CN116877067A - 一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，基于能够从地面泵注流体开始，到流通通道和射孔耗损，再到生成裂缝和波及区域能够实现水力压裂流体全过程流体压力动态预测，各环节实现了无缝连接，层层递进精准计算，不仅实现了动态预测水力压裂压力变化的全过程，还提高了预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的准确性，保障了水力压裂施工的安全性。并且可以通过反推计算，实现地面泵注流体压力地实时调节，优化水力压裂施工。

Description

一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法

技术领域

本发明涉及水力压裂的技术领域，具体涉及一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法。

背景技术

水力压裂是一项通过向岩石中注入大量水，依靠水力能量使岩石产生裂缝，进而提高岩石自身渗透性，实现改造岩石的技术。水力压裂时大量水通过泵车从地面经过井筒注入岩石中，整个过程依靠水作为能量载体来实现改造岩石，而水力能量的一项重要评价参数就是流体压力。流体压力值大小直接影响着岩石是否能够致裂，致裂后裂缝是否能够持续延伸扩展以及是否会触发激活断层等。更直接地，它是评价水力压裂改造岩石能力和改造效果的一项重要参数，关系到实施水力压裂工程成功与否。

目前，国内外已有部分文献报道了水力压裂实施中流体压力预测方法和技术，部分专利也有一些水力压裂流体压力预测方法。专利CN106326591B授权了水力压裂过程中裂缝内压裂液的压力场获取方法及装置，包括获取求解区域地层的长宽、裂缝长度、地层参数、施工参数和流体压力参数，获取裂缝内的岩石位移场，根据岩石位移场获取裂缝内的各个计算节点处的裂缝宽度，再获取裂缝内预估流体压力场。专利CN109522579B授权了水平井压裂施工破裂压力预测方法，包括统计目标区域各层位的已压裂井的压裂施工参数，确定各层位中某一层位施工破裂压力中值、破裂压力梯度、施工破裂压力与储层垂深关系、施工破裂压力与储层泥质含量关系，建立水平井施工破裂压力差，计算水平井靶点处施工破裂压力。文献《液态CO2压裂施工管柱摩阻计算与分析》给出了一种水力压裂管柱中摩阻计算图版，得到了易于工程应用的拟合计算公式。文献《径向井水力压裂摩阻影响因素与计算公式》通过对322组实验数据进行回归拟合，建立了考虑井眼内径、排量、压裂液黏度、支撑剂粒径及砂比的径向井瓜胶压裂液摩阻损失计算关系式。另外，还有部分专利和文献公开了水力压裂流体压力计算方法。

虽然上述已经公布的关于预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法。有各自优点，但是主要限于计算管柱通道内的水力压裂流体压力，存在考虑不全面，无法获取水力压裂过程中生成裂缝和波及区域的动态变化流体压力的问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，以解决现有技术中主要限于计算管柱通道内的水力压裂流体压力，存在考虑不全面，无法获取水力压裂过程中生成裂缝和波及区域的动态变化流体压力的问题。的技术问题。

本发明提供了一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，包括：

步骤S1，根据水力压裂施工对象，确定地面水力压裂注入流体的压力、粘度和排量，压裂井的垂深、井深和完井套管内径，射孔形成孔眼尺寸和数量；

步骤S2，确定水力压裂流体在压裂射孔位置处的流体压力；

步骤S3，确定水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗；

步骤S4，确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力。

可选地，所述确定水力压裂流体在压裂射孔位置处的流体压力，包括：

所述压裂射孔位置处的流体压力P₃为：P₃＝P₁+P₂-ΔP₁，其中，P₁为水力压裂注入流体压力，P₂为水力压裂注入流体液柱压力，ΔP₁为水力压裂注入流体管柱流动压力损耗；

水力压裂注入流体液柱压力P₂为：

其中，ρ₁为水力压裂流体密度、ρ₂为水力压裂流体中支撑剂体密度、ρ₃为支撑剂视密度、δ为支撑剂占水力压裂流体体积比、g为重力加速度、h为压裂射孔位置处距离地面垂深；

水力压裂注入流体管柱流动压力损耗ΔP₁为：

其中Q是水力注入流体排量、H是压裂射孔位置处井深、d是水力压裂井完井套管内径、a是注入流体幂律指数、A是注入流体稠度系数。

可选地，所述确定水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗，包括：

所述水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗ΔP₂为：

其中，d₁是射孔孔眼直径表示为：d₀是射孔孔眼初始理论直径，B是射孔孔眼数量，/>是射孔孔眼排量校正系数表示为：

可选地，所述确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力，包括：

所述水力压裂生成裂缝中流体压力为：

其中，p₄(x,y,t)是水力压裂生成裂缝中流体压力，φ(ξ,η)是水力压裂流体刚通过射孔孔眼时流体压力：φ(ξ,η)＝P₃-ΔP₂；ψ(ξ,η)是φ(ξ,η)的一阶偏微分；f(ξ_,η,τ)是与P₃-ΔP₂相关的综合阻尼变量；是水力压裂流体传播波速，β₁是流体压缩系数，ρ是流体密度：/>λ为水力压裂流体在裂缝中流动的综合阻尼系数；Ω是积分区域，ξ与η是积分变量，为/>

