一种水力压裂支撑剂参数优化方法与流程

本发明涉及石油与天然气开发领域，特别是一种水力压裂支撑剂参数优化方法。

背景技术：

目前，对特定储层的支撑剂选型方法多为实验优选方法。白群山从压裂井深、驱油类型、是否为易出砂井三个角度详细列举了支撑剂的优选组合形式，但其只考虑了不同种类支撑剂的适用情况，而未从油气藏的物性特征对支撑剂物性参数加以确定(白群山.萨南开发区压裂支撑剂的设计优化及应用[a]..《采油工程》第3卷第4册[c].:,2013:6)。郭天魁等对两种不同粒度组成的地层砂进行砂侵实验，以优选疏松砂岩地层的支撑剂粒径(郭天魁,张士诚,王雷,等.疏松砂岩地层压裂充填支撑剂粒径优选[j].中国石油大学学报:自然科学版,2012,36(1):94-100)。史华结合实验分析了支撑剂粒径及铺砂浓度对导流能力的影响，并以此为依据将支撑剂的优选方案应用于周边脱砂压裂工艺(史华.周边脱砂压裂支撑剂的优选[j].石油地质与工程,2008,22(1):101-103)。张双斌等测试了不同闭合压力下陶粒、石英砂及覆膜酸枣仁的导流特性，为深层煤层气压裂的支撑剂选型提供了建议(张双斌,苏现波,郭红玉.煤储层水力压裂支撑剂的优选实验研究[j].煤田地质与勘探,2016(1):51-55)。刘辉等人对高闭合应力下铺砂浓度、支撑剂组合形式、支撑剂嵌入及压裂液残渣对导流能力的影响展开了定量评价(刘辉,袁学芳,张健强,等.高闭合应力油藏压裂支撑剂优选研究[j].新疆石油科技,2013,23(4):24-27)。罗天雨等引入裂缝允许支撑剂进入的准则，分析了段塞颗粒大小对降滤效果、削减裂缝条数的影响(罗天雨,赵金洲,王嘉淮,等.支撑剂段塞颗粒大小优选研究[j].天然气技术,2008,2(6):37-39)。蒋廷学等人利用有限元方法，建立了考虑应力敏感性及长期导流能力的油藏预测模型，以此为依据优选支撑剂(蒋廷学,汪永利,丁云宏,等.考虑应力敏感性和长期导流能力条件下的支撑剂优选方法[j].钻采工艺，2004，27(5):75-76)。

但采用实验优选支撑剂的缺点在于，由于实验高成本及岩样有限的特点，通常只能测试几种类型支撑剂的短期导流能力，因此最后的选型结果常带有局限性。同时，导流能力测试实验所使用流体介质多为蒸馏水或kcl溶液，难以真实反映地层流体的导流能力。而一些学者采用解析模型直接或间接分析导流能力，也难以全面考虑支撑剂优选因素，无法准确而高效地预测不同地质条件下的支撑剂导流能力。

目前，鲜少有一整套完善且模式化的支撑剂优选方法。本发明提供一套适用于不同地质条件及不同类型支撑剂的水力压裂支撑剂参数优化设计方法，物理模型的建立及基于计算流体力学的导流能力计算方法能反映真实水力压裂的支撑剂状态。结合实验室支撑剂导流能力效果评价与现场压裂支撑剂选型经验，此方法可为相应储层的支撑剂参数选择提供可靠的建议。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种实验成本低、能测试不同类型支撑剂导流能力、真实反映地层流体的导流能力、准确高效的预测不同地质条件下的支撑剂导流能力、操作步骤简单的水力压裂支撑剂参数优化方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种水力压裂支撑剂参数优化方法，它包括以下

步骤：

s1、根据岩层地质条件与力学特征，建立还原支撑剂真实尺寸的岩层-支撑剂-岩层物理模型；

s2、对模型上岩层和下岩层表面施加闭合压力，上岩层与下岩层裂缝面颗粒的平均高度之差为裂缝闭合宽度w；

s3、对模型进行流场网格离散，使流场包裹支撑剂，设置流体的黏度、密度以及流场两端的流体压力；

s4、计算流场总流量q；

s5、计算渗透率和导流能力；

s6、根据支撑剂使用的实际情况确定支撑剂各参数的取值范围，在相应取值范围内优选若干取值，根据各参数的取值情况组合形成若干参数组合，再利用步骤s4和步骤s5计算出不同参数组合下的裂缝导流能力k；

s7、结合实验室支撑剂导流能力效果评价与现场压裂支撑剂选择的经验，对模型中未能考虑到的支撑剂参数加以确定，优化得到最终的支撑剂参数组合。

所述的岩层-支撑剂-岩层物理模型为立方体，模型六个表面均光滑。

所述的岩层-支撑剂-岩层物理模型中上层颗粒构成上岩层，下层颗粒构成下岩层，中间颗粒构成支撑剂填充层。

本发明具有以下优点：

(1)岩层与支撑剂颗粒模型的伺服加载过程还原了支撑剂在地层裂缝中挤压、嵌入的非线性作用，避免了传统解析模型无法描述复杂嵌入行为的缺陷。

(2)本发明对地层流体及支撑剂颗粒间的相互作用进行了渗流-运移相统一的流固耦合描述，可有效反映流固双向反馈作用的实质，实现了在不同类型支撑剂使用情况中对导流能力在裂缝逐渐闭合过程中的动态预测。

