一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，他包括以下步骤：S1、建立带有天然裂缝储层地质网格属性模型；S2、修正应力场分布模型；S3、建立水力压裂模拟模型；S4、计算水力压裂裂缝四类不同的改造体积大小；S5、水力压裂裂缝导流能力应力敏感性研究；S6、孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力变化等多场耦合，预测产能；S7、优化体积压裂参数。本发明有益效果是：能够针对裂缝性油气藏储层，对比水力压裂过程中产生的水力压裂裂缝四类不同的改造体积，分析不同压裂施工参数下产生的裂缝在生产过程中孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性变化条件下，预测施工井段产能变化，从而指导体积压裂施工参数优选。

权利要求

1.一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，所述四类改造体积包括水力压裂有效支撑裂缝改造体积、水力压裂扩张缝改造体积、水力压裂剪切裂缝改造体积以及水力压裂应力干扰缝改造体积，其特征在于，包含以下步骤：S1、根据裂缝性油气藏储层物性资料、储层地质构造资料以及地层岩石力学资料，建立目标区域油气藏地质分层，根据需求划分地质网格，构建地质网格模型，粗化地层物性参数及岩石力学参数，通过插值算法，进行地质网格属性赋值，并以目标区域油气藏地层天然裂缝数据为基础，分析天然裂缝属性特征、分布特征，建立离散裂缝模型，并将离散裂缝属性转化为地质网格属性；

S2、在S1模型基础上，利用应力平衡法修正应力场分布模型；

S3、在S1和S2模型基础上，根据目标井压裂设计或施工数据，分析、模拟三维水力压裂缝网扩展分布规律，计算水力压裂缝网属性；

S4、在S3模型基础上，调整水力压裂施工参数，计算不同参数影响下，水力压裂裂缝四类不同的改造体积大小；

S5、计算不同参数影响下，水力压裂有效支撑裂缝、水力压裂扩张缝及水力压裂剪切裂缝在不同孔隙压力及地应力条件下，由于岩石蠕变、支撑剂破碎、嵌入原因引起的导流能力应力敏感性变化规律；

S6、施工井段生产过程中，通过动态迭代运算，进行孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性变化，计算多场耦合条件下产能变化情况；

S7、对比不同压裂参数下的改造体积与不同压裂参数下的产能预测结果，优选体积压裂参数；

所述步骤S3包括：

S31、将修正后的三维地应力模型数据通过映射算法，赋值于地质网格模型中；

S32、结合地质网格模型和离散裂缝模型，在水力压裂模型中，利用实际或设计的泵注数据，模拟天然裂缝网络中水力裂缝网络分布及属性。

2.根据权利要求1所述的一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3包含以下子步骤：S33、针对压裂施工过程中的微地震事件数据，应对比模拟的微地震事件数据，校正水力压裂模型、地质网格模型属性及离散裂缝模型相关参数，调整裂缝分布；

S34、在水力压裂模拟过程中，应考虑多段水力压裂裂缝扩展延伸时的诱导应力场引起的原始地应力场的变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S6包含以下子步骤：S61、根据离散裂缝模型属性投影方法，将水力压裂裂缝属性赋值至地质网格模型中，重新调整油藏模型；

S62、根据S5中裂缝导流能力应力敏感性分析结果，通过编制子程序，将裂缝导流能力变化传递给渗流‑应力耦合模型；

S63、根据实际要求划分时间步长，考虑裂缝导流能力应力敏感性条件下，进行渗流‑应力的多场耦合，预测各施工参数条件下井段产能。

说明书

一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油与天然气开发领域，尤其涉及一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法。

背景技术

[0002] 目前我国能源需求日益增加，而油气资源依然是其重要的组成部分。在油气资源开发中，水力压裂技术已经成为一项重要的增产措施，特别是页岩气等非常规油气资源的
开发过程中，水平井体积压裂技术起到决定性作用。

[0003] 由于油气藏储层的非均质特性、特别是受储层断层及微裂缝的影响，水力压裂施工会在储层中形成裂缝网络，从而产生水力压裂有效支撑裂缝改造体积、水力压裂扩张缝
改造体积、水力压裂剪切裂缝改造体积以及水力压裂应力干扰缝改造体积四种改造体积。

[0004] 其中，水力压裂有效支撑裂缝改造体积是指水力压裂过程中储层岩石发生张性破裂，并填充支撑，施工结束后由于支撑剂的支撑作用，裂缝不能完全闭合的裂缝所控制的储
层体积。支撑裂缝在油气井生产过程中起主要的通道作用，而该类体积是油气井前期生产
过程中主要的产能贡献者。

