申请/专利权人：中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院

申请日：2017-09-05

公开（公告）日：2021-01-05

公开（公告）号：CN109424348B

主分类号：E21B43/26(20060101)

分类号：E21B43/26(20060101);G06F30/20(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.05#授权;2019.03.29#实质审查的生效;2019.03.05#公开

摘要：公开了一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法及系统。该方法可以包括：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断裂缝条数。本发明通过解析的方法，计算驱动水力裂缝扩展的注入能量，精确获取裂缝数量与形态。

主权项：1.一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，包括：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据所述PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据所述裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断所述裂缝条数；其中，所述裂缝扩展能量为：Pgrowth＝Pu+Pc+Pf+Pint1其中，Pgrowth表示裂缝扩展能量，Pu表示岩石增加的能量释放率，Pc表示裂缝尖端破裂需要的能量，Pf表示裂缝内流体流动损失的能量，Pint表示裂缝间相互作用的诱导应力；其中，所述岩石增加的能量释放率为： 其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，W为裂缝宽度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间；其中，所述裂缝尖端破裂需要的能量为： 其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间，K’为裂缝断裂韧性，E’为岩石杨氏模量；其中，所述裂缝内流体流动损失的能量为： 其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，t为时间，Rw为井筒半径，bj为指数特征值，F为特征函数，j为整数变量。