(3)本发明在采用模型计算导流能力的基础上，结合实验室支撑剂导流能力效果评价与压裂现场支撑剂选择的经验，保证了支撑剂参数优化设计及选型结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明中岩层-支撑剂-岩层模型初始状态示意图；

图2为本发明中岩层-支撑剂-岩层模型闭合状态示意图；

图3为本发明中支撑剂填充层的流场网格示意图；

图4为计算流场流量所选网格示意图；

图5为不同参数组合下支撑剂填充层的导流能力；

图6为本发明的流程图；

图中，1-上岩层，2-下岩层，3-支撑剂填充层，4-离散网格，5-计算所用网格面；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

一种水力压裂支撑剂参数优化方法，它包括以下步骤：

s1、根据岩层地质条件与力学特征，建立还原支撑剂真实尺寸的岩层-支撑剂-岩层物理模型。建立岩层-支撑剂-岩层物理模型的具体方法为：建立三轴试验模型，通过改变模型中颗粒的物性参数使得岩层及支撑剂模型呈现出不同的宏观物性，通过将三轴试验模型的宏观物性与实验室三轴试验的宏观力学参数进行校验，可确定岩层及支撑剂颗粒的物性参数。所述的岩层-支撑剂-岩层物理模型为立方体，模型六个表面均光滑，所述的岩层-支撑剂-岩层物理模型中上层颗粒构成上岩层1，下层颗粒构成下岩层2，中间颗粒构成支撑剂填充层3，模型如图1所示；

取自某油田x23井垂深3253.8m的井下岩心，加工成直径为φ25mm、高度为50mm的小岩心柱9个。采用美国gcts公司的rtr-1000岩石三轴力学测试系统，开展围压为30mpa的三轴岩石力学实验，得到岩石弹性模量为28.6-40.9gpa，泊松比为0.25-0.28，抗压强度200.7.-230.2mpa，建立一直径为φ25mm、高度为50mm的圆柱体模型，模拟实验标准岩样。将所得微观物性参数赋予岩层-支撑剂-岩层物理模型。模型中先采用铺砂浓度9kg/m²的40/70目支撑剂；

s2、利用应力互作用关系，对模型上下表面施加一定速度，即对模型上岩层和下岩层表面施加闭合压力，以模拟地层裂缝闭合过程，模型稳定后，裂缝宽度不再发生变化，上岩层与下岩层裂缝面颗粒的平均高度之差为裂缝闭合宽度w，经统计和计算w为0.17119cm，如图2所示为岩层-支撑剂-岩层模型闭合状态示意图；

s3、对模型进行流场网格离散，使流场包裹支撑剂，设置流体的黏度、密度以及流场两端的流体压力。填充层的离散网格4如图3所示，为了保证流场计算的精度，在x、y、z轴三个方向分别向两侧延伸一个网格，网格数为12×12×3，网格完全包裹支撑剂填充层，在计算时并不考虑这些边缘网格的作用。对流场的网格划分亦可采用其他比例。本实施中的流场中，流体黏度为0.001pa·s，流体密度为1kg/m³，流场入口端流体压力为100pa，流场出口端压力为0，则流场进出口压差为100pa；

s4、流场总流量q的计算：

s4(i)选择任意一面垂直于流体流动方向的网格，所选计算所用网格面5如图4所示；

s4(ii)流体将对颗粒产生驱动力，颗粒所受驱动力为：

由公式(1)可知该驱动力由两部分组成，其中一部分是流体自身粘性对颗粒的摩擦力，另一部分是流体压力梯度对颗粒的作用力，式中为j方向上颗粒i所受驱动力，单位n；▽pj为j方向上流体压力梯度，单位pa/m；n为孔隙率，无量纲；为颗粒i的直径，单位m，为单位网格内颗粒i在j方向上所受粘性摩擦力，单位n；

s4(iii)根据流体对颗粒的粘性摩擦力的作用力与反作用力关系，并通过流体动力学方程计算出各网格内流体流速为：

式中，u为流速矢量，单位m/s；ρf为流体密度，单位kg/m³；τ为粘性应力张量，单位n/m²；g为重力矢量，单位m/s²；fint为单位网格内流体与颗粒间的粘性摩擦力矢量，单位n/m³；s4(iv)、结合公式(3)计算出各网格内流体流量，网格流体流量为该网格内流体流速乘以网格面积；所选面网格的流场总流量为其上所有网格流量总和，从而实现了流场总流量q的计算；本实施例中，该面网格的流量之和为0.5054mm³/s，即流场总流量q为0.5054mm³/s；

