一种水平井分段压裂技术施工方案优化设计方法及系统

1.本发明涉及油气田开发领域，特别涉及一种水平井分段压裂技术施工方案优化设计方法及系统，用于水平井分段压裂过程中对压裂裂缝参数优化设计，指导油田现场水力压裂施工设计。


背景技术：

2.页岩气、致密砂岩气等非常规油气资源，储量丰富、勘探前景广阔，但由于具有低孔低渗、储层非均质性强等特性导致其开发困难，常规勘探技术和开采手段已经不能满足该类油气藏的开发需求。水平井分段压裂技术可以增加井筒与储层的接触面积，改善储层渗透率，从而提高水平井产能，是推动非常规油气储层高效开发的关键技术。大量现场数据表明，裂缝数目、裂缝间距、裂缝缝长、裂缝导流能力以及水平井段长度等裂缝参数对水平井分段压裂增产效果有着不同程度的影响，通过研究水平井压裂裂缝参数能够有效改善水平井分段压裂技术的增产效果，这对非常规油气储层压裂施工和经济生产具有指导意义。然而，当前普遍的压裂裂缝参数优化方式主要以单井产能为目标函数，这会导致目标函数随裂缝参数线性增长而无法确定最优值，并且该方式未能综合考虑压裂裂缝参数与施工成本之间的关系，调整压裂裂缝参数会大大提高开采成本，使得非常规储层无法经济开发。因此，如何提升水平井分段压裂施工增产效果，建立经济高效开发方案，是制约页岩气、致密砂岩气等非常规油气资源大规模有效开发的重大挑战。


技术实现要素：

3.为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种水平井分段压裂技术施工方案优化设计方法及系统，保障非常规油气储层(如页岩储层、致密砂岩储层)经济高效开发。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种水平井分段压裂技术施工方案优化设计方法，包括如下过程：
6.将需要进行优化设计的目标储层不同施工方案的储层参数和裂缝参数分别作为已预训练好的储层水平井分段压裂产量预测模型的输入层数据，计算得到目标储层压裂之后不同施工方案的单井预设时间内的累积产气量，所述目标储层为包括页岩储层或致密砂岩储层；
7.将所述不同施工方案的单井预设时间内的累积产气量及对应裂缝参数作为储层压裂经济效益计算模型的输入，计算得到不同施工方案下的经济效益；
8.根据不同施工方案下的经济效益，筛选出单井预设时间内累计产量最高的施工方案、压裂施工成本最低的施工方案以及压裂经济效益最高的施工方案；在施工时，以单井预设时间内累计产量最高的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数，以单井预设时间内压裂施工成本最低的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数，以单井预设时间内压裂经济效益最高的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数，
实现水平井分段压裂技术施工方案优化设计。
9.优选的：储层水平井分段压裂产量预测模型的训练包括如下过程：
10.设定wellwhiz数值模拟软件中的储层参数和裂缝参数，计算得到压裂之后单井预设时间内的累积产气量；
11.将所述储层参数和裂缝参数作为已预建立的储层的bp神经网络模型的输入层参数，将所述压裂之后单井预设时间内的累积产气量作为已预建立的储层的bp神经网络模型的输出层参数，对已预建立的储层的bp神经网络模型进行训练，得到训练好的储层水平井分段压裂产量预测模型。
12.优选的，储层水平井分段压裂产量预测模型训练时：
13.对于页岩储层，学习参数设置范围为：学习速率0.03～0.06；期望误差0.01～0.05；迭代步长4000～8000；隐含层节点数5～14；
14.利用matlab函数traingda作为训练函数；在训练样本数据中随机选择若干组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本；利用matlab函数corrcoef检验样本的预测结果与真实结果的相似度，通过调整学习参数以提高相似度，当相似度不小于0.97时模型满足精度要求，得到训练好的储层水平井分段压裂产量预测模型。
