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)油氣儲層，特別是致密砂巖儲層通常具有低孔隙度和低滲透率的特點，為了達(dá)到良好的經(jīng)濟開發(fā)目的，往往需要進行大型水力壓裂。大部分致密砂巖儲層具有較高的彈性模量，在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運動、生烴以及化學(xué)作用下，儲層內(nèi)部會形成大量的、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)面相對于基質(zhì)具有較高的滲透率，是致密儲層成功開發(fā)的關(guān)鍵。水力壓裂過程中壓裂液會向主裂縫兩側(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一步的擴展，從而在儲層巖石中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加裂縫與儲層巖石基質(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)力差情況下交叉點的裂縫寬度會更大，從而使更多的支撐材料進入天然裂縫。水平地應(yīng)力差較小時，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)。

致密砂巖儲層水平井分段多簇壓裂過程中會存在應(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)。但同時應(yīng)力干擾也會影響主裂縫的擴展方向，當(dāng)裂縫偏轉(zhuǎn)過于嚴(yán)重時，水力裂縫擴展很短的距離就已經(jīng)與前續(xù)裂縫相交，降低了儲層的改造體積，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)促使儲層形成更加復(fù)雜縫網(wǎng)的同時要避免應(yīng)力影效應(yīng)過于強烈。這其中簇間距的選擇至關(guān)重要，當(dāng)簇間距過大時，裂縫之間相互干擾較弱，達(dá)不到使儲層形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的條件；當(dāng)簇間距過小時，主裂縫之間相互干擾過于強烈，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)計過程中的一個重要優(yōu)化參數(shù)。

為了利用應(yīng)力影響效應(yīng)增大儲層的改造體積，近年來不少研究對簇間距進行了優(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)值計算方法。

采用解析的方法對簇間距進行優(yōu)化比較簡潔明了，但是公式在使用上存在一定誤差。因為不管是2維平面應(yīng)變裂縫附近應(yīng)力場還是3維橢圓裂縫附近應(yīng)力場的解析解均只能得到一條裂縫周圍應(yīng)力場的精確解，對于兩條或者兩條以上的裂縫時，該解析解所依賴的參數(shù)凈壓力會受到相鄰裂縫的影響，是一個變化的量，在實際應(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直接將解析解計算結(jié)果線性疊加是不準(zhǔn)確的，所得到的計算結(jié)果應(yīng)力干擾會比真實情況強烈。

利用有限元或有限差分等數(shù)值計算方法對簇間距進行研究，可以回避采用解析解直接進行線性疊加所帶來的誤差。但是這種方法主要以頁巖氣儲層為對象進行了簇間距優(yōu)化，研究儲層厚度均較厚，裂縫縫高和半縫長相差不多，對于致密砂巖這類儲層厚度與縫長相對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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前水平井分段多簇壓裂設(shè)計過程中簇間距優(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，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，計算每一個簇間距下相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲層改造體積，最大儲層改造體積對應(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。

所述儲層改造體積是通過計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)域為被改造區(qū)域，其對應(yīng)的體積為儲層改造體積。

所述中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度計算過程如下：

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，該區(qū)域為被改造區(qū)域。

所述兩簇裂縫之間的儲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)的有利影響兩個方面分別對最小簇間距和最大改造體積簇間距進行，比較后得到最優(yōu)簇間距，最大化的利用應(yīng)力誘導(dǎo)增大儲層改造體積，同時可以避免裂縫偏轉(zhuǎn)過于嚴(yán)重，為低滲透油氣藏水平井分段多簇壓裂設(shè)計過程中簇間距優(yōu)化提供了參考。

下面將結(jié)合附圖做進一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是裂縫流體壓力為64mpa時最小簇間距計算結(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。

具體實施方式

實施例1：

本實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，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，計算每一個簇間距下相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲層改造體積，最大儲層改造體積對應(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主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向情況會有較大影響，因此，簇間距優(yōu)化設(shè)計應(yīng)針對特定的裂縫流體壓力進行，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，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，可能會和已有裂縫相交或影響后續(xù)裂縫擴展，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，每一個簇間距下可以計算出相應(yīng)的兩簇裂縫之間的儲層改造體積，簇間距由小變大的過程中，儲層改造體積是先增大后減小的過程，此時，使改造體積最大的簇間距即為簇間距的最大改造體積值。

實施例2：

在實施例1的基礎(chǔ)上，本實施例提供了一種水平井體積壓裂簇間距優(yōu)化方法，所述儲層改造體積是通過計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)域為被改造區(qū)域，其對應(yīng)的體積為儲層改造體積。

所述中間主應(yīng)力的轉(zhuǎn)向角度計算過程如下：

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：

在本實施例中，最小簇間距優(yōu)化實現(xiàn)方法為：根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，裂縫的擴展方向總是平行于中間主應(yīng)力方向，因此根據(jù)地應(yīng)力計算出當(dāng)前儲層巖石中間主應(yīng)力方向后就可以判斷出裂縫擴展路徑。由于線彈性條件下應(yīng)力場可以疊加，因此可以建立一條裂縫的模型，并使用abaqus有限元軟件對其周圍應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)角度進行分析，得出最小簇間距。裂縫的模型采用c3d8(3維8節(jié)點)實體單元，單元尺寸為2m，由于幾何模型和邊界條件的對稱性，可以只取1/4進行分析，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稱邊界條件，其它邊界為固定法相位移邊界條件。計算出中間主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)下一簇裂縫起裂并擴展時不會發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)時，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)各向同性儲層內(nèi)三維水力裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力差模型。

其中，在本實施例中，將兩簇裂縫之間的體積均分成8等分，即8個積分點，一個積分點上中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)向角度大于一定的值(本實施例中為60°)時則認(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層改造體積。每一積分點處的轉(zhuǎn)向角度α計算同上。

實施例4：

在實施例3的基礎(chǔ)上，本實施例以長慶油田致密砂巖儲層的地應(yīng)力參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)進行最小簇間距優(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58mpa、61mpa和64mpa三種不同裂縫流體情況進行了計算分析。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)果也會有變化。圖1給出了裂縫流體壓力為64mpa時裂縫附近偏轉(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，但是卻對井段有一定程度的浪費，并且也沒能夠利用應(yīng)力的有利影響來增大儲層的改造體積。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進行一次計算，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應(yīng)的簇間距即為最大改造體積簇間距。同時，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，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，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，這里不一一敘述。

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