[發明專利]一種致密儲層水平井分簇限流布孔優化設計方法

有效

• 申請號: 202110116100.0
• 申請日: 2021-01-28
• 公開（公告）號: CN112836446B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 盧宇;李海濤;徐家年;肖暉;龐進
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院;西南石油大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;E21B43/11;E21B43/26;G06F119/14
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙) 50223
• 代理人: 韓慧芳

1.一種致密儲層水平井分簇限流布孔優化設計方法，其特征在于，包含以下步驟：

S1采集基礎巖石力學參數、最小水平地應力參數及壓裂施工工程參數值；

S2建立多射孔簇位置壓裂裂縫擴展模型，模擬均勻布孔多簇裂縫擴展裂縫形態；

S3模擬多簇裂縫擴展形態下的誘導應力場分布和多簇裂縫擴展均勻程度指標定量表征；

S4建立段內多簇壓力和流量分配關系及無磨蝕條件分簇限流布孔數優化模型；

S5設計射孔孔眼磨蝕情況下的分簇限流布孔數；

S6驗證分簇限流布孔優化后裂縫擴展效果；

所述步驟S2中包含以下子步驟：

S21模擬多簇裂縫延伸誘導應力場分布并獲取射孔簇位置誘導應力值大小；

多簇壓裂裂縫擴展過程中，多個裂縫單元存在相互影響，此時的誘導應力場法向和切向應力表示為：

式中：為裂縫邊界法向應力與切向應力，單位為Pa；為裂縫應變量，單位為m；i，j為取值1～N，M^ij為縫高校正因子；C_nn為裂縫單元法向應力，C_ss為裂縫單元切向應力；C_ns、C_sn為裂縫單元平面應變；

S22多簇流體流動動態分配

段內多簇射孔后壓裂液流動的壓力平衡關系服從基爾霍夫第二定律，表示為水平段內的總壓降為射孔孔眼摩阻、裂縫內壓降、井筒內沿程摩阻之和：

式中：p_per,i為第i個簇位置射孔孔眼的摩阻，單位為Pa；p_g為壓裂井筒跟端處的壓力，單位為Pa；p_fk,i為第i條裂縫在縫口的壓力，單位為Pa；p_f,j為第j個井段的沿程壓降，單位為Pa；i表示裂縫編號,j表示井段號；其中，壓裂液在井筒的沿程壓降；

多裂縫同時起裂延伸時，根據流量分配方程對各裂縫縫口流量進行計算，此時的壓裂段內多簇裂縫內流量守恒表示為：

式中：q_L,j為第j段水平井段內的流量，單位為m³/s；q_z為壓裂液總流量，單位為m³/s；

S23分簇射孔壓裂縫縫內流動

多簇壓裂過程中注入壓裂液量應等于裂縫體積增量加上壓裂液的濾失量，則全局物質平衡的方程表示為：

式中：L_f,i為第i條壓裂縫的長度，單位為m；N為為壓開的裂縫條數；q_lv為壓裂液的濾失速率，單位為m/s；h_f為裂縫高度,單位為m；w_f裂縫寬度,單位為m；s裂縫延伸位置,單位為m；t泵注時間，單位為秒；q_z泵注排量單位為m³/s；

S24裂縫延伸判別

多裂縫同步擴展情況下，首先計算各條裂縫縫尖應力強度因子，判別各裂縫是否滿足繼續擴展的條件，滿足時則縫尖增加一個單元，根據最大周向應力理論，用等效強度因子表示的最大周向應力準則為：

K_IC為Ⅰ型斷裂韌性指數，單位為MPa·m^1/2；θ_f裂縫轉向角度，單位為度；

裂縫延伸過程中的裂縫尖端的轉向角表示為：

裂縫縫尖單元第一類與第二類應力強度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ：

式中：G為儲層巖石剪切模量，單位為Pa；D_n為裂縫尖端元法向應變量、D_s為裂縫尖端元切向應變量，單位為m；a為離散裂縫單元長度的半長，單位為m；ν為儲層巖石泊松比，無量綱；

