本發(fā)明涉及頁巖氣開采領(lǐng)域,具體是一種估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法。
背景技術(shù):
“水力壓裂法”是頁巖氣開采的核心技術(shù)。由于頁巖氣分散的存在狀態(tài),頁巖氣的開采過程必須要將頁巖層壓裂形成裂縫網(wǎng)絡(luò)才能達(dá)到開采和增產(chǎn)的目的。國內(nèi)外開發(fā)大多數(shù)采用水平井大規(guī)模水力壓裂,對(duì)于區(qū)域性開發(fā),均采用“井工廠叢式井”開發(fā)模式,涪陵頁巖氣田采用的合理開發(fā)井距為500-600m,隨著頁巖氣井開采的持續(xù),必然面臨著壓力、產(chǎn)量越來越低,直至氣井結(jié)束自然生產(chǎn)周期。后期如何進(jìn)一步有效開采,是對(duì)老井開展重復(fù)壓裂,還是采用加密井繼續(xù)開發(fā),是擺在頁巖氣決策者面前的重大難題。
通過調(diào)研,我們發(fā)現(xiàn)目前評(píng)價(jià)壓后改造區(qū)域的主要方法有Mayer軟件壓后模擬和壓裂微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)。Meyer軟件是一套在水力措施設(shè)計(jì)方面應(yīng)用非常廣泛的模擬工具。其中的MFrac是一個(gè)綜合模擬設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)模塊,含有三維裂縫幾何形狀模擬等眾多功能。該軟件結(jié)合壓裂支撐劑傳輸與熱傳遞的過程分析,它可以針對(duì)實(shí)時(shí)和回放數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,從而對(duì)壓后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)(包括裂縫幾何尺寸及SRV)進(jìn)行描述和評(píng)價(jià),但是Mayer軟件壓后模擬的缺點(diǎn)在于該軟件在模擬過程中是基于完井電測(cè)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后,根據(jù)鉆完井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和壓裂的施工參數(shù)進(jìn)行模擬的,以“一孔之見”來代表整個(gè)儲(chǔ)層空間,未考慮天然裂縫、平面的不均性等地質(zhì)屬性對(duì)壓裂的影響,模型近似為一均一模型,模擬出的裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)大同小異,不能反映壓裂后的真實(shí)裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對(duì)頁巖氣持續(xù)開采不具有指導(dǎo)意義。
微地震是用于水力壓裂過程中誘導(dǎo)裂縫監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)。井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在壓裂評(píng)價(jià)中取得了較好的效果,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)壓裂過程中產(chǎn)生裂縫的位置、方位、長度、高度等參數(shù)特征。他的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量快速,方便現(xiàn)場應(yīng)用;實(shí)時(shí)確定微地震事件的位置;確定裂縫的高度、長度、傾角及方位;直接測(cè)量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的裂縫網(wǎng)絡(luò)。壓裂井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于不能對(duì)一個(gè)區(qū)塊內(nèi)所有井進(jìn)行有效壓裂評(píng)價(jià)。第一,受技術(shù)和生產(chǎn)限制,一個(gè)區(qū)塊往往找不到合適的監(jiān)測(cè)井,很多壓裂井達(dá)不到監(jiān)測(cè)條件。第二,受開采成本控制,頁巖氣開發(fā)不可能對(duì)絕大多數(shù)或所有的井開展微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)。這就為頁巖氣的開采帶來了不便。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法,以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法,具體步驟如下:
步驟一,收集單井各段壓力施工參數(shù)及壓裂施工曲線,根據(jù)壓裂曲線特征,讀取單井各段井口破裂壓力P0;
步驟二,收集頁巖儲(chǔ)層完井電測(cè)原始數(shù)據(jù),采用SAOR儲(chǔ)層地應(yīng)力分析軟件預(yù)測(cè)單井各段井底破裂壓力P1;