全文数据：水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法及系统技术领域本发明涉及油气田开发领域，更具体地，涉及一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法及系统。背景技术水平井多簇射孔分段压裂技术已经在致密砂岩、页岩等非常规油气藏开发中广泛应用，相应的水平井分段压裂设计中最重要参数为段内多簇射孔形成的最终裂缝条数、裂缝几何形态，因为其关系到最优的压裂段间距、射孔簇数目、孔眼数目以及相应的施工参数。但目前为止，水平井单个压裂段内多个射孔簇究竟能够形成多少裂缝的问题一直是困扰压裂设计人员的一个难题。水平井长井段多簇射孔分段压裂涉及到多条裂缝的同时扩展，设计人员希望多簇射孔能够形成多条等长度的裂缝，从而实现储层的均匀改造，但实际上这种情况很难达到，因此，需要进行严格的分析计算，确定最优化设计。对于水平井段内多簇射孔复杂裂缝参数与施工参数间的关系，前人做了很多数值模拟方面的研究，包括有限元模型、离散缝网模型、边界元模型、非常规模型等，研究学者主要有Olson、Meyer、Dahi等，但这些方法一般都需要划分网格，模拟过程复杂，计算工作量大，运算速度慢，耗时长几小时到几天，数值结果难以收敛，不但对设计人员的专业水平要求较高，且对储层特征资料要求较多，所以不太适合于工程上的快速设计应用。因此，有必要开发一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法及系统。公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。发明内容本发明提出了一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法及系统，其能够通过解析的方法，计算驱动水力裂缝扩展的注入能量，精确获取裂缝数量与形态。根据本发明的一方面，提出了一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法。所述方法可以包括：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据所述PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据所述裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断所述裂缝条数。优选地，所述裂缝扩展能量为：Pgrowth＝Pu+Pc+Pf+Pint1其中，Pgrowth表示裂缝扩展能量，Pu表示岩石增加的能量释放率，Pc表示裂缝尖端破裂需要的能量，Pf表示裂缝内流体流动损失的能量，Pint表示裂缝间相互作用的诱导应力。优选地，所述岩石增加的能量释放率为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，W为裂缝宽度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间。优选地，所述裂缝尖端破裂需要的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间，K’为裂缝断裂韧性，E’为岩石杨氏模量。优选地，所述裂缝内流体流动损失的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，t为时间，Rw为井筒半径，bj为指数特征值，F为特征函数，j为整数变量。优选地，若所述PKN裂缝形态为HH的示意图。图3a、图3b、图3c和图3d分别示出了根据本发明的一个实施例的PKN裂缝模型hLH、PKN裂缝模型LHh、PKN裂缝模型LHh、PKN裂缝模型LHh的示意图。图4示出了根据本发明的一个实施例的径向裂缝条数为1、3、5、6、9时注入能量的示意图。图5示出了根据本发明的一个实施例的注入能量与裂缝间距与裂缝高度比值的关系的示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。图1示出了根据本发明的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法的步骤的流程图。在该实施例中，根据本发明的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法可以包括：步骤101，根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态。具体地，应用解析的方法，计算驱动水力裂缝扩展的注入能量，该能量在数值上可近似为排量与井底压力的乘积，通过建立注入能量与同步扩展的多条横向裂缝间的函数关系，分析多条裂缝起裂、扩展过程中注入能量的变化，而注入能量最低原则是压裂系统这一复杂物理过程的自然选择，可通过这一自然选择的过程确定不同压裂阶段注入能量最低的裂缝条数，进而确定水平井段内多簇射孔形成的最终裂缝条数。计算过程中假设总的体积流量排量在多条裂缝间平均分配，各条裂缝处入口压力及闭合应力相等考虑到井筒摩阻要远小于孔眼摩阻和裂缝延伸压力，井底处驱动裂缝扩展能量由两部分组成，包括压裂流体通过射孔孔眼处的损失的能量和裂缝内驱动裂缝扩展的能量，裂缝内驱动裂缝扩展的能量包括四个部分：岩石增加的能量释放率、裂缝尖端破裂需要的能量、裂缝内流体流动损失的能量、裂缝间相互作用的诱导应力。压裂过程中裂缝形态的计算采用平面应变的方法，裂缝扩展前期符合径向裂缝模式，后期进入PKN裂缝扩展阶段。图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的径向裂缝hH的示意图。图3a、图3b、图3c和图3d分别示出了根据本发明的一个实施例的PKN裂缝模型hLH、PKN裂缝模型LHh、PKN裂缝模型LHh、PKN裂缝模型LHh的示意图。水平井分段压裂多簇射孔裂缝扩展前期符合径向radial裂缝模式后期进入PKN裂缝扩展阶段，相应的裂缝长度L、裂缝高度H、裂缝间距h间的几何关系可分为一下几种情况：径向裂缝hH，如图2b所示，PKN裂缝模型hLH，如图3a所示，PKN裂缝模型LHh，如图3b所示，PKN裂缝模型LHh，如图3c所示，PKN裂缝模型LHh，如图3d所示。步骤102，根据PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量。在一个示例中，裂缝扩展能量为：Pgrowth＝Pu+Pc+Pf+Pint1其中，Pgrowth表示裂缝扩展能量，Pu表示岩石增加的能量释放率，Pc表示裂缝尖端破裂需要的能量，Pf表示裂缝内流体流动损失的能量，Pint表示裂缝间相互作用的诱导应力。在一个示例中，岩石增加的能量释放率为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，W为裂缝宽度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间。在一个示例中，裂缝尖端破裂需要的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间，K’为裂缝断裂韧性，E’为岩石杨氏模量。在一个示例中，裂缝内流体流动损失的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，t为时间，Rw为井筒半径，bj为指数特征值，F为特征函数，j为整数变量。