S25流固耦合擴展模型求解；

耦合多簇壓裂裂縫擴展過程中巖石變形產生的誘導應力場和多簇間流體的動態分配，構建非線性方程組進行求解，其中裂縫間的誘導應力場表示為F1，在裂縫內時流體壓力場表示為F2、F3，簇裂縫擴展時的井筒內壓力和流量分配表示為F4、F5，耦合模型先通過裂縫誘導應力場模型計算法向和切向位移，整個應力和流體壓力耦合場的非線性方程組通過萊文貝格-馬夸特迭代法多次耦合迭代求解計算，方程組的向量函數表示為：

所述步驟S4中，分簇限流設計射孔孔眼無磨蝕射孔數目設計包括：

射孔孔眼摩阻表示為：

式中：D_en,i為射孔密度，單位為孔/m；L_c,i為射孔簇長度，單位為m；d_per為射孔孔眼直徑，單位為m；C_p，i為射孔孔眼流量系數，無量綱；ρ為壓裂液密度，單位為kg/m³；q_i為流經射孔孔眼流量，單位為m³/s；

采用以下公式表示壓裂過程中多簇裂縫的進液量體積：

若段內射孔為三簇射孔，多簇裂縫間的壓力平衡關系式為：

p_m1+p_perf1＝p_m2+p_perf2+p_L12

p_m2+p_perf2＝p_m3+p_perf3+p_L23

簇間誘導應力時表示為：

δ|Δσ_h+Δσ_in|＝p_per1-p_per2

δ|(σ_h2+σ_in2)-(σ_h1+σ_in1)+p_L12|＝p_per1-p_per2

q₁＝q₂＝q₃＝Q/3，

σ_h為最小水平主應力，單位為MPa，

q₁,q₂,q₃分別表示多簇均勻擴展各簇進液量，Q表示總進液量,單位為m³/s；

將以上關系式轉化為：

式中：p_m1為第一個射孔簇位置縫口壓力，單位為MPa；p_m2為第二個射孔簇位置縫口壓力，p_m3為第三個射孔簇位置縫口壓力，單位為MPa；p_perf1為第一個射孔簇位置的孔眼摩阻，單位為MPa；p_perf2為第二個射孔簇位置的孔眼摩阻，單位為MPa；p_perf3為第三個射孔簇位置的孔眼摩阻，單位為MPa；p_per為第i簇射孔位置的孔眼摩阻，單位為MPa；σ_in為多簇裂縫在該射孔簇位置產生的沿著最小水平主應力方向的誘導應力值，單位為MPa；p_L為簇間沿程摩阻，單位為MPa；δ為相對優勢裂縫判別系數，當第一簇相對于第二簇為優勢簇時，則δ取1，反之取-1；當第一簇相對于第三簇為優勢簇時，則δ取1，反之取-1；n₁為第一個射孔簇射孔數，n₂為第二個射孔簇射孔數，n₃為第三個射孔簇射孔數；C_p為射孔孔眼流量系數，無量綱，

當考慮孔眼磨蝕影響時，所需優化布孔數在不考慮磨蝕的限流射孔孔數基礎上，統一乘以磨蝕影響系數ζ_err；

孔眼磨蝕優化系數ξ_err和考慮磨蝕時的優化布孔數N_perr,i表示為：

N_perr,i＝ξ_errN_pd,i

其中：C_p0表示最小孔眼流量系數，C’_p表示磨蝕后最大孔眼流量系數，N_pd,i表示不考慮磨蝕時的優化射孔數，ξ_err表示簇位置經驗修正系數，劣勢射孔簇位置值取1，優勢射孔簇為ξ_err。

2.根據權利要求1所述的一種致密儲層水平井分簇限流布孔優化設計方法，其特征在于，所述步驟S4中，分簇限流設計射孔孔眼無磨蝕射孔數目設計包括：

利用射孔簇位置的射孔孔眼摩阻來調整局部限流摩阻平衡多簇裂縫間的應力差異造成的多簇進液量不均勻的影響；

短簇間距時忽略井筒摩阻，裂縫誘導后的最小水平地應力差值等于孔眼摩阻之差。