可选地，所述确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力，还包括：

所述水力压裂波及区域流体压力分为两类：第一类水力压裂波及区域流体压力是非裂缝位置处基质渗透率为零的区域，第二类水力压裂波及区域流体压力是非裂缝位置处基质渗透率不为零的区域；

第一类水力压裂波及区域流体压力为：

其中，β₂是基质骨架压缩系数，β₃是基质颗粒压缩系数，ω₄是裂缝流体压力共轭系数，ω₅是基质流体压力共轭系数，Φ是波及区域基质孔隙度，p'₄(x,y,t)是距离基质最近处裂缝流体压力；

第二类水力压裂波及区域流体压力为：其中，μ是流体粘度，k是基质渗透率。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

能够从地面泵注流体开始，到流通通道和射孔耗损，再到生成裂缝和波及区域能够实现水力压裂流体全过程流体压力动态预测，各环节实现了无缝连接，层层递进精准计算，不仅实现了动态预测水力压裂压力变化的全过程，还提高了预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的准确性，保障了水力压裂施工的安全性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中水力压裂过程中各位置处流体压力分布示意图；

图3为本发明中实施例一和实施例二注入流体参数示意图；

图4为本发明中实施例一和实施例二计算获得流体压力和压力损耗示意图；

图5为本发明中实施例一预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力示意图；

图6为实施例二预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力示意图。

附图标记说明：1、水力压裂生成裂缝；2、水力压裂波及区域；3、射孔孔眼；4、实施例水力压裂生成裂缝压力；5、实施例水力压裂波及区域压力。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本发明实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。

参见图1，本发明提供了一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，包括：

步骤S1，根据水力压裂施工对象，确定地面水力压裂注入流体的压力、粘度和排量，压裂井的垂深、井深和完井套管内径，射孔形成孔眼尺寸和数量；

步骤S2，确定水力压裂流体在压裂射孔位置处的流体压力；

步骤S3，确定水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗；

步骤S4，确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力。

参见图2，实际水力压裂实时，地面流体经过压裂泵车组获得水力压裂地面注入流体压力P₁，再经过注入流体管柱流动到射孔位置处，在这过程中水力压裂注入流体管柱流动出现压力损耗ΔP₁，同时流体注入到地下增加液柱压力P₂。此外，液体经过射孔孔眼3时出现压力损耗ΔP₂，再流动到岩石中，使岩石发生破裂，生成水力压裂裂缝1，在裂缝中产生流体压力p₄(x,y,t)。同时，裂缝中的流体压力向基质区域扩散，产生波及区域压力p₅(x,y,t)。

实施例一，参见图2，步骤S1实施的一口页岩气压裂井。井垂深4000m，完井套管内径115.02mm，压裂液粘度60mPa·s，压裂液密度1.05g/cm3，支撑剂(砂)体积密度1.57g/cm3，支撑剂(砂)视密度3.48/cm3，射孔孔眼位置井深5600m，流体注入压力、排量和砂浓度(支撑剂占水力压裂流体体积比)如图3所示。射孔孔眼直径12mm，60°螺旋相位布设，单段长80m，射孔数量90个，基质渗透率接近于0，基质孔隙度1.5％。

步骤S2，采用公式得到注入流体液柱压力P₂为41.2MPa。

采用公式得到注入流体管柱流动压力损耗ΔP₁如图4所示。

步骤S3，采用公式得到水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗ΔP₂如图4所示。

步骤S4，采用公式得到水力压裂生成裂缝中流体压力p₄(x,y,t)。由于页岩基质渗透率为几乎为零的区域，因此采用第一类的水力压裂波及区域流体压力公式/>得到水力压裂波及区域流体压力p₅(x,y,t)，计算结果如图5所示。

其中，第一类水力压裂波及区域流体压力是非裂缝位置处基质渗透率为零(趋近于零)的区域。

实施例二，参见图2，步骤S1实施的一口页岩气压裂井。井垂深4000m，完井套管内径115.02mm，压裂液粘度60mPa·s，压裂液密度1.05g/cm3，支撑剂(砂)体积密度1.57g/cm3，支撑剂(砂)视密度3.48/cm3，射孔孔眼位置井深5600m，流体注入压力、排量和砂浓度(支撑剂占水力压裂流体体积比)如图3所示。射孔孔眼直径12mm，60°螺旋相位布设，单段长80m，射孔数量90个，基质渗透率10mD，基质孔隙度5.8％。