步驟三,采用經(jīng)典清水摩阻計(jì)算公式及圖版,計(jì)算出儲(chǔ)層單井各段實(shí)際井底破裂壓力P2,井底破裂壓力P2=井口破裂壓力P0+液柱壓力PH-總摩阻PF-凈壓力p;
步驟四,采用深度域地震屬性和成像測(cè)井裂縫指示曲線,輸入到FracPredictor軟件中運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行多屬性融合得到連續(xù)裂縫模型;
步驟五,將步驟四中生成的連續(xù)裂縫模型輸入到FracPredictor軟件中,生成等效裂縫模型;
步驟六,根據(jù)單井各段實(shí)際壓裂曲線及參數(shù),優(yōu)選穩(wěn)排量壓裂期間的延伸壓力秒點(diǎn)數(shù)據(jù)群采用中值法優(yōu)選延伸壓力P3,平均延伸壓力P4,施工有效時(shí)間T;
步驟七,若|P3-P4|<p,則舍棄P4,若|P3-P4|>p,則舍棄P3,將未舍棄保留下來的延伸壓力值定義為施工有效壓力P;
步驟八,根據(jù)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn),假設(shè)裂縫高度H=30m,穩(wěn)定排量下假設(shè)壓裂液流速v為常值,采用FracPredictor軟件中OSParticulas模塊模擬出儲(chǔ)層原始應(yīng)力場,將單井各段施工有效壓力P和施工有效時(shí)間T按照壓裂順序輸入FracPredictor軟件中,模擬注入液體后水力裂縫在儲(chǔ)層的應(yīng)力分布情況,根據(jù)模擬出的應(yīng)力類型和大小,在壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖中明確出拉張和擠壓應(yīng)力區(qū)范圍;
步驟九,若P1-P2>p,在壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖中只考慮近井筒擠壓應(yīng)力區(qū);若P1-P2<p,壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖則為壓后平面改造面積;
步驟十,根據(jù)步驟九,人工描繪出水力壓裂形成的壓裂范圍即壓后平面改造面積,進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂效果。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:清水摩阻計(jì)算公式包括清水沿程摩阻公式和清水孔眼摩阻公式。
作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:清水沿程摩阻公式為(ΔPf)0=1.385×106×D-4.8·Q1.8·H,D為壓裂油管柱的內(nèi)徑,單位為mm,Q為施工過程泵的注排量,單位為m3/min,H為油管長度,單位為m;清水孔眼摩阻公式為
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明計(jì)算方法簡便,將壓裂工程與地質(zhì)屬性的相互作用結(jié)合起來,利用地質(zhì)力學(xué)模擬技術(shù),預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)壓裂改造范圍,達(dá)到優(yōu)化鉆完井和壓裂設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)壓裂改造效果以及實(shí)現(xiàn)頁巖氣田持續(xù)高效開采的目的,開發(fā)成本低,降低了頁巖氣的開采成本,應(yīng)用前景廣闊。
附圖說明
圖1為估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法中焦頁AA井估算的SRA與微地震評(píng)估的裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)比圖。
圖2為估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法中焦頁BB井估算的SRA與微地震評(píng)估的裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)比圖。
圖3為估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法中CC井第1-5段計(jì)算的地應(yīng)力成果圖。
圖4為估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法中焦頁CC井估算的SRA效果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
