本發(fā)明屬于石油開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水平井體積壓裂簇間距優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，特別是致密砂巖儲(chǔ)層通常具有低孔隙度和低滲透率的特點(diǎn)，為了達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)開發(fā)目的，往往需要進(jìn)行大型水力壓裂。大部分致密砂巖儲(chǔ)層具有較高的彈性模量，在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、生烴以及化學(xué)作用下，儲(chǔ)層內(nèi)部會(huì)形成大量的、不同尺度的天然裂縫和非連續(xù)結(jié)構(gòu)面。這些非連續(xù)結(jié)構(gòu)面相對(duì)于基質(zhì)具有較高的滲透率，是致密儲(chǔ)層成功開發(fā)的關(guān)鍵。水力壓裂過程中壓裂液會(huì)向主裂縫兩側(cè)濾失，使天然裂縫內(nèi)孔隙壓力升高，天然裂縫面法向有效應(yīng)力降低，發(fā)生剪切破壞甚至是拉伸破壞。水力壓裂激活天然裂縫并使之進(jìn)一步的擴(kuò)展，從而在儲(chǔ)層巖石中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加裂縫與儲(chǔ)層巖石基質(zhì)的接觸面積，提高油氣井的產(chǎn)量。

研究結(jié)果表明水力裂縫與天然裂縫相交，交叉點(diǎn)的縫寬受很多因素的影響，其中主要因素為水平地應(yīng)力差，較小的水平地應(yīng)力差情況下交叉點(diǎn)的裂縫寬度會(huì)更大，從而使更多的支撐材料進(jìn)入天然裂縫。水平地應(yīng)力差較小時(shí)，水力裂縫附近的水平主應(yīng)力更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，有利于激活更多的天然裂縫，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

致密砂巖儲(chǔ)層水平井分段多簇壓裂過程中會(huì)存在應(yīng)力影效應(yīng)，使兩簇之間巖石的地應(yīng)力方向和大小發(fā)生改變，有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。但同時(shí)應(yīng)力干擾也會(huì)影響主裂縫的擴(kuò)展方向，當(dāng)裂縫偏轉(zhuǎn)過于嚴(yán)重時(shí)，水力裂縫擴(kuò)展很短的距離就已經(jīng)與前續(xù)裂縫相交，降低了儲(chǔ)層的改造體積，也有可能影響接下來裂縫的施工。

因此，水平井分段壓裂施工在利用應(yīng)力影效應(yīng)促使儲(chǔ)層形成更加復(fù)雜縫網(wǎng)的同時(shí)要避免應(yīng)力影效應(yīng)過于強(qiáng)烈。這其中簇間距的選擇至關(guān)重要，當(dāng)簇間距過大時(shí)，裂縫之間相互干擾較弱，達(dá)不到使儲(chǔ)層形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的條件；當(dāng)簇間距過小時(shí)，主裂縫之間相互干擾過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致裂縫偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重。因此，簇間距是水平井分段多簇壓裂設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要優(yōu)化參數(shù)。

為了利用應(yīng)力影響效應(yīng)增大儲(chǔ)層的改造體積，近年來不少研究對(duì)簇間距進(jìn)行了優(yōu)選，采用的主要的研究方法大致可以分為兩類：一類是基于2維平直裂縫受內(nèi)壓平面應(yīng)變或橢圓單裂縫受內(nèi)壓情況下的3維應(yīng)力場(chǎng)green解析解的分析方法；另一類則是基于有限元或有限差分的數(shù)值計(jì)算方法。

采用解析的方法對(duì)簇間距進(jìn)行優(yōu)化比較簡(jiǎn)潔明了，但是公式在使用上存在一定誤差。因?yàn)椴还苁?維平面應(yīng)變裂縫附近應(yīng)力場(chǎng)還是3維橢圓裂縫附近應(yīng)力場(chǎng)的解析解均只能得到一條裂縫周圍應(yīng)力場(chǎng)的精確解，對(duì)于兩條或者兩條以上的裂縫時(shí)，該解析解所依賴的參數(shù)凈壓力會(huì)受到相鄰裂縫的影響，是一個(gè)變化的量，在實(shí)際應(yīng)用過程中難以確定。因此，在處理多條裂縫相互干擾的問題時(shí)直接將解析解計(jì)算結(jié)果線性疊加是不準(zhǔn)確的，所得到的計(jì)算結(jié)果應(yīng)力干擾會(huì)比真實(shí)情況強(qiáng)烈。

