2018/12/26【科技3分钟】页岩气水平井段内多簇裂缝同步扩展模型建立与应用(二)

中国装饰材料网 2019-05-26

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来源:中国知网

      本期栏目,为大家通过公司内网资源收集了一些前沿技术论文,欢迎大家留言交流呀!

        水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,分析段内多裂缝同步扩展规律和进行段内簇间距优化设计对提升水平井压裂效果具有重要意义。基于多层压裂流量动态分配思想,考虑缝间应力干扰、射孔和摩阻压降损耗、滤失等影响建立多簇裂缝同步扩展数学模型,利用改进Picard 法进行方程组求解并开展敏感性分析。研究结果表明,簇间距对多簇裂缝扩展的影响最为明显,当簇间距达到缝高高度时,缝间力学干扰则几乎可以忽略;簇间距越近,则整个缝簇系统受到应力干扰影响越为明显,而加大压裂液黏度则可以明显改变缝宽,一定程度上抵消应力干扰影响;地层滤失系数增加则会显著降低改造体积范围,射孔密度对缝簇扩展影响较小。提出的段内多裂缝扩展数值模型简化了数学建模步骤,综合考虑了影响裂缝扩展的岩石力学和工程因素,且计算速度快,精度可靠,可为水平井段内簇间距压裂优化设计工作提供技术持。

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约束条件及非线性方程组求解

     考虑应力干扰、摩阻压降等复杂因素的多缝同步扩展数学方程组具有较强的非线性,需要通过迭代法进行求解。牛顿迭代法为二阶收敛,且收敛阶数较低,导致解方程组所用的迭代次数较多。为此,采用Picard 迭代解法进行非线性方程组求解,该方法只需求解一次Jacobi 矩阵和其逆矩阵,减轻了计算量。改写式(1)和(2),满足式(11)和(12)。

根据质量平衡方程,方程组需要同时满足

采用行矢量的方式建立方程组(13)和(14)为

形成的Jacob 矩阵为式(15),可以看出最后1 列向量求导后为1。

形成的Picard 迭代方程组为式(16)

数值结果表明非线性迭代格式是有效的。将上述压裂理论和数学解法进行编程形成软件,可以实现对水平井分段多簇裂缝同步扩展的模拟分析。


敏感性分析

       模拟3 条裂缝的情况(分别标为1 号、2 号和3号)如图1(见上期内容) 所示,进行敏感性分析的相关输入参数见表1,主要包括储层簇间距、压裂液黏度、射孔密度、滤失系数等参数。

5.1 簇间距对缝簇系统延伸的影响

       簇间距是影响“应力阴影”范围和大小的核心因素,在射孔段长度固定的情况下,将簇间距从15 m增加到35 m,如图3 所示。随着簇间距越大,应力干扰程度越小,主要体现在中间2 号裂缝的长度和宽度都有所增加,且增加幅度非常明显。相应的则是缝簇系统两侧的裂缝缝长和缝宽随着簇间距的增加则都有一定程度的下降。就影响程度而言,1 号和3号裂缝都在缝簇系统外侧,但1 号裂缝由于比3 号裂缝离注入点较近,可以吸收更多的压裂液,因此3号裂缝的缝长和缝宽下降程度较1 号裂缝更明显。如果考虑后续支撑剂的注入,则只需考虑中间裂缝的缝宽值满足支撑剂的粒径的大小即可。

图3 不同簇间距对缝簇系统几何参数的影响

Fig. 3 Effect of cluster spacing on the geometric parameters offracture cluster system

5.2 射孔密度对缝簇系统延伸的影响

       如图4 所示,随着孔密增加,缝簇系统内1 号、2 号和3 号裂缝的几何形态变化并不明显,这说明射孔数量的高低对簇间干扰性的影响程度较低。另外研究表明,相较于射孔方位、射孔孔径大小、射孔间距等其他核心射孔参数,孔密对裂缝起裂压力的影响同样有限。超过20 孔/m 就属于高孔密射孔,射孔穿透深度较常规低密度射孔要低,但可以减少地层出砂。如果页岩气储层改造时没有产生明显的近井带污染或者不需要考虑后续的酸化处理,则一般将水平井分段压裂的射孔孔密控制在16~20 孔/m左右就可以满足工程的需要。