壓裂效果是水力縫和天然縫相互作用的結(jié)果,前一段水力壓裂會(huì)改變周圍的應(yīng)力場,影響到后一壓裂段的施工以及天然裂縫的行為,天然裂縫有可能在水力裂縫到達(dá)前就提前張開,也就是“應(yīng)力陰影效應(yīng)”。如下圖所示。這也就很好地解釋了遠(yuǎn)離水力縫遠(yuǎn)端的微地震事件信號(hào),并且儲(chǔ)層各項(xiàng)異性越小,水力縫與天然縫夾角越小,天然裂縫越易受到水力裂縫的影響而張開。巴內(nèi)特頁巖開展過SRV(儲(chǔ)藏改造體積)關(guān)聯(lián)分析。數(shù)據(jù)顯示,利用高排量,在較短時(shí)間內(nèi)完成泵注,可以形成最優(yōu)的SRV值,最大的SRV值通常是最高排量和最大液量實(shí)現(xiàn)的。
頁巖氣開發(fā)通過采用大規(guī)模水力壓裂,當(dāng)壓裂液流經(jīng)射孔孔眼瞬間,將先后受到射孔孔眼摩阻和瞬時(shí)摩阻,進(jìn)而對(duì)前方的端面產(chǎn)生沖擊力。頁巖各向異性影響的破裂壓力模型主要有以下幾種:
沿巖石本體破:
第一,
第二,
沿天然裂縫剪切破壞:
第三,
沿天然裂縫張性破壞:
最終的破裂應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)為
動(dòng)量-沖量定理反映了力對(duì)時(shí)間的累積效應(yīng)(沖量),其增量是力在時(shí)間上的積累。高速流體作用在前端截面時(shí)速度瞬時(shí)變?yōu)?或逆向速率時(shí),會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊力,此沖擊力的大小可以分析液體對(duì)巖石的破壞性。
液體從急速瞬間變?yōu)榱?,作用過程是一個(gè)短暫的積分過程,結(jié)合質(zhì)量和截面積公式推導(dǎo)沖擊力公式如下:只有當(dāng)沖擊力大于巖石破裂應(yīng)力時(shí),才會(huì)發(fā)生巖石的沖擊破裂。
采用拉格朗日和歐拉雙重描述的物質(zhì)點(diǎn)法,將材料離散成一組質(zhì)點(diǎn),質(zhì)點(diǎn)僅攜帶質(zhì)量和位置信息以便于跟蹤材料界面,而在歐拉網(wǎng)格上計(jì)算相應(yīng)的物理量,通過插值函數(shù)完成質(zhì)點(diǎn)與歐拉網(wǎng)格之間的信息交互。質(zhì)點(diǎn)攜帶所有的物質(zhì)信息,并在質(zhì)點(diǎn)上進(jìn)行本構(gòu)方程計(jì)算,以便于處理與歷史相關(guān)的材料;(2)通過等效積分弱形式,采用質(zhì)點(diǎn)離散建立動(dòng)量方程的離散格式;(3)采用顯式時(shí)間積分。
質(zhì)量守恒ρ(X,t)J(X,t)=ρ0(X) (1)
動(dòng)量方程σij,j+ρbi=ρüi (2)
初始條件
其中,下標(biāo)i和j表示空間坐標(biāo)分量,并遵守Einstein求和約定,下標(biāo)0表示初始時(shí)刻的值;ρ為當(dāng)前時(shí)刻的密度,J為雅克比行列式,bi為體力,ui為位移,wint為單位質(zhì)量的內(nèi)能,σij為柯西應(yīng)力張量,Dij為變形率張量;Γt和Γv分別表示現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中的指定面力邊界和速度邊界,ti和vi分別為指定的面力和速度;nj為材料邊界的單位外法線方向。物質(zhì)點(diǎn)法將材料區(qū)域離散為一組相對(duì)于背景網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)(物質(zhì)點(diǎn)),每個(gè)質(zhì)點(diǎn)均代表一塊材料區(qū)域并攜帶所有物質(zhì)信息,如質(zhì)量、速度、應(yīng)力和應(yīng)變等,因此所有質(zhì)點(diǎn)的集合代表了整個(gè)材料區(qū)域;背景網(wǎng)格用來計(jì)算空間導(dǎo)數(shù)和求解動(dòng)量方程。取虛位移δui∈0,0={δui|δui∈C0,δui|Γu=0}作為權(quán)函數(shù),可得動(dòng)量方程(2)和給定面力邊界條件(6)的等效積分弱形式(虛功方程)為
物質(zhì)點(diǎn)法將材料區(qū)域離散為一組質(zhì)點(diǎn),因此材料的密度ρ可近似為其中,np表示質(zhì)點(diǎn)總數(shù),mp表示質(zhì)點(diǎn)所代表區(qū)域的質(zhì)量,δ為Dirac函數(shù),xip是質(zhì)點(diǎn)p的坐標(biāo)。
為了公式推導(dǎo)上的方便,在式(8)中引入比應(yīng)力σsij=σij/ρ和比邊界面力-tsi=-ti/ρ,有將公式(9)代入虛功方程(10)中,可將虛方程轉(zhuǎn)化為求和的形式其中:uip=ui(xp),δuip,j=δui,j(xp),σsijp=σsij(xp),bip=bi(xp),-tsip=-tsi(xp),h是為了將式(10)左端最后一項(xiàng)邊界積分轉(zhuǎn)化為體積分而引入的假想邊界層厚度。由式(11)可見,物質(zhì)點(diǎn)法將式(10)中的各項(xiàng)積分轉(zhuǎn)化為被積函數(shù)在各物質(zhì)點(diǎn)處的值與該物質(zhì)點(diǎn)所代表的體積之積的和,即采用了物質(zhì)點(diǎn)積分。