利用有限元或有限差分等數(shù)值計(jì)算方法對(duì)簇間距進(jìn)行研究，可以回避采用解析解直接進(jìn)行線性疊加所帶來的誤差。但是這種方法主要以頁巖氣儲(chǔ)層為對(duì)象進(jìn)行了簇間距優(yōu)化，研究儲(chǔ)層厚度均較厚，裂縫縫高和半縫長相差不多，對(duì)于致密砂巖這類儲(chǔ)層厚度與縫長相對(duì)較小的情況以上分析結(jié)果并不適用，而且以上研究主要偏向于定性分析，不能定量確定簇間距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前水平井分段多簇壓裂設(shè)計(jì)過程中簇間距優(yōu)化的問題。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種水平井體積壓裂簇間距優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1)最小簇間距優(yōu)化：在裂縫流體壓力為定值時(shí)，在每條水力壓裂孔的裂縫允許偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，得到兩簇裂縫之間的最小簇間距；

步驟2)最大改造體積簇間距優(yōu)化：在裂縫流體壓力為定值時(shí)，計(jì)算每一個(gè)簇間距下相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲(chǔ)層改造體積，最大儲(chǔ)層改造體積對(duì)應(yīng)的簇間距為最大改造體積簇間距；

步驟3)比較同一裂縫流體壓力下，最小簇間距和最大改造體積簇間距的大小，兩者中較大的為最優(yōu)簇間距。

所述儲(chǔ)層改造體積是通過計(jì)算壓裂過程中兩簇裂縫之間中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度，當(dāng)兩簇裂縫之間中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度超過某一定值，則該區(qū)域?yàn)楸桓脑靺^(qū)域，其對(duì)應(yīng)的體積為儲(chǔ)層改造體積。

所述中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度計(jì)算過程如下：

將兩簇裂縫之間的體積均分成m等分，每一等分上的應(yīng)力張量分別求取每一等分上的應(yīng)力張量s的特征值與特征向量，中間特征值對(duì)應(yīng)的特征向量n即為中間主應(yīng)力的方向，則中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度α為向量n與y軸之間的夾角，表示為：

所述允許轉(zhuǎn)向角度范圍為5°-15°。

當(dāng)兩簇裂縫之間中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度超過60°時(shí)，該區(qū)域?yàn)楸桓脑靺^(qū)域。

所述兩簇裂縫之間的儲(chǔ)層改造體積為將所有處于兩簇裂縫之間的被改造區(qū)域?qū)?yīng)的體積相加得到最終總的改造體積。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明從降低應(yīng)力影效應(yīng)的不利影響和利用應(yīng)力影效應(yīng)的有利影響兩個(gè)方面分別對(duì)最小簇間距和最大改造體積簇間距進(jìn)行，比較后得到最優(yōu)簇間距，最大化的利用應(yīng)力誘導(dǎo)增大儲(chǔ)層改造體積，同時(shí)可以避免裂縫偏轉(zhuǎn)過于嚴(yán)重，為低滲透油氣藏水平井分段多簇壓裂設(shè)計(jì)過程中簇間距優(yōu)化提供了參考。

下面將結(jié)合附圖做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是裂縫流體壓力為64mpa時(shí)最小簇間距計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖2是不同裂縫流體壓力和允許偏轉(zhuǎn)角度下的最小簇間距；

圖3是壓裂后地層中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)域隨簇間距的變化；

圖4是不同簇間距及裂縫流體壓力下改造體積變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供了一種水平井體積壓裂簇間距優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1)最小簇間距優(yōu)化：在裂縫流體壓力為定值時(shí)，在每條水力壓裂孔的裂縫允許偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，得到兩簇裂縫之間的最小簇間距；

