑剂颗粒启动的临界流速，m/s；v为排液临界流速；wp为支撑裂缝宽度，m；
步骤S52、计算排液***中的管柱沿程摩阻；
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；f为沿程流动摩阻系数，无因次；λ为返排液减阻率，无因次；D为压后管柱直径，m；v为排液临界流速；L为排液管柱长度，m；Nre为雷洛数；
步骤S53、将步骤S52中得到的管柱沿程摩阻代入步骤S40中，并重复步骤S40-S50进行迭代计算，直到满足|pwf (n)-pwf (n+1)|/pwf (n)≤εo的给定精度要求，确定给定井口油压下的井底压力、排液临界流量和排液临界流速；
步骤S60、根据监测获得的井口油压和临界流量计算油嘴直径；
步骤S70、遍历实际监测的井口油压重复步骤S40～60计算随变化的油嘴直径。
2.根据权利要求1所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述步骤S20中的计算公式为：
式中：wp为支撑裂缝宽度，m；Cp为支撑剂铺置浓度，Kg/m2；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；φp为支撑剂充填孔隙度，小数。
3.根据权利要求1所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述步骤S20中的计算公式为：
ph＝10-6ρgL
式中：ph为静液柱压力，MPa；L为排液管柱长度，m。
4.根据权利要求1所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述步骤S40的具体过程为：
步骤S41、首先设定管柱沿程摩阻为零，计算给定井口油压下的井底压力pwf；
步骤S42、根据井底压力pwf计算不同液流形态下支撑剂颗粒启动的临界流速；
步骤S43、根据支撑剂颗粒雷洛数校核液流形态，并确定最终的临界速度。
5.根据权利要求4所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述步骤S41中的计算公式为：
pwf＝pch+ph+Δpst
式中：Δpst为管柱沿程摩阻，MPa；pch为给定井口油压，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa。
6.根据权利要求4所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述步骤S42中的计算公式为：
式中：pc为储层闭合压力，MPa；pwf为给定井口油压下的井底压力，MPa；ρp为支撑剂颗粒密度，Kg/m3；dp为支撑剂颗粒直径，m；vc为支撑剂颗粒启动的临界流速，m/s。
7.根据权利要求1所述的一种控制水力压裂支撑剂回流的实时油嘴尺寸计算方法，其特征在于，所述油嘴直径的计算公式为：
式中：pch为油嘴压力，MPa；Cd为流量系数，为0.85；d为油嘴直径，mm；q为排液临界流量，m3/s。
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