步骤S2，采用公式得到注入流体液柱压力P₂为41.2MPa。

采用公式得到注入流体管柱流动压力损耗ΔP₁如图4所示。

步骤S3，采用公式得到水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗ΔP₂如图4所示。

步骤S4，采用公式得到水力压裂生成裂缝中流体压力p₄(x,y,t)。砂岩基质渗透率10mD，基质孔隙度9.8％，因此采用第二类水力压裂波及区域流体压力公式/>得到水力压裂波及区域流体压力p₅(x,y,t)，计算结果如图6所示。

基于实施例一和实施例二，可以看出，本发明所述的预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，用于实现从地面泵注流体开始，到流通通道和射孔耗损，再到生成裂缝和波及区域能够实现水力压裂流体全过程流体压力预测，对水力压裂过程中各环节进行了层层递进的精准计算。不光实现了动态预测水力压裂的时压力变化的全过程，还提高了预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的准确性，保障了水力压裂施工的安全性，对油气开采增产和地热资源开发的安全生产具有重要的意义。

同时，本发明还基于考虑了除裂缝外不同基质渗透率(采用不同基质渗透率体现不同岩石)的波及区域流体压力预测，实现了不同类别岩石水力压裂流体压力预测。基于预测的水力压裂岩石中生成裂缝和波及区域流体压力变化，通过反推计算，可实现地面泵注的流体压力实时调节，优化水力压裂施工，达到了预期目的。

需要说明的是，在本文中，诸如“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。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，其特征在于，包括：

步骤S1，根据水力压裂施工对象，确定地面水力压裂注入流体的压力、粘度和排量，压裂井的垂深、井深和完井套管内径，射孔形成孔眼尺寸和数量；

步骤S2，确定水力压裂流体在压裂射孔位置处的流体压力；

步骤S3，确定水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗；

步骤S4，确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力。

2.如权利要求1所述一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，其特征在于，所述确定水力压裂流体在压裂射孔位置处的流体压力，包括：

所述压裂射孔位置处的流体压力P₃为：P₃＝P₁+P₂-ΔP₁，其中，P₁为水力压裂注入流体压力，P₂为水力压裂注入流体液柱压力，ΔP₁为水力压裂注入流体管柱流动压力损耗；

水力压裂注入流体液柱压力P₂为：

其中，ρ₁为水力压裂流体密度、ρ₂为水力压裂流体中支撑剂体密度、ρ₃为支撑剂视密度、δ为支撑剂占水力压裂流体体积比、g为重力加速度、h为压裂射孔位置处距离地面垂深；

水力压裂注入流体管柱流动压力损耗ΔP₁为：

其中Q是水力注入流体排量、H是压裂射孔位置处井深、d是水力压裂井完井套管内径、a是注入流体幂律指数、A是注入流体稠度系数。

3.如权利要求1所述一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，其特征在于，所述确定水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗，包括：

所述水力压裂流体通过射孔孔眼的压力损耗ΔP₂为：

其中，d₁是射孔孔眼直径表示为：d₀是射孔孔眼初始理论直径，B是射孔孔眼数量，/>是射孔孔眼排量校正系数表示为：

4.如权利要求1所述一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，其特征在于，所述确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力，包括：

所述水力压裂生成裂缝中流体压力为：

其中，p₄(x,y,t)是水力压裂生成裂缝中流体压力，φ(ξ,η)是水力压裂流体刚通过射孔孔眼时流体压力：φ(ξ,η)＝P₃-ΔP₂；ψ(ξ,η)是φ(ξ,η)的一阶偏微分；f(ξ,η,τ)是与P₃-ΔP₂相关的综合阻尼变量；是水力压裂流体传播波速，β₁是流体压缩系数，ρ是流体密度：/>λ为水力压裂流体在裂缝中流动的综合阻尼系数；Ω是积分区域，ξ与η是积分变量，为/>

5.如权利要求1所述一种预测水力压裂生成裂缝和波及区域流体压力的方法，其特征在于，所述确定水力压裂生成裂缝中和波及区域的流体压力，还包括：

所述水力压裂波及区域流体压力分为两类：第一类水力压裂波及区域流体压力是非裂缝位置处基质渗透率为零的区域，第二类水力压裂波及区域流体压力是非裂缝位置处基质渗透率不为零的区域；

第一类水力压裂波及区域流体压力为：

其中，β₂是基质骨架压缩系数，β₃是基质颗粒压缩系数，ω₄是裂缝流体压力共轭系数，ω₅是基质流体压力共轭系数，Φ是波及区域基质孔隙度，p'₄(x,y,t)是距离基质最近处裂缝流体压力；

第二类水力压裂波及区域流体压力为：其中，μ是流体粘度，k是基质渗透率。