[0005] 水力压裂扩张缝改造体积是水力压裂过程中受压裂液作用发生张性断裂，但未填充支撑剂，施工结束后可能会闭合的裂缝所控制的储层体积。扩张裂缝渗透率可能小于支
撑裂缝，但裂缝数量多，波及范围大，并连通了大部分剪切裂缝。该类体积是油气井中期生
产过程中主要的产能贡献者。

[0006] 水力压裂剪切裂缝改造体积是水力压裂过程中受压裂液影响而使天然裂缝内压力发生变化，其应力条件发生变化并达到破坏应力条件，从而发生剪性断裂的裂缝所控制
的体积。剪切裂缝由于切向滑动，裂缝具有自支撑能力，具有一定导流能力，该类体积可能
是波及范围最大的有效裂缝体积。

[0007] 水力压裂应力干扰缝改造体积是水力压裂过程中压裂液未波及到，但受压裂裂缝受产生的应力‑应变影响或压裂液滤失影响而使天然裂缝被激活，或因此所产生的新裂缝
所控制的体积，该类体积一般不会对油气井产能产生影响，当会影响邻井压裂施工裂缝扩
展。

[0008] 我国水力压裂技术从上世纪五十年代开始至今已经有近七十年历史，压裂设计思路从单井简单的两翼缝尺寸模拟，逐步发展为注采复杂井网内，压裂与油藏相结合的整体
压裂技术，既保证单井的产能，又考虑区块的高采收率，但这些方法均是以简单两翼缝为基
础，未考虑复杂裂缝网络展布情况。近年来还有些针对复杂裂缝网络的压裂参数优选方法，
专利号201810903240.0一种靶向压裂酸化裂缝参数优化方法在两翼缝基础上加入分值裂
缝，通过模拟裂缝形态和导流能力来计算裂缝网络参能情况，但其为二维概念模型，未考虑
实际储层参数变化；专利号201710804554.0非常规油气藏水力压裂复杂缝网形成过程模拟
方法中主要讲述了天然裂缝下的压裂裂缝扩展模型建立及压裂效果评价，但未考虑储层三
维地应力分布分布与修正，也未考虑剪切裂缝扩展及应力干扰裂缝对本井生产及邻井施工
的影响。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于针对裂缝性油气藏储层，对比水力压裂过程中产生的水力压裂有效支撑裂缝改造体积、水力压裂扩张缝改造体积、水力压裂剪切裂缝改造体积以及水力
压裂应力干扰缝改造体积，分析不同压裂施工参数下产生的裂缝在生产过程中孔隙压力
场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性变化条件下，预测施工井段产能变化，优选压裂施
工参数，保证压裂改造效果，提供一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法。

[0010] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，包含以下步骤：

[0011] S1、根据裂缝性油气藏储层物性资料、储层地质构造资料以及地层岩石力学资料，建立目标区域油气藏地质分层，根据需求划分地质网格，构建地质网格模型，粗化地层物性
参数及岩石力学参数，通过插值算法，进行地质网格属性赋值，并以目标区域油气藏地层天
然裂缝数据为基础，分析天然裂缝属性特征、分布特征，建立离散地层离散网络模型，并将
离散裂缝属性转化为地质网格属性。

[0012] S2、在S1模型基础上，根据应力计算模型需要，构建目标区域地层油气藏三维地应力模型，采用有限元网格映射算法将地质模型力学相关参数赋值到三维地应力模型中，并
利用应力平衡法修正应力场分布模型，计算生产过程中储层地应力变化。

[0013] S3、在S1和S2模型基础上，根据目标井压裂设计或施工数据，分析、模拟三维水力压裂缝网扩展分布规律，计算水力压裂缝网属性。

[0014] S4、在S3模型基础上，调整水力压裂施工参数，计算不同参数影响下，水力压裂裂缝四类不同的改造体积大小。

[0015] S5、计算不同参数影响下，水力压裂有效支撑裂缝、水力压裂扩张缝及水力压裂剪切裂缝在不同孔隙压力及地应力条件下，由于岩石蠕变、支撑剂破碎、嵌入原因引起的导流
能力应力敏感性变化规律。

[0016] S6、施工井段生产过程中，通过动态迭代运算，进行孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性变化，计算多场耦合条件下产能变化情况。