15.优选的，储层水平井分段压裂产量预测模型训练时：
16.对于致密砂岩储层，学习参数设置范围为：学习速率0.01～0.05；期望误差0.01～0.03；迭代步长3000～5000；隐含层节点数10～15；
17.利用matlab函数trainlm作为训练函数，在训练样本数据中随机选择若干组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本；利用matlab函数corrcoef检验样本的预测结果与真实结果的相似度，通过调整学习参数以提高相似度，当相似度不小于0.98时模型满足精度要求。
18.优选的：所述储层参数包括地层压力、目的层有效厚度、气藏深度、孔隙度、渗透率以及含气饱和度；
19.所述裂缝参数包括裂缝数目、裂缝半缝长、裂缝间距、裂缝导流能力和水平井段长度。
20.优选的，对于页岩储层，地层压力范围为25mpa～55mpa，目的层有效厚度范围为18m～42m，气藏深度范围为600m～3300m，孔隙度范围为1.2％～8.5％，渗透率范围为0.0001md～1md，含气饱和度范围为11％～58％，裂缝数目范围为6条～17条，裂缝半缝长范围为80m～160m，裂缝间距范围为60m～140m，裂缝导流能力范围为5μm2cm～30μm2cm，水平井段长度范围为800m～2000m。
21.优选的，对于致密砂岩储层，地层压力范围为23mpa～46mpa，目的层有效厚度范围为15m～39m，气藏深度范围为1600m～4000m，孔隙度范围为2.8％～9.6％，渗透率范围为0.006md～5md，含气饱和度范围为14％～62％，裂缝数目范围为4条～16条，裂缝半缝长范围为80m～140m，裂缝间距范围为70m～160m，裂缝导流能力范围为5μm2·
cm～25μm2·
cm，水平井段长度范围为1000m～2500m。
22.优选的，将需要进行优化设计的目标储层不同施工方案的储层参数和裂缝参数分别作为已预训练好的储层水平井分段压裂产量预测模型的输入层数据时，
23.将裂缝数目、裂缝半缝长、裂缝间距、裂缝导流能力和水平井段长度这五项裂缝参
数分别对应的水平因子a、b、c、d、e与六项储层参数进行随机组合生成一(a
×b×c×d×
e)行、11列的矩阵，将该矩阵作为所述输入层数据集。
24.优选的，所述储层压裂经济效益计算模型如下：
25.y＝q
×
p
×
f-[m
×
fc+n
×
(ax1+bx2+c)+0.01l
×cf
]
[0026]
式中，y为压裂经济效益；q为单井累计产气量，104m3；p为每万方天然气单价，万元/104m3；f为天然气商品率，％；m为投资风险常数，页岩储层取1.4～3.7，致密砂岩储层取1.2～2.8；fc为固定成本，万元；n为分支裂缝数目；a为单位长度裂缝成本，万元/米；x1为裂缝半缝长，m；b为单位裂缝导流能力成本，万元/μm2·
cm；x2为裂缝导流能力，μm2·
cm；c为修正系数，无量纲，为0.1万元～10万元；l为水平井段长，m；cf为每百米水平井段压裂成本，万元/百米。
[0027]
本发明还提供了一种水平井分段压裂技术施工方案优化设计系统，包括：
[0028]
累积产气量计算模块：用于将需要进行优化设计的目标储层不同施工方案的储层参数和裂缝参数分别作为已预训练好的储层水平井分段压裂产量预测模型的输入层数据，计算得到目标储层压裂之后不同施工方案的单井预设时间内的累积产气量，所述目标储层为包括页岩储层或致密砂岩储层；
[0029]
经济效益计算模块：用于将所述不同施工方案的单井预设时间内的累积产气量及对应裂缝参数作为储层压裂经济效益计算模型的输入，计算得到不同施工方案下的经济效益；
[0030]
