一種頁巖氣藏水力壓裂排量的確定方法
2023-06-12 12:18:31
專利名稱：一種頁巖氣藏水力壓裂排量的確定方法
一種頁巖氣藏水力壓裂排量的確定方法技術領域
本發明是關於一種石油工程領域頁巖氣水平井分段壓裂改造最小排量的確定方法，以保證水力壓裂作業高效溝通天然裂縫，形成高度密集的網狀裂縫系統。
背景技術：
非常規油氣是化石能源的重要戰略接續，其中頁巖氣的開發近年來引起了國際能源業界的廣泛關注。頁巖氣屬於非常規天然氣，是指以吸附和/或游離狀態賦存於富有機質頁巖地層中的生物成因和/或熱成因的天然氣，具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質特點。與常規天然氣相比，頁巖氣開發具有資源潛力大、開採壽命長和生產周期長的優點。大部分產氣頁巖由於分布範圍廣、厚度大，且普遍含氣，頁巖氣資源量巨大，因而頁巖氣井能夠長期地以穩定的速率產氣，一般開採壽命可達30-50年，甚至更長，因此具有極大的商業價值。
頁巖氣儲層條件屬於裂縫性低滲/特低滲，水平井分段清水壓裂改造(不加砂或少量加砂)是有效開發頁巖氣的技術手段。美國目前85%的頁巖氣開發井為水平井+多段壓裂，如美國新田公司在Woodford頁巖中的部分開發井採用5-7段式壓裂，頁巖氣增產效果顯著。然而頁巖氣儲層的地質、力學特徵與常規油氣資源有較大的區別，其壓裂的造縫機理及壓裂影響因素尚未認識清楚，導致壓裂的設計、實施缺少定量的科學依據。
脆性頁巖壓裂採用清水壓裂液，經人工壓裂改造後形成高度密集的網狀裂縫系統，其與傳統高粘度壓裂液壓裂形成兩條對稱的翼型裂縫具有本質區別，已有的基於巖石準靜態力學分析的二維、擬三維及全三維壓裂設計模型難以刻畫頁巖裂縫特徵。基於頁巖壓裂的裂縫擴展屬於脆性材料的動態斷裂，筆者採用巖石斷裂動力學方法來建立網狀裂縫系統的形成模型，給出關鍵施工參數，即最小排量的計算方法。發明內容
本發明的目的是提供頁巖氣水平井分段壓裂改造最小排量的確定方法。該方法採用巖石斷裂動力學方法來建立網狀裂縫系統的形成模型，建立施工排量因素以及地應力、 天然裂縫產狀、儲層巖石力學參數等自然因素與裂縫延伸的關係，從而得到最小臨界排量的計算方法。
本發明目的是這樣實現的，考慮水平井的某一級壓裂，俯視圖如
圖1所示，井軸沿最小地應力方向。水力裂縫在井筒附近沿地應力方向延伸，在遇到天然裂縫後形成左右兩個一級分支，一級分支裂縫在延伸到其端部後將會發生轉向繼續沿地應力方向延伸，一級分支裂縫在遇到天然裂縫後將形成兩個二級分支裂縫。以此類推，水力裂縫與天然裂縫相互交錯，形成高度密集的網狀裂縫系統。
如果壓裂排量較小，水力裂縫在溝通天然裂縫後壓力低於發生轉向需要的壓力， 隨著壓裂液注入壓力逐漸上升直至在左端或右端發生轉向，可以用斷裂靜力學方法來描述轉向的過程。但是為形成複雜的網狀裂縫，我們希望左右裂縫同時滿足轉向條件，此時壓力高於準靜態擴展所需的壓力，必須採用斷裂動力學的方法來描述裂縫延伸。
以井軸方向為X，最大地應力方向為Y，垂直向上為Z建立坐標系，假設天然裂縫傾角為β，走向與井軸夾角θ，以第η級分支裂縫為例，裂縫面單位法向矢量為
η = [cos β sin θ , cos β cos θ , sin β ]
作用在裂縫面上的正應力為
權利要求
1.頁巖裂縫延伸的斷裂動力學模型，其特徵在於水力裂縫在井筒附近沿地應力方向延伸，在遇到天然裂縫後形成左右兩個一級分支，一級分支裂縫在延伸到其端部後將會發生轉向繼續沿地應力方向延伸，一級分支裂縫在遇到天然裂縫後將形成兩個二級分支裂縫，以此類推形成更多分支裂縫；由於左右分支同時延伸，此時壓力高於準靜態延伸所需的壓力，必須採用斷裂動力學的方法來建模。
2.頁巖裂縫延伸縫內壓力計算方法，其特徵在於當壓裂液注滿天然裂縫時，水力裂縫與天然裂縫的交點將天然裂縫劃分為兩段，採用疊加原理分別計算左右分支裂縫端部的動態應力強度因子，以巖石動態斷裂韌性作為裂縫延伸判據，建立縫內壓力的計算公式。
3.頁巖水力壓裂排量的確定方法，其特徵在於視壓裂液流動為沿裂縫長度方向的一維層流，忽略縫內沿寬度、高度方向的流動以及裂縫連接點、端部的複雜流動，依據平板流動原理，可得出第η級分支裂縫縫內壓力與排量的二次函數關係，再由頁巖裂縫延伸所需的縫內壓力確定水力壓裂作業所需的最小排量。
全文摘要
本發明是一種石油工程領域頁巖氣水平井分段壓裂改造最小排量的確定方法，以保證水力壓裂作業高效溝通天然裂縫，形成高度密集的網狀裂縫系統。脆性頁巖壓裂採用清水壓裂液，經人工壓裂改造後形成高度密集的網狀裂縫系統，其與傳統高粘度壓裂液壓裂形成兩條對稱的翼型裂縫具有本質區別，已有的基於巖石準靜態力學分析的壓裂設計模型難以刻畫頁巖裂縫特徵。該發明採用巖石斷裂動力學方法來建立網狀裂縫系統的形成模型，建立施工排量因素以及地應力、天然裂縫產狀、儲層巖石力學參數等自然因素與裂縫延伸的關係，從而得到最小臨界排量的計算方法。
文檔編號E21B43/26GK102518417SQ20111042199
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者張偉, 趙海峰, 金衍, 陳勉 申請人:中國石油大學(北京)