[發明專利]一種變流量脈沖水力壓裂方法

有效

• 申請號: 202010413142.6
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111550225B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 董世民;朱葛;李偉成;王宏博;潘子卜
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 劉翠芹

1.一種變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：其包括以下步驟：

S1、壓裂施工現場設備及人員準備就緒后，按照壓裂方法設計的初始恒定流量注入壓裂液，記錄井口壓力隨注液時間的變化，當井口壓力達到設備的安全壓力閾值時，停止注液并確認停注時刻，之后恢復井口壓力至注液前狀態；

S2、根據管柱及壓裂液性質參數計算壓裂液中壓力波傳播速度C；

S3、根據井深及壓力波傳播速度C計算流量調節時刻t₁；

S4、根據記錄的井口壓力隨時間變化情況分別找出停注時刻及流量調節時刻對應的井口壓力，并計算兩個時刻對應的壓力差，根據該壓力差計算流量調節幅值ΔQ；

S5、根據步驟S4的計算結果重新設計脈沖變化的流量注入方案，該脈沖變化的流量注入方案在初始恒定流量的基礎上疊加升-降-升的流量調節方式再次進行步驟S1中的壓裂作業，使得脈沖壓力波到達井底的時刻恰好為極限壓力限制條件下井底壓力的最大值，此時修正后的恒定注入流量所產生的穩態井底壓力P_j與脈沖突變注入流量所產生的脈沖壓力波動幅值ΔP_d相互疊加，進而在井底產生最大的施工壓力P_t。

2.根據權利要求1所述的變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：步驟S5中所述的脈沖變化的流量注入方案在初始恒定流量的基礎上疊加升-降-升的流量調節方式具體為：

初始階段以初始恒定流量Q₀注入壓裂液，在計算得到的t₁時刻通過調整壓裂泵工作轉速或開啟備用壓裂泵的方式提升注入流量，使得流量提升幅值滿足ΔQ_s＝ΔQ，以該修正后的恒定注入流量持續短暫時間t_o后瞬速降低注入流量，同樣使流量降低幅值滿足ΔQ_j＝ΔQ，持續相同短暫時間t_o后恢復注入流量為初始恒定流量Q₀狀態。

3.根據權利要求1所述的變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：步驟S2中壓力波傳播速度C的計算公式如下：

式中：E為液體的彈性模量，單位為Pa；ρ為液體的密度，單位為kg/m3；D為管柱內壁直徑，單位為m；E₀為管柱的彈性模量，單位為Pa；e為管柱的壁厚，單位為m。

4.根據權利要求3所述的變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：步驟S3中流量調節時刻t₁的計算公式如下：

式中：L為井深，單位為m；t₂為停注時刻，單位為s。

5.根據權利要求4所述的變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：步驟S4中流量調節幅值ΔQ的計算公式如下：

式中：ΔP為停注時刻及流量調節時刻對應的井口壓力差，單位為Pa；η為與管柱及液體彈性相關的特性系數。

6.根據權利要求5所述的變流量脈沖水力壓裂方法，其特征在于：步驟S4中流量調節幅值ΔQ也可以通過精確計算得到，具體地，流量調節幅值ΔQ精確計算方法通過建立管柱內流體的瞬態動力學方程，進而由下面的控制方程及邊界條件與初始條件得到安全壓力閾值限制下的流量調節幅值ΔQ：

邊界條件及初始條件：

式中：z為沿管柱軸線方向位移，單位為m；v為流體速度，單位為m/s；P為液體壓力，單位為Pa；D為管柱內壁直徑，單位為m；L為管柱長度，單位為m；g為重力加速度，單位為m/s²；β為管柱軸線與水平面間夾角，單位為rad；f為阻力系數；k₃為計算系數；Q(t)為注入流量，其變化幅值為ΔQ，單位為m³/min；P₀入口處的初始壓力，單位為Pa。