发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如,本发明的目的之一在于提供一种填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法,以克服现有参数设计中只优化粒径分布、不优化质量浓度的片面性。
为了实现上述目的,本发明提供了一种填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法。所述支撑剂参数设计方法可以包括以下步骤:确定水平井压裂段内裂缝的入口宽度;根据所述入口宽度,得到支撑剂颗粒的平均粒径;根据所述平均粒径和所述入口宽度,得到实现填砂暂堵所需要的支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数。
在本发明的一个示例性实施例中,根据所述入口宽度,得到支撑剂颗粒的平均粒径可以包括:通过式2得到支撑剂的平均粒径,
式2为:
4A>wi,
其中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度。
在本发明的一个示例性实施例中,根据所述平均粒径和所述入口宽度,得到实现填砂暂堵所需要的支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数可以包括:通过式3得到支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,
式3为:
其中,B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,A为支撑剂颗粒的平均粒径,wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,e为自然常数,k取值0.5~0.9。
在本发明的一个示例性实施例中,所述支撑剂参数设计方法还可以包括以下步骤:
选取两组粒径大小不同的支撑剂颗粒并记作分组1和分组2且分组1的粒径小于分组2,判断分组1和分组2混合后是否满足所述平均粒径,在满足所述平均粒径的情况下,获取混合后的分组1和分组2的密度;
根据所述密度和所述无因次暂堵体积分数,得到支撑剂质量浓度。
在本发明的一个示例性实施例中,在分组1和分组2混合后不满足所述平均粒径的情况下,可以提高粒径较小的一组支撑剂颗粒的粒径。
在本发明的一个示例性实施例中,所述分组1和所述分组2混合后的平均粒径可以通过式4得到,所述式4为:
其中,A为分组1和分组2混合后的平均粒径,ax为分组1中第x种颗粒的粒径,vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,by为分组2颗粒中第y种颗粒的粒径,vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,V取值0.6~0.8。
在本发明的一个示例性实施例中,所述分组1和所述分组2还可以满足式5,所述式5为:
其中,by为分组2中第y种颗粒的粒径,vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,ax为分组1中第x种颗粒的粒径,vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,Y为分组2中颗粒种类的总数,X为分组1中颗粒种类的总数。
在本发明的一个示例性实施例中,在分组1和分组2不满足式5的情况下,可以提高粒径较小的一组支撑剂颗粒的粒径。
在本发明的一个示例性实施例中,根据所述密度和所述无因次暂堵体积分数,得到支撑剂质量浓度可以包括:通过式6得到支撑剂质量浓度,
式6为:
C=0.64ρB,
其中,C为暂堵所需的支撑剂质量浓度,B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,ρ为分组1和分组2混合后的密度。
与现有技术相比,本发明的有益效果可包括:本设计方法考虑了颗粒浓度与暂堵性能的相关性,克服了现有优化设计方法只优化粒径分布、不优化质量浓度的片面性,能够满足实际施工设计需求。
具体实施方式
在下文中,将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法。
本发明提供了一种填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法。
在本发明的一个示例性实施例中,所述支撑剂参数设计方法可以包括以下步骤:
S1:确定水平井压裂段内裂缝的入口宽度。
具体地,所述入口宽度可以通过收集目标区块的地质与工程参数,通过任意的压裂模型或专业压裂软件获取。例如,可采用PKN(即Perkins-Kern-Nordgren压裂模型)模型计算得来,采用PKN模型计算具体地是通过式1得到,所述式1可以为:
在式1中,wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,m(单位);Q为压裂液排量,m3/s(单位);N为压裂段射孔簇数,无因次(单位);v为岩石泊松比,无因次(单位);μ为压裂液黏度,MPa·s(单位);π为圆周率;E为储层岩石杨氏模量,MPa(单位);CL为滤失系数,m/s-0.5(单位);h为裂缝高度(也可以说是产层厚度),m(单位);t为压裂时间,s(单位)。
S2:根据所述入口宽度,得到支撑剂颗粒的平均粒径。
具体地,S2可以包括:通过式2得到支撑剂颗粒的平均粒径,所述式2可以为:
4A>wi,
在式2中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,m(单位)。
在本实施例中,关于支撑剂颗粒的选择可以包括以下步骤:
S201:选取两组粒径大小不同的支撑剂颗粒并记作分组1和分组2且分组1的粒径小于分组2,判断分组1和分组2混合后是否满足所述平均粒径,在满足所述平均粒径的情况下,获取混合后的分组1和分组2的密度。
在本实施例中,所述分组1和所述分组2混合后的平均粒径可以通过式4得到,所述式4为:
在式4中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);ax为分组1中第x种颗粒的粒径,m(单位);vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,无因次(单位);by为分组2颗粒中第y种颗粒的粒径,m(单位);vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,无因次(单位);V取值0.6~0.8。
在本实施例中,在分组1和分组2混合后不满足所述平均粒径的情况下,提高粒径较小的一组(分组1)支撑剂颗粒的粒径。
S202:根据所述密度和所述无因次暂堵体积分数,得到支撑剂质量浓度。
另外,在所选用的两组粒径大小不同的支撑剂的平均粒径已经满足式2的情况下,所述分组1和所述分组2还可以满足式5,所述式5为:
在式5中,by为分组2中第y种颗粒的粒径,m(单位);vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,无因次(单位);ax为分组1中第x种颗粒的粒径,m(单位);vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,无因次(单位);Y为分组2中颗粒种类的总数;X为分组1中颗粒种类的总数。
在分组1和分组2不满足式5的情况下,可以通过提高粒径较小一组(分组1)支撑剂颗粒的粒径去实现满足式5。
S3:根据所述平均粒径和所述入口宽度,得到实现填砂暂堵所需要的支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数。
在本实施例中,S3具体可以包括:通过式3得到支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,所述式3可以为:
在式3中,B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);wi为裂缝入口宽度,m(单位);e为自然常数;k取值0.5~0.9。
在本实施例中,当的取值小于0.5时,那么支撑剂将完全无法堵塞裂缝缝口;当k的取值大于0.9时,那么支撑剂已经能够堵塞裂缝缝口,再继续增加支撑剂的使用量,只会导致支撑剂浪费,甚至会出现掩埋井筒的情况。进一步地,k可以为0.6或是k可以为0.7。
在本实施例中,所述支撑剂参数设计方法还可以包括S4,所述S4可以为:
根据所述密度和所述无因次暂堵体积分数,得到支撑剂质量浓度包括:通过式6得到支撑剂质量浓度,
式6为:
C=0.64ρB,
3、并且,如果可以、请同时给出超出该范围上、下限会带来的不利影响。
在式6中,C为暂堵所需的支撑剂质量浓度,kg/m3(单位);B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);ρ为混合后的分组1和分组2的密度,kg/m3(单位)。
在本发明的另一个示例性实施例中,所述支撑剂参数设计方法可以包括以下步骤:
S1:收集目标区块的地质与工程参数,预测水平井压裂段内裂缝的入口宽度。
在S1中,可以通过式1预测水平井压裂段内裂缝的入口宽度,所述式1可以与上一个示例性实施例中所述的式1相同。
S2:根据所述预测的入口宽度,确定处支撑剂颗粒的平均粒径。
在S2中,所述确定出支撑剂颗粒的平均粒径的步骤包括:
选取第一组支撑剂颗粒和第二组支撑剂颗粒,其中,第一组支撑剂颗粒的粒径大于第二组支撑剂颗粒的粒度,第一组支撑剂颗粒总体积与第二组支撑剂颗粒总体积的比值可以为6~8:2~4,例如,可以为6:4或可以为7:3或可以为8:2;
计算第一组支撑剂颗粒和第二组支撑剂颗粒的平均粒径;
判断是否达到第一标准(即可以为上一个示例性实施例中所述的式2)和第二标准(即可以为上一个示例性实施例中所述的式5),并在同时满足第一、第二标准的情况下,进行S3,其中,第一标准为:第一组支撑剂颗粒和第二组支撑剂颗粒的平均粒径达到所述预测的入口宽度的1/4以上,第二标准为:第二组支撑剂颗粒的平均粒径大于等于第一组支撑剂颗粒的平均粒径的1/5。