施工方案筛选模块：用于根据不同施工方案下的经济效益，筛选出单井预设时间内累计产量最高的施工方案、压裂施工成本最低的施工方案以及压裂经济效益最高的施工方案；在施工时，以单井预设时间内累计产量最高的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数，以单井预设时间内压裂施工成本最低的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数，以单井预设时间内压裂经济效益最高的施工方案对应的裂缝参数作为该施工方案的施工参数。
[0031]
本发明具有如下有益效果：
[0032]
本发明针对页岩储层和致密砂岩储层特点以及水平井分段压裂技术特点，建立了储层水平井分段压裂产量预测模型以及储层压裂经济效益计算模型，模型运行速度快、计算精确度高，能够迅速从海量数据中优选出三套施工方案，利用该模型指导现场压裂施工可以保障非常规储层的经济高效开发。
附图说明
[0033]
图1是本发明基于bp神经网络算法的压裂施工方案优化方法流程图；
[0034]
图2是本发明实施例1建立的bp神经网络模型结构图。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案进一步做出具体的阐述，但本发明不限于以下所列举的实施例。
[0036]
如图1和图2所示，本发明水平井分段压裂技术施工方案优化设计方法，该方法对于非常规油气储层(如页岩储层、致密砂岩储层)均适用，包括以下步骤：
[0037]
步骤1：利用wellwhiz数值模拟软件针对所述非常规储层特点以及水平井分段压裂技术特点，设定储层参数和压裂参数，建立压裂数值模拟模型，利用压裂数值模拟模型得到不同储层参数和不同裂缝参数组合下压裂之后单井若干年(如三年，此时产气量相对稳定，数据可靠)累积产气量数据样本；其中，储层参数包括地层压力、目的层有效厚度、气藏深度、孔隙度、渗透率、含气饱和度；裂缝参数包括裂缝数目、裂缝半缝长、裂缝间距、裂缝导流能力和水平井段长度。
[0038]
步骤2：建立储层的bp神经网络模型，将步骤1中的储层参数与裂缝参数作为储层的bp神经网络模型输入层参数，压裂之后单井若干年(如三年，此时产气量相对稳定，数据可靠)累积产气量作为储层的bp神经网络模型输出层参数，利用步骤1获取的数据样本分别对建立的页岩储层和致密砂岩储层bp神经网络模型进行训练，储层的bp神经网络模型训练完成达到设定精度，得到储层水平井分段压裂产量预测模型。
[0039]
步骤3：针对页岩储层和致密砂岩储层压裂施工特点，建立综合考虑水平井分段压裂施工成本和单井三年累计产气量的压裂经济效益计算模型。
[0040]
步骤4：针对需要进行优化设计的目标储层首先获取其储层参数，然后建立储层参数与裂缝参数构成的输入层数据集，并将储层参数与裂缝参数输入层数据集带入步骤2建立的储层水平井分段压裂产量预测模型，对目标储层储层参数与裂缝参数输入层数据集对应的三年累计产量进行预测，得到目标储层不同压裂施工方案组合下的输出层数据集。
[0041]
步骤5：将步骤4得到的目标储层不同压裂施工方案组合下的输出层数据集带入储层压裂经济效益计算模型中，对不同压裂施工方案下的经济效益进行计算，并筛选出单井三年累计产量最高、压裂施工成本最低、压裂经济效益最高的三组计算数据。
[0042]
步骤6：储层压裂经济效益计算模型筛选出的三组数据及其对应的裂缝参数输入层数据即为最终优化设计得到的三组压裂施工方案。
[0043]
具体的，步骤1中页岩储层压裂数值模拟模型模拟参数设置范围为：地层压力25mpa～55mpa、目的层有效厚度18m～42m、气藏深度600m～3300m、孔隙度1.2％～8.5％、渗透率0.0001md～1md、含气饱和度11％～58％、裂缝数目6条～17条、裂缝半缝长80m～160m、裂缝间距60m～140m、裂缝导流能力5μm2·
cm～30μm2·
cm水平井段长度800m～2000m。
[0044]
步骤1中致密砂岩储层压裂数值模拟模型模拟参数设置范围为：地层压力23mpa～46mpa、目的层有效厚度15m～39m、气藏深度1600m～4000m、孔隙度2.8％～9.6％、渗透率0.006md～5md、含气饱和度14％～62％、裂缝数目4条～16条、裂缝半缝长80m～140m、裂缝间距70m～160m、裂缝导流能力5μm2·