[0017] S7、对比改造体积及产能预测结果，优选体积压裂参数。

[0018] 进一步地，所属步骤S3包含以下子步骤：

[0019] S31、将修正后的三维地应力模型数据通过映射算法，赋值于原地质网格模型中；

[0020] S32、结合地质网格属性模型和离散天然裂缝分布模型，在三维水力压裂模型中，利用实际或设计的泵注数据，模拟天然裂缝网络中水力裂缝网络分布及属性；

[0021] S33、针对压裂施工过程中的微地震事件数据，应对比模拟的微地震事件数据，校正水力压裂模型、地质网格模型属性及离散天然裂缝分布模型相关参数，调整裂缝分布；

[0022] S34、在水力压裂模拟过程中，特别是针对水平井多段压裂，应考虑多段水力压裂裂缝扩展延伸时的诱导应力场引起的原始地应力场的变化。

[0023] 进一步地，所属步骤S6包含以下子步骤：

[0024] S61、根据离散裂缝模型属性投影方法，将水力压裂裂缝属性赋值至网格模型中，重新调整油藏模型；

[0025] S62、根据S5中裂缝导流能力应力敏感性分析结果，通过编制子程序，将裂缝导流能力变化传递给渗流‑应力耦合模型；

[0026] S63、根据实际要求划分时间步长，考虑裂缝导流能力应力敏感性条件下，进行渗流‑应力的多场耦合，预测各施工参数条件下井段产能。

[0027] 本发明具有以下优点：

[0028] 1.本发明在传统水力压裂施工中两翼主缝模型的基础上，结合离散天然裂缝模型，提出裂缝网络模拟方法，更真实的反映了油气藏，特别是裂缝性油气藏中裂缝的扩展规
律，改善裂缝模拟效果。

[0029] 2.本发明创新性的提出水力压裂过程中的四种改造体积，通过分别对比四种改造体积，优选水力压裂施工参数，并计算对比不同施工参数下裂缝的参能曲线，校核模拟结
果，提高压裂施工效果。

[0030] 3.本发明基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，包含地质网格模型建立、属性插值与校正、离散天然裂缝网格建立、三维地应力分布模型建立与校正、三维体积
压裂模型建立及压裂参数优化方法在内，形成一整套完整的体积压裂参数评价方法，可为
我国油气资源开发提供一种新的科学高效的技术指导。

[0031] 4.本发明创新性提出在不同孔隙压力及地应力条件下，由于岩石蠕变、支撑剂破碎、嵌入等原因引起的导流能力应力敏感性变化规律，并在裂缝导流能力应力敏感性下，进
行孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性等多场变化，计算多场耦合条件下产能
变化情况，使改造效果分析更加贴近实际生产情况，保证体积压裂改造参数优选可靠性。

附图说明

[0032] 图1为本发明的流程图；

[0033] 图2为水力压裂有效支撑裂缝改造体积示意图；

[0034] 图3为水力压裂扩张缝改造体积示意图；

[0035] 图4为水力压裂剪切裂缝改造体积示意图；

[0036] 图5为水力压裂应力干扰缝改造体积示意图；

[0037] 图6为地质网格属性模型图；

[0038] 图7为离散天然裂缝模型分布图；

[0039] 图8为修正后的地应力模型图；

[0040] 图9为不同压裂液量下裂缝扩展形态对比图；

[0041] 图10为不同压裂液量下四类改造体积对比图；

[0042] 图11为水力压裂裂缝应力敏感性变化对比图；

[0043] 图12为不同压裂液量改造后储层5年产能对比图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0045] 如图1所示，一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法主要包括带有天然裂缝储层地质网格属性模型建立，应力场分布模型修正，水力压裂扩展模型建立，四类
改造体积对比，裂缝导流能力应力敏感性研究，孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力
敏感性等多场耦合计算、产能预测，优选体积改造参数。

[0046] 如图2‑5所示，为水力压裂有效支撑裂缝改造体积、水力压裂扩张缝改造体积、水力压裂剪切裂缝改造体积以及水力压裂应力干扰缝改造体积四类改造体积示意图。

[0047] 一种基于四类改造体积的体积压裂参数优化设计方法，包含以下步骤：

[0048] S1、根据裂缝性油气藏储层物性资料、储层地质构造资料以及地层岩石力学资料，建立目标区域油气藏地质分层，根据需求划分地质网格，构建地质网格模型，粗化地层物性
参数及岩石力学参数，通过插值算法，进行地质网格属性赋值，并以目标区域油气藏地层天
然裂缝数据为基础，分析天然裂缝属性特征、分布特征，建立离散地层离散网络模型，如图7
所示，并将离散裂缝属性转化为地质网格属性，如：孔隙度、渗透率、含水饱和度、岩石密度、
杨氏模量、泊松比、垂向应力；渗透率、杨氏模量和垂向应力如图6所示；