s5、计算渗透率和导流能力：

s5(i)、根据流场总流量与支撑剂填充层的过流断面，利用达西定律：

由公式(4)推导出支撑剂填充层渗透率k，

其中，q为流场总流量，单位mm³/s；μ为动力黏度，单位pa·s；a为支撑剂填充层过流断面面积，单位mm²；k为渗透率，单位mm²；为压力梯度，单位pa/mm；本实施例中，支撑剂填充层过流断面面积a为22.8166mm²，压力梯度为8.245pa/mm，渗透率k为2.9472×10^-6mm²

s5(ii)、导流能力k的计算公式为：

k＝kw-------------------------------------------------------------(5)

其中，k为导流能力，单位μm²·cm；k为渗透率，单位μm²；w为裂缝闭合宽度，单位cm；本实施中，渗透率2.9472×10^-6mm²乘以裂缝宽度0.17119cm，得导流能力k为0.5045491μm²·cm，以上步骤实现了针对9kg/m²的40/70目支撑剂导流能力的计算；

s6、根据支撑剂使用的实际情况确定支撑剂各参数的取值范围，在相应取值范围内优选若干取值，根据各参数的取值情况组合形成若干参数组合，再利用步骤s4和步骤s5计算出不同参数组合下的裂缝导流能力k；本实施例中，选择20/40目、30/50目、40/70目三种组合形式及3kg/m²、6kg/m²、9kg/m²三种铺砂浓度的支撑剂，其参数组合的导流能力按步骤s4和步骤s5进行计算：

采用铺砂浓度3kg/m²的40/70目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1047cm，流场总流量q为0.498mm³/s，过流断面面积a为12.721mm²，压力梯度为8.227pa/mm，则渗透率k为4.763×10^-6mm²，导流能力k为0.4987μm²·cm；

采用铺砂浓度6kg/m²的40/70目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1395cm，流场总流量q为0.732mm³/s，过流断面面积a为18.721mm²，压力梯度为8.233pa/mm，则渗透率k为4.751×10^-6mm²，导流能力k为0.503μm²·cm；

采用铺砂浓度3kg/m²的30/50目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1051cm，流场总流量q为1.428mm³/s，过流断面面积a为13.637mm²，压力梯度为8.283pa/mm，则渗透率k为1.264×10^-5mm²，导流能力k为1.3284μm²·cm；

采用铺砂浓度6kg/m²的30/50目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1417cm，流场总流量q为1.803mm³/s，过流断面面积a为19.237mm²，压力梯度为8.258pa/mm，则渗透率k为1.135×10^-5mm²，导流能力k为1.608μm²·cm；

采用铺砂浓度9kg/m²的30/50目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1739cm，流场总流量q为2.001mm³/s，过流断面面积a为23.173mm²，压力梯度为8.179pa/mm，则渗透率k为1.056×10^-5mm²，导流能力k为1.836μm²·cm；

采用铺砂浓度3kg/m²的20/40目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1150cm，流场总流量q为5.165mm³/s，过流断面面积a为14.836mm²，压力梯度为8.261pa/mm，则渗透率k为4.214×10^-5mm²，导流能力k为4.846μm²·cm；

采用铺砂浓度6kg/m²的20/40目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1265cm，流场总流量q为5.159mm³/s，过流断面面积a为15.278mm²，压力梯度为8.166pa/mm，则渗透率k为4.135×10^-5mm²，导流能力k为5.231μm²·cm；

采用铺砂浓度9kg/m²的20/40目支撑剂时，裂缝闭合宽度w为0.1348cm，流场总流量q为5.493mm³/s，过流断面面积a为16.453mm²，压力梯度为8.139pa/mm，则渗透率k为4.102×10^-5mm²，导流能力k为5.529μm²·cm；

如图5所示为不同参数组合下支撑剂填充层的导流能力图，图中显示了以上9种不同参数组合的导流能力，且从图5中可以看出20/40目、9kg/m²组合的支撑剂导流能力较高，因此可将20/40目、9kg/m²选定为实际支撑剂的使用标准。另外，也可进一步根据不同类型支撑剂的特殊性质将颗粒物性作为优化参数进行更深入地讨论；

s7、结合实验室支撑剂导流能力效果评价与现场压裂支撑剂选择的经验，对模型中未能考虑到的支撑剂参数加以确定，优化得到最终的支撑剂参数组合：由于此井深度超过3000m，应选用抗压能力较强、破碎率低的陶粒，考虑到支撑剂的破碎率，可适当加大铺砂浓度，并相应调整支撑剂目数分布区间。

因此，本优化设计方法能测试不同类型支撑剂导流能力、真实反映地层流体的导流能力、准确高效的预测不同地质条件下的支撑剂导流能力，而且相比传统的方法，成本更低，操作更加简便。