在求解動(dòng)量方程時(shí),質(zhì)點(diǎn)和背景網(wǎng)格完全固連,隨背景網(wǎng)格一起運(yùn)動(dòng),因此可通過建立在背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的有限元形函數(shù)NI(xi)來實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)和背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)之間信息的映射。下面用帶有下標(biāo)I的量來表示背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的變量,用帶有下標(biāo)p的量來表示質(zhì)點(diǎn)攜帶的變量,則質(zhì)點(diǎn)p的位移uip可以由背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的位移uiI插值而得到,即其中,Np=NI(xp)為結(jié)點(diǎn)I的形函數(shù)在質(zhì)點(diǎn)p處的值,ng為計(jì)算網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)總數(shù)。如果采用正六面體背景網(wǎng)格,則結(jié)點(diǎn)I的形函數(shù)為八結(jié)點(diǎn)六面體單元的形函數(shù)其中,ξI,ηI和ζI為結(jié)點(diǎn)I在母單元對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)自然坐標(biāo),其取值分別為±1。由于有限元形函數(shù)NI具有緊支性,式(12)只需對(duì)質(zhì)點(diǎn)xp所在單元的頂點(diǎn)求和即可。質(zhì)點(diǎn)p的虛位移可近似表示為其中δuiI表示背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)I的虛位移。將式(12)和(14)代入弱形式(11)中,并考慮到虛位移δuiI在本質(zhì)邊界Γv上為0,在其余各點(diǎn)處任意,可得到背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程
其中是第I個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)在i方向的動(dòng)量;是背景網(wǎng)格的質(zhì)量矩陣,和分別是背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)內(nèi)力和結(jié)點(diǎn)外力。σijp=σij(xp)為質(zhì)點(diǎn)p的應(yīng)力,它可以利用本構(gòu)方程計(jì)算得到。根據(jù)連續(xù)裂縫模型數(shù)據(jù)(CFM),生成等效裂縫模型(EFM),并得到裂縫的長度和走向,這個(gè)信息之后轉(zhuǎn)換成裂縫開始(x1,y1)和結(jié)束(x2,y2)的位置,并定義一系列無質(zhì)量的物質(zhì)點(diǎn)在背景網(wǎng)格上來追蹤裂縫路徑。根據(jù)裂縫類型(天然裂縫和水力縫),每一個(gè)裂縫尖部分配適合其裂縫類型的傳播標(biāo)準(zhǔn)。采用物質(zhì)點(diǎn)法,求解在區(qū)域應(yīng)力場背景下,作用于水力縫的壓力在天然裂縫影響下造成的應(yīng)變來估算壓裂改造后的面積SRA。
一種估算頁巖儲(chǔ)層壓后平面改造面積的方法,具體步驟如下:
步驟一,收集單井各段壓力施工參數(shù)及壓裂施工曲線,根據(jù)壓裂曲線特征,讀取單井各段井口破裂壓力P0;
步驟二,收集頁巖儲(chǔ)層完井電測(cè)原始數(shù)據(jù),采用SAOR儲(chǔ)層地應(yīng)力分析軟件預(yù)測(cè)單井各段井底破裂壓力P1;
步驟三,采用經(jīng)典清水摩阻計(jì)算公式及圖版,計(jì)算出儲(chǔ)層單井各段實(shí)際井底破裂壓力P2,清水摩阻計(jì)算公式包括清水沿程摩阻公式和清水孔眼摩阻公式,清水沿程摩阻公式為(ΔPf)0=1.385×106×D-4.8·Q1.8·H,D為壓裂油管柱的內(nèi)徑,單位為mm,Q為施工過程泵的注排量,單位為m3/min,H為油管長度,單位為m;清水孔眼摩阻公式為井底破裂壓力P2=井口破裂壓力P0+液柱壓力PH-總摩阻PF-凈壓力p;
步驟四,采用深度域地震屬性和成像測(cè)井裂縫指示曲線,輸入到FracPredictor軟件中運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行多屬性融合得到連續(xù)裂縫模型;
步驟五,將步驟四中生成的連續(xù)裂縫模型輸入到FracPredictor軟件中,生成等效裂縫模型;
步驟六,根據(jù)單井各段實(shí)際壓裂曲線及參數(shù),優(yōu)選穩(wěn)排量壓裂期間的延伸壓力秒點(diǎn)數(shù)據(jù)群采用中值法優(yōu)選延伸壓力P3,平均延伸壓力P4,施工有效時(shí)間T;