[0049] 建立反映储层天然裂缝形态分布的离散裂缝网络模型时，若目标区域有单井成像测井数据或岩心天然裂缝描述资料时，分析观测井段天然裂缝产状及分布，统计裂缝密度
及产状分布规律，并通过Monte Carle分析方法分析天然裂缝空间密度；

[0050] 建立反映储层天然裂缝形态分布的离散裂缝网络模型时，若目标区域有地震数据时，可利用使用蚂蚁追踪法计算空间大型裂缝分布，通过地震相干体及曲率变化情况作为
约束条件，进行目标区域地层天然裂缝空间分布计算；

[0051] 将离散裂缝属性转化至地质网格模型属性时，可采用Oda方法，将离散裂缝属性映射到地质模型网格上，如：可根据式(1)、(2)，计算裂缝网格X、Y、Z(或I、J、K)三向渗透率：

[0052]

[0053]

[0054] Fij为裂缝张量；V为网格单元体积；N为网格内裂缝数量；Ak第k条裂缝的裂缝缝面面积；Tk第k条裂缝的裂缝传导率；niknjk分别为第k条裂缝单位法向的i、j分量；kij渗透率张
量；Fkk为裂缝张量矩阵的积；δij为克罗内克函数。

[0055] S2、在地质网格模型基础上，根据力学模型要求，对模型施加三向载荷、孔隙压力，根据地应力平衡得到有效三向地应力，修正之后的三向地应力如图8所示。

[0056] S3、在S1和S2模型基础上，根据目标井压裂设计或施工数据，分析、模拟三维水力压裂缝网扩展分布规律，计算水力压裂缝网属性；

[0057] 所属步骤S3包含以下子步骤：

[0058] S31、将修正后的三维地应力模型数据通过映射算法，赋值于原地质网格模型中；

[0059] S32、结合地质网格属性模型和离散天然裂缝分布模型，在三维水力压裂模型中，利用实际或设计的泵注数据，模拟天然裂缝网络中水力裂缝网络分布及属性；

[0060] S33、针对压裂施工过程中的微地震事件数据，应对比模拟的微地震事件数据，校正水力压裂模型、地质网格模型属性及离散天然裂缝分布模型相关参数，调整裂缝分布；

[0061] S34、在水力压裂模拟过程中，特别是针对水平井多段压裂，应考虑多段水力压裂裂缝扩展延伸时的诱导应力场引起的原始地应力场的变化。

[0062] S4、在水力压裂三维扩展模型中，根据设计需要，对比目标井压裂施工参数，可以调整压裂液量、支撑剂量、砂比、施工排量、压裂液粘度，计算水力压裂有效支撑裂缝改造体
积(V1)、水力压裂扩张缝改造体积(V2)、水力压裂剪切裂缝改造体积(V3)以及水力压裂应
力干扰缝改造体积(V4)四类改造体积，图9所示模拟结果为对比不同压裂液量下裂缝扩展
形态，图10所示模拟结果为对比不同压裂液量下四类改造体积，表1中为四类改造体积统计
结果；

[0063] S5、计算不同参数影响下，水力压裂有效支撑裂缝、水力压裂扩张缝及水力压裂剪切裂缝在不同孔隙压力及地应力条件下，由于岩石蠕变、支撑剂破碎、嵌入原因引起的导流
能力应力敏感性变化规律，如图11所示，不同应力条件下，裂缝闭合压力不同，裂缝的宽度
及导流能力会发生变化。

[0064] S6、施工井段生产过程中，通过动态迭代运算，进行孔隙压力场、地应力场、裂缝导流能力应力敏感性变化，计算多场耦合条件下产能变化情况。

[0065] 所属步骤S6包含以下子步骤：

[0066] S61、根据离散裂缝模型属性投影方法，将水力压裂裂缝属性赋值至网格模型中，重新调整油藏模型；

[0067] S62、根据S5中裂缝导流能力应力敏感性分析结果，通过编制子程序，将裂缝导流能力变化传递给渗流‑应力耦合模型；

[0068] S63、根据实际要求划分时间步长，本次以1个月为时间步长，考虑裂缝导流能力应力敏感性条件下，进行渗流‑应力的多场耦合，预测各施工参数条件下井段产能，图12所示
为该井不同压裂液量改造后储层5年产能对比结果。

[0069] S7、对比改造体积及产能预测结果，优选压裂液体积1000m3、支撑剂体积80m3为合理的体积压裂参数。

[0070] 表1井不同压裂液用量下四类改造体积统计结果

[0071]