cm～25μm2·
cm水平井段长度1000m～2500m。
[0045]
步骤2中对储层得bp神经网络模型进行训练时，为保证训练数据样本的多样性，每个输入层参数取3～6个不同水平因子，每个模型的训练样本数据不少于100组。
[0046]
步骤2中对建立的页岩储层的bp神经网络模型进行训练时，学习参数设置范围为：学习速率0.03～0.06；期望误差0.01～0.05；迭代步长4000～8000；隐含层节点数5～14；利用matlab函数traingda作为训练函数。在训练样本数据中随机选择10组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本；利用matlab函数corrcoef检验样本的预测结果与真实结果的相似度，通过调整学习参数以提高相似度，当相似度不小于0.97时模型满足精度要求。
[0047]
步骤2中对建立的致密砂岩储层的bp神经网络模型进行训练时，学习参数设置范围为：学习速率0.01～0.05；期望误差0.01～0.03；迭代步长3000～5000；隐含层节点数10
～15；利用matlab函数trainlm作为训练函数。在训练样本数据中随机选择10组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本；利用matlab函数corrcoef检验样本的预测结果与真实结果的相似度，通过调整学习参数以提高相似度，当相似度不小于0.98时模型满足精度要求。
[0048]
步骤3中建立的压裂经济效益计算模型为：
[0049]
y＝q
×
p
×
f-[m
×
fc+n
×
(ax1+bx2+c)+0.01l
×cf
]
[0050]
式中，y为压裂经济效益，万元；q为单井累计产气量，104m3；p为每万方天然气单价，万元/104m3；f为天然气商品率，％，95％～98％，与天然气在开采运输过程中损失量有关；m为投资风险常数，无量纲，页岩储层取1.4～3.7，致密砂岩储层取1.2～2.8，与施工时间和施工难度有关；fc为固定成本(包括设备费、劳务费等)，万元；n为分支裂缝数目，条；a为单位长度裂缝成本，万元/米，页岩储层为2.8万元/米～3.6万元/米，致密砂岩储层为2.7万元/米～3.4万元/米；x1为裂缝半缝长，m；b为单位裂缝导流能力成本，万元/μm2·
cm，页岩储层为5.4万元/μm2·
cm～6.6万元/μm2·
cm，致密砂岩储层为5.1万元/μm2·
cm～6.0万元/μm2·
cm；x2为裂缝导流能力，μm2·
cm；c为修正系数，无量纲，为0.1万元～10万元；l为水平井段长，m；cf为每百米水平井段压裂成本，万元/百米。
[0051]
步骤4中建立目标储层储层参数与裂缝参数构成的输入层数据集时，首先获取目标储层基本储层参数，包括地层压力、目的层有效厚度、气藏深度、孔隙度、渗透率以及含气饱和度6项，然后将裂缝数目、裂缝半缝长、裂缝间距、裂缝导流能力和水平井段长度5项裂缝参数分别对应的水平因子a、b、c、d、e与6项储层参数进行随机组合生成一个(a
×b×c×d×
e)
×
11，即(a
×b×c×d×
e)行、11列的矩阵，该矩阵即为储层参数与裂缝参数输入层数据集。
[0052]
本发明的原理是：常用的压裂数值模拟软件wellwhiz软件能够真实预测不同储层和不同施工方案下单井累计产量，但其预测周期长，无法实现大量施工方案对应产气量的快速预测。因此，本发明利用wellwhiz软件能够真实对产量进行预测的功能，通过设定储层参数和不同裂缝参数建立裂缝数值模拟模型，得到单井三年累计产量训练样本数据；然后利用训练样本数据对建立的bp神经网络模型进行训练，建立起储层参数和裂缝参数与单井三年累计产量之间的非线性映射关系，从而使模型能够识别由储层参数和裂缝参数组成的输入层数据集，并迅速对单井三年累积产量进行预测；最后综合考虑水平井分段压裂施工成本和单井三年累计产气量建立目标储层压裂经济效益计算模型，将单井三年累积产量与其对应裂缝参数带入模型计算并筛选出单井三年累计产量最高、压裂施工成本最低、压裂经济效益最高三套施工方案。