步驟2)最大改造體積簇間距優(yōu)化：在裂縫流體壓力為定值時(shí)，計(jì)算每一個(gè)簇間距下相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲(chǔ)層改造體積，最大儲(chǔ)層改造體積對(duì)應(yīng)的簇間距為最大改造體積簇間距；

步驟3)比較同一裂縫流體壓力下，最小簇間距和最大改造體積簇間距的大小，兩者中較大的為最優(yōu)簇間距。

本發(fā)明原理：水平井分段多簇壓裂過程中，不同的裂縫流體壓力對(duì)主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向情況會(huì)有較大影響，因此，簇間距優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)特定的裂縫流體壓力進(jìn)行，即不同的裂縫流體壓力情況下最大改造體積簇間距不一樣。當(dāng)簇間距過小時(shí)，水平井筒附近水平主應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致相鄰兩簇水力裂縫難以起裂擴(kuò)展形成橫切裂縫，或形成沿井筒軸向的縱向裂縫，降低了水平井段的利用率；如果主裂縫轉(zhuǎn)向過大，可能會(huì)和已有裂縫相交或影響后續(xù)裂縫擴(kuò)展，降低了裂縫的有效泄流區(qū)域，因此需要確定在允許轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)簇間距的最小值。由于兩簇裂縫之間應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)向的區(qū)域改造體積最大，因此，每一個(gè)簇間距下可以計(jì)算出相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲(chǔ)層改造體積，簇間距由小變大的過程中，儲(chǔ)層改造體積是先增大后減小的過程，此時(shí)，使改造體積最大的簇間距即為簇間距的最大改造體積值。

實(shí)施例2：

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供了一種水平井體積壓裂簇間距優(yōu)化方法，所述儲(chǔ)層改造體積是通過計(jì)算壓裂過程中兩簇裂縫之間中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度，當(dāng)兩簇裂縫之間中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度超過某一定值，則該區(qū)域?yàn)楸桓脑靺^(qū)域，其對(duì)應(yīng)的體積為儲(chǔ)層改造體積。

所述中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度計(jì)算過程如下：

將兩簇裂縫之間的體積均分成m等分，每一等分上的應(yīng)力張量分別求取每一等分上的應(yīng)力張量s的特征值與特征向量，中間特征值對(duì)應(yīng)的特征向量n即為中間主應(yīng)力的方向，則中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度α為向量n與y軸之間的夾角，表示為：

在本實(shí)施例中，最小簇間距優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法為：根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，裂縫的擴(kuò)展方向總是平行于中間主應(yīng)力方向，因此根據(jù)地應(yīng)力計(jì)算出當(dāng)前儲(chǔ)層巖石中間主應(yīng)力方向后就可以判斷出裂縫擴(kuò)展路徑。由于線彈性條件下應(yīng)力場(chǎng)可以疊加，因此可以建立一條裂縫的模型，并使用abaqus有限元軟件對(duì)其周圍應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分析，得出最小簇間距。裂縫的模型采用c3d8(3維8節(jié)點(diǎn))實(shí)體單元，單元尺寸為2m，由于幾何模型和邊界條件的對(duì)稱性，可以只取1/4進(jìn)行分析，水力裂縫半縫高為10m，半縫長為120m，模型尺寸為200m×200m×20m；上邊界和近井筒邊界為對(duì)稱邊界條件，其它邊界為固定法相位移邊界條件。計(jì)算出中間主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)下一簇裂縫起裂并擴(kuò)展時(shí)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)時(shí)，從而確定出最小簇間距。

本發(fā)明采用有限元數(shù)值模擬的方法，基于abaqus有限元軟件，通過建立均質(zhì)各向同性儲(chǔ)層內(nèi)三維水力裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力差模型。

其中，在本實(shí)施例中，將兩簇裂縫之間的體積均分成8等分，即8個(gè)積分點(diǎn)，一個(gè)積分點(diǎn)上中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)向角度大于一定的值(本實(shí)施例中為60°)時(shí)則認(rèn)為該1/8體積是被改造區(qū)域，然后將所有處于兩簇裂縫之間單元的被改造區(qū)域?qū)?yīng)體積相加得到最終總的儲(chǔ)層改造體積。每一積分點(diǎn)處的轉(zhuǎn)向角度α計(jì)算同上。