图4 不同射孔密度对缝簇系统几何参数的影响

Fig. 4 Effect of perforation density on the geometric parameters of fracture cluster system

5.3 压裂液黏度对对缝簇系统延伸的影响

       如图5 所示,随着压裂液黏度的不断增加,缝簇内各裂缝的缝长略有降低,而裂缝的宽度则显著增加,对于1 号和3 号裂缝更是如此,说明裂缝宽度对压裂液黏度的变化更为敏感。考虑到压裂施工成本的问题,现场多采用滑溜水压裂液进行造缝。对于存在弱胶结面的裂缝性发育页岩储层,低黏度滑溜水更容易促使储层产生裂缝网络而扩大改造体积。

图5  压裂液黏度对缝簇系统几何参数的影响

Fig. 5 Effect of fracturing fl uid viscosity on the geometric parameters of fracture cluster system

5.4 综合滤失系数对缝簇系统延伸的影响

        控制压裂液滤失是常规砂岩等储层进行有效压裂施工的关键步骤。如图6 所示,随着综合滤失系数的不断增加,缝簇内1 号、2 号和3 号裂缝的缝长和缝宽都有非常明显的降低,这说明了滤失对裂缝的扩展延伸有着非常重要的作用。对于裂缝性页岩气储层而言,滤失较高有益于水力裂缝与天然裂缝的充分沟通,可以扩大储层体积改造规模,所以页岩气压裂后返排量一般较低时页岩气产量较高。除非页岩储层基质的渗透率极低且天然裂缝不发育,否则一般不应忽略滤失对水力裂缝扩展的影响。

图6 综合滤失系数对缝簇系统几何参数的影响

Fig. 6 Effect of composite fi ltration coeffi cient on the geometricparameters of fracture cluster system


实例应用&结论

     以四川盆地某页岩气储层为例进行水平井分段多簇裂缝同步扩展模型的应用,该地区储层表现出砂泥岩互层的特征。经测井数据结合矿物组分分析发现,该页岩储层的黏土含量偏高,除石英外,还含有长石和碳酸盐等脆性矿物。成像测井显示天然裂缝发育一般。选取某水平井两段脆性程度发育类似的储层进行比较,考虑排量上下波动,设计单段射孔数目为36 孔,对应单簇射孔数目12 孔,平均单孔流量0.28 m3/min,此时射孔摩阻压降为2.3 MPa。利用建立的数学模型进行了压裂设计,每个压裂段内皆设计为3 簇裂缝,其中A 段和B 段设计簇间距分别为25 m 和20 m,结果发现B 段采用20 m 簇间距设计的压裂微地震面积要略小,同时B 段伴随了一定程度的砂堵问题。所以后续利用模型优化形成25 m簇间距进行该井其他井段的后续压裂施工。采用直径5 mm、6 mm、8 mm 油嘴控制放喷,用Ø20 mm 孔板求产,试气平均产气量17.5×104 m3/d,后续跟踪产气量稳产在19.8×104 m3/d,水平井分段多簇压裂优化效果显著,证实了模型的可靠性。

 结论

(1)簇间距是影响流量分配的核心参数,外侧裂缝延伸更为充分,中间裂缝延伸扩展受到明显抑制。当簇间距等于裂缝高度时,则缝簇间应力干扰则可以几乎忽略。

(2)压裂液黏度会在一定程度上对各裂缝的延伸起到作用,特别是对缝宽影响十分显著。地层滤失高低影响改造体积范围,射孔密度的改变对裂缝的形态影响相对来说较不敏感。

(3)考虑应力干扰、射孔和沿程摩阻压降及滤失影响下的水平井分段多簇压裂时,产生的各条裂缝形态各不相同,通过调整射孔位置或者采用变密度射孔调节摩阻可改变各条裂缝几何形态,实现段内多缝均匀同步延伸。

完结

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综合整理|魏冕

校审|魏冕

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