S3:根据支撑剂颗粒的平均粒径计算出支撑剂颗粒的无因次暂堵体积分数。
在S3中,可以通过式3计算支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,所述式3可以与上一个示例性实施例中所述的式3相同。
S4:根据两组支撑剂颗粒混合后的密度以及所述无因次暂堵体积分数,计算支撑剂质量浓度。
在S4中,可以通过式6计算支撑剂质量浓度,所述式6可以与上一个示例性实施例中的式6相同。
在本发明的再一个示例性实施例中,所述支撑剂参数设计方法可以包括以下步骤:
S1:收集目标区块的地质与工程参数,采用任意合理的水力压裂模型或专业压裂软件(例如:PKN模型,即Perkins-Kern-Nordgren压裂模型;KGD模型;平面三维模型;FracPT压裂软件;Meyer压裂软件)预测水平压裂段内水力裂缝的入口宽度。譬如采用下式的PKN模型计算可得:
式中,wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,m(单位);Q为压裂液排量,m3/s(单位);N为压裂段射孔簇数,无因次(单位);v为岩石泊松比,无因次(单位);μ为压裂液黏度,MPa·s(单位);π为圆周率;E为储层岩石杨氏模量,MPa(单位);CL为滤失系数,m/s-0.5(单位);h为裂缝高度(也可以说是产层厚度),m(单位);t为压裂时间,s(单位)。
S2:选取两组大小不同的支撑剂颗粒(常选用20/40目及40/70目),分别定义为分组1(大粒径组)及分组2(小粒径组)。分别取两组支撑剂样品进行进一步的细筛获取各自的粒径组成,通过下式计算两组颗粒完全混合后的平均粒径:
式中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);ax为分组1中第x种颗粒的粒径,m(单位);vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,无因次(单位);by为分组2颗粒中第y种颗粒的粒径,m(单位);vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,无因次(单位);V取值0.6~0.8。
筛选时目数所对应的粒径大小可查询下表获得:
S3:确定支撑剂颗粒平均粒径是否是预测裂缝缝口宽度的1/4以上:
4A>wi,
式中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,m(单位)。
如果4A计算结果小于wi,则根据S2中所述的筛选时目数所对应的粒径大小查询表中选择比原分组1粒径更大一级(目数更小一级)的支撑剂颗粒作为分组1所选颗粒,并重新根据步骤S2计算A值,直到S3满足。
S4:计算确定分组2颗粒的平均粒径是否大于等于分组1颗粒平均粒径的1/5:
其中,by为分组2中第y种颗粒的粒径,m(单位);vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,无因次(单位);ax为分组1中第x种颗粒的粒径,m(单位);vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,无因次(单位);Y为分组2中颗粒种类的总数;X为分组1中颗粒种类的总数。
如果分组2颗粒的平均粒径小于分组1颗粒平均粒径的1/5,则根据S2中所述的筛选时目数所对应的粒径大小查询表中选择比原分组2粒径更大一级(目数更小一级)的支撑剂颗粒作为分组2所选颗粒,直到S4满足。满足S4后,分组1、分组2所组成的支撑剂粒径分布即是优化后的填砂暂堵压裂支撑剂粒径。
S5:基于S3、S4步骤优选出颗粒粒径大小与分布之后,根据S2中计算平均粒径的公式重新计算其颗粒平均粒径A。随后,计算实现填砂暂堵所需要泵入的无因次支撑剂体积分数为:
式中,B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);wi为裂缝入口宽度,m(单位);e为自然常数,k取值0.5~0.9。
将无因次体积分数B换算为支撑剂质量浓度为:
C=0.64ρB,
式中,C为暂堵所需的支撑剂质量浓度,kg/m3(单位);B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);ρ为暂堵所选择的支撑剂颗粒的密度,kg/m3(单位)。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例,下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
以某一区块的页岩气井A第5段为例。该井所处地层产状较平缓,地层分布稳定,构造平缓,为页岩气有利保存区。但该井区页岩层内页理十分发育,受水力压裂诱发产生大量剪切错动。在第一段水力压裂后,该井发生套管变形事故,96mm通井规无法通过套管变形点,无法使用桥塞或者机械封隔工具进行分段压裂。因此,随后该井改用填砂暂堵分段压裂工艺,其具体储层地质、工程参数如下表所示。