具体地，水力裂缝模型基于平面应变方法，计算过程中假设总的体积流量排量在多条裂缝间平均分配，则有公式5：其中，Qi表示每个裂缝的体积流量，Q0表示总的体积流量，N表示射孔簇数，各条裂缝处入口压力及闭合应力相等考虑到井筒摩阻要远小于孔眼摩阻和裂缝延伸压力，井底处驱动裂缝扩展能量由两部分组成，包括压裂流体通过射孔孔眼处的损失的能量和裂缝内驱动裂缝扩展的能量。计算过程取其中，KIC为裂缝断裂韧性，裂缝间距为h＝ZN-1，则有射孔孔眼处压力降为公式6：其中，ρ为流体密度，n为射孔数目，DP为孔眼直径，C为泄流系数。计算径向裂缝形态，其中，裂缝宽度W为公式7：其中，E'＝E1-v2，裂缝长度为公式8：其中，计算PKN裂缝形态，当PKN裂缝形态为hH时，裂缝宽度为公式11：裂缝长度为公式12：其中，定义井底处压力为pfb，裂缝闭合应力为σ0，则井底处驱动裂缝扩展净能量为公式13：PI＝Q0pfb-σ013其中，σ0为裂缝闭合应力，pfb为井底处注入压力。即PI由两部分组成，包括压裂流体通过射孔孔眼的处的损失能量和裂缝扩展能量，即为公式14：PI＝NPerf+Pgrowth14其中，射孔摩阻为公式15：其中，a为射孔摩阻修正系数，a＝0.2369。裂缝扩展能量为公式1，包括岩石增加的能量释放率、裂缝尖端破裂需要的能量、裂缝内流体流动损失的能量、裂缝间相互作用的诱导应力，其中，岩石增加的能量释放率为公式2，裂缝尖端破裂需要的能量为公式3，裂缝内流体流动损失的能量为公式4，表1为不同裂缝几何形态下的参数取值及表达式。表1步骤103，根据裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断裂缝条数。在一个示例中，若PKN裂缝形态为H0的另外几项则表示是周围裂缝形成的诱导应力，故其值随着裂缝间距的降低增加裂缝条数而增加，从以上各式可以看出，hH指数k＝0与k0项在求和中发挥的作用完全不同，正是这种流体流动与应力干扰间的竞争关系造成了注入能量与hH间的一种非单调性的关系，既存在一个最优的hH值使得压裂注入能量最小，进而判断裂缝条数。本方法考虑了近井筒流体流动造成射孔压力降，能够快速预测一定的完井方式、施工参数条件下最终形成的同步扩展的裂缝条数及其形态，指导进行水平井分段方案、射孔簇参数及施工参数的优化设计，促进多条裂缝扩展，减少水平段未改造区域长度，充分改造储层。应用示例为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。涪陵地区页岩气水平井一般应用可钻桥塞分段压裂工艺，段内三簇射孔，因此，应用推导的裂缝扩展模型，本文下面的相关计算都针对不同间距、不同裂缝条数的三簇射孔进行，PKN裂缝形态为LH，因此本文主要考虑的是HICMPa.m12σ0MPaμDPm350.250.95250mpa.s0.0114ZmHmQim3minρkgm3Cn50421210000.896图4示出了根据本发明的一个实施例的径向裂缝条数为1、3、5、6、9时注入能量的示意图。从图中可以看出，在径向裂缝扩展阶段，计算的输入能量呈现先增加、后缓慢下降、最后又急剧上升的趋势。从以上各式可以看出，裂缝起裂初期压力的增加主要是因为井筒半径Rw相对于裂缝长度相对变小，这种增加的井底压力有利于起裂更多的裂缝，之后随着这些多裂缝的开启，流量被平均分配，进而降低了射孔摩阻，造成压力下降，而后期压力的急剧增加显然是因为裂缝间诱导应力相互作用引起的；从图中还可以看出裂缝条数与注入能量之间没有一定的单调规律可言，在文中应用的涪陵参数的情况下，最优径向裂缝条数为6，在这一情况下，泵入系数所需的能量最低，这种最优的裂缝条数可通过以下的计算进行推导。通过给定的参数计算可知，Pc0的另外几项则表示是周围裂缝形成的诱导应力，故其值随着裂缝间距的降低增加裂缝条数而增加，从以上各式可以看出，hH指数k＝0与k0项在求和中发挥的作用完全不同，正是这种流体流动与应力干扰间的竞争关系造成了注入能量与hH间的一种非单调性的关系，既存在一个最优的hH值使得压裂注入能量最小，进而判断裂缝条数。图5示出了根据本发明的一个实施例的注入能量与裂缝间距与裂缝高度比值的关系的示意图。图5表示的是根据公式16、公式17计算的不同α值情况下，压裂系统能量与裂缝间距与裂缝高度比值的关系，计算过程中α取值5、1、0.1、0，α＝0表示不考虑射孔、近井筒能量损失，而m取值6则可以足够表示出裂缝近场hH的应力情况。从图中可以看出：1在hH情况下，α值越大，对应于最小压裂能的hH越小；2对于hH，α值较大的情况对应的最小压裂能为整个压裂过程的最小值，因为随着α增大，能量曲线具有上升的趋势。然而，正如前面论述的，这只是理论上的计算值，在PKN裂缝扩展阶段，所需压裂能量最小值能否在hH时产生还带有很大的不确定性，因为如果在hH时存在最小压裂能，那么在前期径向裂缝扩展阶段，就需要Lh≈3，显然这一条件不满足径向裂缝扩展能量最优值，即这种情况不可能发生。所以，通过对水平井压裂射孔簇起裂、裂缝扩展进行的分析可以得出如下结论：1水平井多簇射孔压裂早期阶段，形成多条同时扩展的径向裂缝，这些径向裂缝最终单翼长度要略小于射孔簇间距；2水平井多簇射孔压裂中期阶段，多条主要裂缝继续扩展，它们的间距要略大于裂缝半长，在缝高受限的情况下，这一阶段形成的裂缝长度L≈H2，而间距要略大于H2；3水平井多簇射孔压裂后期阶段，几条主要裂缝继续扩展，形成的裂缝间距1-1.5倍的裂缝高度主要与射孔簇摩阻有关，经过计算，涪陵α＝5所以L≈1.1H，在涪陵压裂缝高H＝44米的情况下，裂缝间距h≈46m。涪陵焦页48-3井为地震监测结果显示，裂缝高度H大约为40-45m，而形成的主裂缝间距为45-50米，L≈1.1-1.2H，与模型预测结果相一致。综上所述，本发明考虑了近井筒流体流动造成射孔压力降，能够快速预测一定的完井方式、施工参数条件下最终形成的同步扩展的裂缝条数及其形态，指导进行水平井分段方案、射孔簇参数及施工参数的优化设计，促进多条裂缝扩展，减少水平段未改造区域长度，充分改造储层。本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。根据本发明的实施例，提供了一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断系统，可以包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断裂缝条数。在一个示例中，若PKN裂缝形态为HhL，则注入能量为：其中，P*表示特征值，H为裂缝高度，h为裂缝间距，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值。在一个示例中，若PKN裂缝形态为hHL，则注入能量为：其中，P*表示特征值，H为裂缝高度，h为裂缝间距，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值。本发明考虑了近井筒流体流动造成射孔压力降，能够快速预测一定的完井方式、施工参数条件下最终形成的同步扩展的裂缝条数及其形态，指导进行水平井分段方案、射孔簇参数及施工参数的优化设计，促进多条裂缝扩展，减少水平段未改造区域长度，充分改造储层。本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