實(shí)施例4：

在實(shí)施例3的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例以長慶油田致密砂巖儲(chǔ)層的地應(yīng)力參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行最小簇間距優(yōu)化和最大改造體積簇間距優(yōu)化，以得到合理的最優(yōu)簇間距，在以下算例中針對(duì)58mpa、61mpa和64mpa三種不同裂縫流體情況進(jìn)行了計(jì)算分析。地應(yīng)力參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1地應(yīng)力參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)

1)最小簇間距優(yōu)化：

裂縫偏轉(zhuǎn)角度允許值不一樣，最小簇間距結(jié)果也會(huì)有變化。圖1給出了裂縫流體壓力為64mpa時(shí)裂縫附近偏轉(zhuǎn)情況，中間灰色區(qū)域代表中間主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)角度超過了相應(yīng)的允許值(5°和15°)，最小簇間距應(yīng)該保證其它裂縫在該區(qū)域之外，如圖中白色直線所示。圖2給出了不同裂縫流體壓力和允許轉(zhuǎn)向角度下的最小簇間距變化情況，隨著裂縫流體壓力的增加，最小簇間距隨之增加。裂縫偏轉(zhuǎn)角度要求越小，最小簇間距增大，不同的臨界值標(biāo)準(zhǔn)所要求的最小簇間距相差可達(dá)10m以上。

2)最大改造體積簇間距優(yōu)化

圖3給出了最大改造體積簇間距優(yōu)化模型在裂縫流體壓力為61mpa時(shí)不同簇間距情況下中間主應(yīng)力的方向變化情況。當(dāng)簇間距為40m時(shí)可以觀察到兩簇之間有部分區(qū)域的中間主應(yīng)力方向沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明該區(qū)域的巖石在壓裂過程中不容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，40m的簇間距設(shè)置雖然避免了應(yīng)力影效應(yīng)的不利影響，但是卻對(duì)井段有一定程度的浪費(fèi)，并且也沒能夠利用應(yīng)力的有利影響來增大儲(chǔ)層的改造體積。為了準(zhǔn)確的確定最大改造體積簇間距，簇間距由10m變化到40m，每隔1m進(jìn)行一次計(jì)算，得出不同簇間距情況下的改造體積。

圖4給出了不同裂縫流體壓力情況下的改造體積(中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)向角度大于60°)隨簇間距的增大的變化?？梢钥闯?，在相同裂縫流體壓力情況下，儲(chǔ)層改造體積隨著簇間距的增加是先增大后減小的過程，改造體積的極大值所對(duì)應(yīng)的簇間距即為最大改造體積簇間距。同時(shí)，不同裂縫流體壓力情況下的最大改造體積簇間距也不相同，隨著裂縫流體壓力的增大，最大改造體積簇間距也隨之增大，裂縫流體壓力為58mpa、61mpa和64mpa情況下的最大改造體積簇間距分別為19m、27m和32m。

3)確定最優(yōu)簇間距

結(jié)合最小簇間距優(yōu)化和最大改造體積簇間距優(yōu)化的結(jié)果，最優(yōu)簇間距應(yīng)該取上述兩者中的較大值。在該儲(chǔ)層條件下，最終簇間距確定結(jié)果如表2所示，當(dāng)裂縫允許偏轉(zhuǎn)角度為5°時(shí)，裂縫流體壓力為58mpa、61mpa和64mpa情況下的最終簇間距優(yōu)選結(jié)果分別為24.5m、29m和33m，當(dāng)裂縫允許偏轉(zhuǎn)角度為15°時(shí)，裂縫流體壓力為58mpa、61mpa和64mpa情況下的最終簇間距優(yōu)選結(jié)果分別為19m、27m和32m。

表2最優(yōu)簇間距優(yōu)選結(jié)果

以上各實(shí)施例沒有詳細(xì)敘述的方法、裂縫模型建立屬本行業(yè)的公知常識(shí)，這里不一一敘述。

以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。