[0053]
本发明针对页岩储层和致密砂岩储层特点以及水平井分段压裂技术特点，建立了水平井分段压裂产量预测模型以及压裂经济效益计算模型，模型运行速度快、计算精确度高，能够迅速从海量数据中优选出三套施工方案，利用该模型指导现场压裂施工可以保障非常规储层的经济高效开发。
[0054]
实施例1
[0055]
本实施例的过程如下：
[0056]
对页岩储层y1井进行压裂裂缝参数优化，设计地层压力为37mpa、目的层有效厚度为33.1m、气藏深度为1080m、孔隙度为4.4％、渗透率为0.008md、含气饱和度为42.80％；裂缝数目可选择范围为6条-13条，数值间距为1；裂缝半缝长可选择范围为80m-150m，数值间
距为10m；裂缝间距可选择范围为70m-120m，数值间距为10m；裂缝导流能力可选择范围为5μm2·
cm-30μm2·
cm，数值间距为5μm2·
cm；水平井段长度选择范围为1500m-1850m，数值间距为50m。
[0057]
利用corrcoef函数检验样本的预测结果与真实结果的相似度，最终确定学习参数，学习速率为0.05；期望误差为0.01；迭代步长为6000；隐含层节点数为9。随机选择10组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本，对检验样本的预测结果进行相似度检验，相似度为0.97，训练模型准确。
[0058]
对上述储层参数与裂缝参数进行随机组合生成一个8
×8×6×6×
8，共计18432种组合的矩阵(18432
×
11)，即为输入层数据集，将输入层数据集带入训练好的模型中运行计算得到输出层数据集。
[0059]
将输出层数据集带入页岩储层压裂经济效益计算模型当中，对不同压裂施工方案下的经济效益进行计算，筛选计算结果得到单井三年累计产量最高、压裂施工成本最低、压裂经济效益最高三套施工方案以及对应的累计产气量、压裂经济效益、压裂成本预测结果，如表1所示。
[0060]
表1
[0061][0062][0063]
施工方可根据具体的需求选择上述方案1～方案3中的任意一种方案进行生产。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例的过程如下：
[0066]
对致密砂岩储层s1井进行压裂裂缝参数优化，设计地层压力为29mpa、目的层有效厚度为19.8m、气藏深度为3300m、孔隙度为6.3％、渗透率为0.21md、含气饱和度为46.50％；裂缝数目可选择范围为5条-14条，数值间距为1；裂缝半缝长可选择范围为70m-130m，数值间距为10m；裂缝间距可选择范围为80m-130m，数值间距为10m；裂缝导流能力可选择范围为5μm2·
cm-25μm2·
cm，数值间距为5μm2·
cm；水平井段长度选择范围为1800m-2300m，数值间距为50m。
[0067]
利用corrcoef函数检验样本的预测结果与真实结果的相似度，最终确定学习参数，学习速率为0.06；期望误差为0.01；迭代步长为5000；隐含层节点数为10。随机选择10组数据作为检验样本，其余数据作为训练样本，对检验样本的预测结果进行相似度检验，相似
度为0.98，训练模型准确。
[0068]
对上述储层参数与裂缝参数进行随机组合生成一个10
×7×6×5×
11，共计23100种组合的矩阵(23100
×
11)，即为输入层数据集，将输入层数据集带入训练好的模型中运行计算得到输出层数据集。
[0069]
将输出层数据集带入致密砂岩储层压裂经济效益计算模型当中，对不同压裂施工方案下的经济效益进行计算，筛选计算结果得到单井三年累计产量最高、压裂施工成本最低、压裂经济效益最高三套施工方案以及对应的累计产气量、压裂经济效益、压裂成本预测结果，如表2所示。
[0070]
表2
[0071][0072]
施工方可根据具体的需求选择上述方案1～方案3中的任意一种方案进行生产。