权利要求：1.一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，包括：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据所述PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据所述裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断所述裂缝条数。2.根据权利要求1所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，所述裂缝扩展能量为：Pgrowth＝Pu+Pc+Pf+Pint1其中，Pgrowth表示裂缝扩展能量，Pu表示岩石增加的能量释放率，Pc表示裂缝尖端破裂需要的能量，Pf表示裂缝内流体流动损失的能量，Pint表示裂缝间相互作用的诱导应力。3.根据权利要求2所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，所述岩石增加的能量释放率为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，W为裂缝宽度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间。4.根据权利要求2所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，所述裂缝尖端破裂需要的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，k为高度指数特征值，m为长度指数特征值，t为时间，K’为裂缝断裂韧性，E’为岩石杨氏模量。5.根据权利要求2所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，所述裂缝内流体流动损失的能量为：其中，L为裂缝长度，H为裂缝高度，Y为裂缝内净压力，t为时间，Rw为井筒半径，bj为指数特征值，F为特征函数，j为整数变量。6.根据权利要求1所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，若所述PKN裂缝形态为HhL，则所述注入能量为：其中，P*表示特征值，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值，H为裂缝高度，h为裂缝间距。7.根据权利要求1所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断方法，其中，若所述PKN裂缝形态为hHL，则所述注入能量为：其中，P*表示特征值，H为裂缝高度，h为裂缝间距，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值。8.一种水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据裂缝长度、裂缝高度与裂缝间距，确定PKN裂缝形态；根据所述PKN裂缝形态，计算裂缝扩展能量；根据所述裂缝扩展能量，计算注入能量，进而判断所述裂缝条数。9.根据权利要求8所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断系统，其中，若所述PKN裂缝形态为HhL，则所述注入能量为：其中，P*表示特征值，H为裂缝高度，h为裂缝间距，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值。10.根据权利要求8所述的水平井多簇射孔压裂裂缝条数的判断系统，其中，若所述PKN裂缝形态为hHL，则所述注入能量为：其中，P*表示特征值，H为裂缝高度，h为裂缝间距，α表示N＝1时射孔摩阻与P*的比值。

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