步驟七,若|P3-P4|<p,則舍棄P4,若|P3-P4|>p,則舍棄P3,將未舍棄保留下來的延伸壓力值定義為施工有效壓力P;
步驟八,根據(jù)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn),假設(shè)裂縫高度H=30m,穩(wěn)定排量下假設(shè)壓裂液流速v為常值,采用FracPredictor軟件中OSParticulas模塊模擬出儲(chǔ)層原始應(yīng)力場,將單井各段施工有效壓力P和施工有效時(shí)間T按照壓裂順序輸入FracPredictor軟件中,模擬注入液體后水力裂縫在儲(chǔ)層的應(yīng)力分布情況,根據(jù)模擬出的應(yīng)力類型和大小,在壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖中明確出拉張和擠壓應(yīng)力區(qū)范圍;
步驟九,若P1-P2>p,在壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖中只考慮近井筒擠壓應(yīng)力區(qū);若P1-P2<p,壓裂改造應(yīng)變預(yù)測(cè)圖則為壓后平面改造面積;
步驟十,根據(jù)步驟九,人工描繪出水力壓裂形成的壓裂范圍即壓后平面改造面積,進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂效果
效果論證:
第一,當(dāng)應(yīng)用效果為(P1-P2<p)時(shí):焦頁AA井穿行于優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,歷時(shí)40d,共完成壓裂施工28段,平均開井壓力21.60MPa,平均破裂壓力76.83MPa,平均停泵壓力35.30MPa,施工排量12-15m3/min,施工總液量59010m3,施工總砂量1420.2m3,平均單段液量1967.0m3,平均單段砂量47.34m3。應(yīng)用本技術(shù)方法估算的壓后平面改造面積SRA與微地震評(píng)估的裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)比效果見圖1。焦頁BB井穿行于優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,歷時(shí)36d,共完成壓裂施工22段,平均開井壓力27.33MPa,平均破裂壓力82.61MPa,平均停泵壓力40.81MPa,施工排量12-16m3/min,施工總液量45230.15m3,施工總砂量1029.75m3,平均單段液量1739.62m3,平均單段砂量39.61m3。應(yīng)用本技術(shù)方法估算的壓后平面改造面積SRA與微地震評(píng)估的裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)比效果見圖2。
第二,當(dāng)應(yīng)用效果為(P1-P2>p)時(shí):焦頁CC井穿行于優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,歷時(shí)5d,共完成壓裂施工4段,平均開井壓力41.2MPa,無明顯破裂壓力,平均最高施工壓力93.67MPa,平均停泵壓力74.35MPa,施工排量6-12m3/min,施工總液量8384.39m3,施工總砂量132.33m3,平均單段液量1676.88m3,平均單段砂量26.47m3。應(yīng)用本技術(shù)方法步驟2-采用SAOR儲(chǔ)層地應(yīng)力分析軟件計(jì)算井底破裂壓力(計(jì)算第1-5段井底破裂壓力110-130MPa)見圖3,應(yīng)用本技術(shù)方法估算的壓后平面改造面積效果見圖4。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言,顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié),而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下,能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此,無論從哪一點(diǎn)來看,均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定,因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外,應(yīng)當(dāng)理解,雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述,但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案,說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體,各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合,形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。