如图1所示,本示例中的填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法可以包括如下的步骤:
步骤1:基于收集的目标区块地质、工程参数(上表所示)代入PKN模型(可以与第一个示例性实施例中所述的的式1相同)计算水力裂缝的入口宽度为0.0024m,即2.4mm,所述式1可以为:
在式1中,wi为待设计水平井压裂段内的裂缝入口宽度,m(单位);Q为压裂液排量,m3/s(单位);N为压裂段射孔簇数,无因次(单位);v为岩石泊松比,无因次(单位);μ为压裂液黏度,MPa·s(单位);π为圆周率;E为储层岩石杨氏模量,MPa(单位);CL为滤失系数,m/s-0.5(单位);h为裂缝高度(也可以说是产层厚度),m(单位);t为压裂时间,s(单位)。
步骤2:选取20/40目及40/70目两组支撑剂,分别将其定义为分组1(20/40目)及分组2(40/70目)。分别取两组支撑剂样品进行进一步的细筛获取各自的具体粒径组成,其中20/40目颗粒的比例为70%,根据式4(可以与第一个示例性实施例中所述的式4相同)计算两组颗粒完全混合后(20/40目颗粒平均粒径0.73mm,40/70目颗粒平均粒径0.35mm)的平均颗粒粒径A为0.616mm,所述式4可以为:
其中,A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);ax为分组1中第x种颗粒的粒径,m(单位);vax为分组1中第x种颗粒的体积分数,无因次(单位);by为分组2颗粒中第y种颗粒的粒径,m(单位);vby为分组2中第y种颗粒的体积分数,无因次(单位);V取值0.7;筛选时目数所对应的粒径大小可如下表所示。
| 颗粒粒径(mm) | 2.38 | 2.00 | 1.68 | 1.41 | 1.68 | 1.19 | 1.00 |
| 颗粒目数 | 8 | 10 | 12 | 14 | 12 | 16 | 18 |
| 颗粒粒径(mm) | 0.841 | 0.707 | 0.400 | 0.297 | 0.250 | 0.210 | 0.177 |
| 颗粒目数 | 20 | 25 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
步骤3:A=0.616mm大于裂缝缝口宽度2.4mm的1/4,即4A>wi(可以与第一个示例性实施例中所述的式2相同),因此分组1的支撑剂目数符合要求。
步骤4:分组2(40/70目)颗粒平均粒径0.35mm,大于分组1(20/40目)颗粒平均粒径0.73mm的1/5,即
(可以与第一个示例性实施例中所述的式5相同),因此分组2的目数符合要求。
步骤5:基于步骤3、4优选出支撑剂颗粒粒径大小与分布之后,根据式6确定颗粒平均粒径A=0.616mm。随后,基于式3(可以与第一个示例性实施例中所述的式3相同)计算实现填砂暂堵所需要泵入的无因次支撑剂体积分数0.3882。最后,根据式6(可以与第一个示例性实施例中所述的式6相同)将无因次支撑剂体积分数B换算为填砂暂堵所需的支撑剂质量浓度(石英砂支撑剂视密度约等于1650kg/m3)为410kg/m3,所述式3可以为:
在式3中,B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);A为支撑剂颗粒的平均粒径,m(单位);wi为裂缝入口宽度,m(单位);e为自然常数,k取值0.83;
所述式6可以为:
C=0.64ρB,
在式6中,C为暂堵所需的支撑剂质量浓度,kg/m3(单位);B为支撑剂颗粒无因次暂堵体积分数,无因次(单位);ρ为混合后的分组1和分组2的密度,kg/m3(单位)。
根据优选支撑剂参数实施页岩气井A第5段压裂作业,采用多阶段式提高砂比的支撑剂添加程序,如图2所示(图2为压裂作业施工曲线图,横坐标代表施工时间且自左向右随时间推移),最终在加砂浓度超过400kg/m3时成功填砂暂堵,压裂监测套压陡增,证实填砂暂堵优化设计方案有效。
综上所述,本发明的填砂暂堵压裂的支撑剂参数设计方法的优点可包括:
(1)本设计方法考虑了颗粒浓度与暂堵性能的相关性,克服了现有优化设计方法只优化粒径分布、不优化质量浓度的片面性;
(2)通过平均粒径大小可判断设计的支撑剂参数是否能够在裂缝内形成桥接(平均粒径大小满足式2即能够在裂缝内形成桥接),根据粒径大小配比能够确定是否能够在裂缝内形成稳定封隔效果(粒径大小配比满足式5即能够在裂缝内形成稳定封隔效果),再根据定量化设计确定最低需求的支撑剂浓度,使得本设计方法得到的质量浓度有助于现场参考使用,从而满足实际施工设计需求,尤其是对于体积分数不小于45%的高浓度砂的堵塞力学行为,甚至是体积分数高达60%的高浓度砂的堵塞力学行为。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明,但是本领域技术人员应该清楚,在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下,可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。