[發明專利]一種高效實現煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案

在審

• 申請號: 201710216123.2
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN106951659A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 趙海峰;王小華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（北京）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E21B43/11
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是關于一種石油工程領域煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案，主要包括射孔層位選擇和射孔段長度選擇，以保證煤層-頂部砂巖層的合壓裂縫幾何形態及導流能力最佳，同時該發明也適用于其他不同類型儲層組合的合壓射孔方案設計。

背景技術

煤系地層是指含煤層的地層，主要包括煤層、致密砂巖層和頁巖層。與之對應的煤系“三氣”主要是指煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣。為實現煤系地層的“三氣合采”，需對煤系地層進行多儲層合壓。理論研究和實踐發現，合壓射孔方案選擇關系到煤系地層多儲層合壓的效果，甚至決定合壓的成敗。所以，本發明通過對煤系地層中的煤層及其頂部砂巖組合的力學建模和有限元數值模擬計算，進而確定一種高效實現煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種高效實現煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。該發明基于彈塑性力學、斷裂力學和水力壓裂等理論，通過力學建模和有限元數值模擬計算確定煤層-頂部砂巖層合壓裂縫的幾何形態及導流能力，并提出以“等效導流能力乘積”取得最大值為標準，進而確定一種高效實現煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。

本發明的技術方案為：將煤層、頂部砂巖層視為彈塑性材料，將計算地層裂縫寬度剖面看作平面應變問題，裂縫擴展模型采用三維裂縫模型，裂縫擴展準則采用應力強度因子準則，根據捷爾霍夫第一、第二定律得到煤層-砂巖層合壓過程中的各層壓裂液流量、壓力分配，壓裂液濾失模型采用卡特模型，支撐劑沉降模型采用Stokes模型。然后考慮煤層及頂部砂巖的地應力條件、巖石力學性質、流體濾失、壓裂液注入條件等，建立力學模型并求解。

前述的煤層最小主應力比頂部砂巖層最小主應力低3MPa以上。

前述的煤層的壓裂液濾失系數是頂部砂巖層壓裂液濾失系數的5倍及以上。

前述的煤層厚度與頂部砂巖層厚度相當。

前述的射孔采用60°相位螺旋射孔，射孔孔徑為9.65mm，射孔密度為16孔/m。

采用上述技術方案，本發明建立煤層-頂部砂巖層合壓過程中的力學模型并進行有限元數值模擬求解，得到煤層-頂部砂巖層合壓裂縫的幾何形態參數及導流能力。為實現煤層-頂部砂巖層的高效合壓，基于建立的合壓力學模型和求解結果，提出：(1)煤層-頂部砂巖層合壓時射孔層位不能為煤層(見圖1)，只能選擇為頂部砂巖層(見圖2)。(2)應以“等效導流能力乘積”取得最大值為標準確定最優的合壓射孔方案。其中，等效導流能力乘積＝合壓裂縫支撐縫長×合壓裂縫導流能力。

以“等效導流能力乘積”取得最大值為標準優選合壓射孔方案的具體實施步驟為：設射孔段底端位置與煤層頂端位置的距離為x₁，射孔段的長度為x₂(見圖2)，然后采用有限元數值計算求解不同的x₁，x₂下的“等效導流能力乘積”，并繪制“等效導流能力乘積”的曲面圖(見圖3)。該曲面上的最高點(即“等效導流能力乘積”取得最大值)所對應的x₁，x₂即為優選結果，并可得最佳射孔方案(見圖2)。

附圖說明

以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中，

圖1：射孔層位選擇為煤層時的合壓裂縫形態圖

圖2：射孔層位選擇為頂部砂巖時的合壓裂縫形態圖

圖3：等效導流能力乘積的曲面圖

圖4：LX區塊某井等效導流能力乘積的曲面圖

圖5：LX區塊某井最佳射孔方案下的合壓裂縫形態圖

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現以LX區塊某井為例說明本發明的具體實施方式，但不作為對本發明的任何限制。

1.根據測井資料可知，該地區本溪組煤層(2000.3～2006m)厚度為5.7m，頂部砂巖層(1995.3～2000.3m)厚度為5.0m。

2.根據測井資料和巖石力學室內實驗可確定煤層及頂部砂巖層的地應力狀態及巖石力學參數大小。煤層水平主應力分別為29.5MPa、30.6MPa，彈性模量3.37GPa，泊松比0.30，斷裂韌性0.005MPa·m^1/2；頂部砂巖層水平主應力分別為32.7MPa、38.1MPa，彈性模量17.34GPa，泊松比0.26，斷裂韌性0.5MPa·m^1/2。