一种裂缝性致密储层二氧化碳压裂蓄能效果预测方法

1.本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种裂缝性致密储层二氧化碳压裂蓄能效果预测方法。


背景技术：

2.致密储层具有低孔、低渗等特点，一般采用水力压裂来提高单井产能，虽然可取得一定的改造效果，但也存在系列弊端：水敏性储层易造成黏土矿物膨胀，进一步降低储层渗透率，影响油气的流动；低能储层无法补充地层能量(地层压力)，油气井压后产量递减快、稳产期较短。
3.二氧化碳压裂作为一种新兴的无水压裂技术，可有效解决上述问题，故而逐渐受到重视。二氧化碳压裂过程中，压裂阶段结束后，一般伴随着焖井阶段，此阶段中随着压力的逐渐降低、温度的逐渐升高，二氧化碳发生膨胀体积不断增大，可有效补充地层能量。
4.目前，一般以压后产量来预测二氧化碳压裂蓄能效果，该种方法结果可靠，但是需要模拟压后若干月或若干年的产量变化情况，不仅计算工作量大且操作难度大。因此，有必要寻求一种方法简单且结果可靠的二氧化碳压裂蓄能效果预测方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对现有技术存在的不足，提供一种裂缝性致密储层二氧化碳压裂蓄能效果预测方法，用于解决现有方法计算工作量大、操作难度大等问题。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下内容：
7.一种裂缝性致密储层二氧化碳压裂蓄能效果预测方法，包括以下步骤：
8.s1.建立热-流-固-损伤耦合的二氧化碳压裂-焖井模型；
9.s2.建立考虑法向位移和切向位移共同作用的天然裂缝开度演化模型；
10.s3.耦合求解二氧化碳压裂-焖井模型、天然裂缝开度演化模型，模拟二氧化碳压裂、焖井；
11.s4.根据耦合求解得到的地层压力数据及渗透率数据计算蓄能指数。
12.进一步地，所述步骤s1中热-流-固-损伤耦合的二氧化碳压裂-焖井模型包括热流固方程、损伤准则、物性参数演化模型：
13.1)热流固方程由固体变形方程、流体流动方程、传热方程三部分组成：
14.固体变形方程：
[0015][0016]
式中：g为剪切模量，ui、uj均为位移分量，v为泊松比，α为biot系数，p为孔隙压力，k为体积模量，α
t
为岩石的热膨胀系数，t为温度，fi为体积力分量；
[0017]
流体流动方程：
[0018][0019]
式中：ks为有效体积模量，εv为体积应变，t为时间，φ为孔隙度，α
l
为流体的体积热膨胀系数，αs为岩石骨架的体积热膨胀系数，β
l
为流体的体积模量；k为储层的渗透率；μ为流体的粘度；
[0020]
传热方程：
[0021][0022]
式中：ρs为岩石骨架的密度，cs、c
l
分别为岩石骨架及流体的热容，λs、λ
l
分别为岩石骨架及流体的导热系数，q为热源；
[0023]
2)损伤准则由最大拉应力准则和摩尔-库伦准则组成：
[0024][0025]
式中：f1、f2分别为拉伸破坏和剪切破坏阈值函数，σ1、σ3分别为第一、第三主应力，f
t
、fc分别为岩石的抗拉强度、抗压强度，θ为岩石的内摩擦角；
[0026]
相应的损伤变量为：
[0027][0028]
式中：d为损伤变量，ε
t
、εc分别为弹性极限对应的拉伸应变、压缩应变，ε1、ε3分别为第一、第三主应变；
[0029]
3)物性参数演化模型用于计算损伤后的弹性模量、孔隙度、渗透率、导热系数：
[0030][0031]
式中：e0、e分别为损伤前后的弹性模量，φ0、φf分别为岩石的初始孔隙度及裂缝孔隙度，k0、kf分别为岩石的初始渗透率及裂缝渗透率，λ
s0
为损伤前岩石骨架的导热系数，β
λ
为影响系数。
[0032]
进一步地，所述步骤s2中天然裂缝开度演化模型为：
[0033]bf
＝b
n-bs[0034]
式中：bf为天然裂缝的开度，bn、bs分别为天然裂缝法向位移及切向位移导致的法向开度；
[0035]
且天然裂缝的法向位移导致的法向开度为：
[0036]bn
＝br+(b
0-br)exp[-ξ(σ
n-p)]
[0037]
式中：br、b0分别为天然裂缝的法向残余开度及法向初始开度，ξ为应力-开度相关系数，σn为天然裂缝壁面的法向应力；
[0038]
且天然裂缝的切向位移导致的法向位移增量为：
[0039][0040]
式中：φd为剪胀角，us为切向位移，u
p
、ur分别为天然裂缝开始滑移及结束滑移时的切向位移。
[0041]
进一步地，所述步骤s3中耦合求解方法为：
[0042]
固体变形方程、流体流动方程、传热方程分别用comsol软件中的固体力学模块、达西定律模块、系数型偏微分方程模块求解，天然裂缝的力学行为采用固体力学模块中的弹性薄层进行描述、流动特性采用达西定律模块中的裂隙流进行描述；岩石的损伤则采用matlab软件进行判断；且压裂阶段结束各物理量的终值为焖井阶段各物理量的初值。
[0043]
进一步地，所述步骤s4中计算蓄能指数的方法为：
[0044][0045]
式中：ei为蓄能指数；n为求解域网格节点总数；p
i0
、pi分别为网格节点i压裂前及焖井后的孔隙压力；k
i0
、ki分别为网格节点i压裂前及焖井后的渗透率；ri为网格节点i距井眼中心的距离；rw为井眼半径。
[0046]
本发明的有益效果是：
[0047]
本发明能够实现对裂缝性致密储层二氧化碳压裂过程中的压裂-焖井一体化模拟，且考虑了热-流-固-损伤耦合及天然裂缝开度的变化，填补了相关领域空白；此外，本发明建立了综合考虑了距离、地层压力(地层能量)及渗透率的蓄能指数，用该指数来预测二氧化碳压裂蓄能效果，预测方法简单、结果可靠。
附图说明
[0048]
图1是本发明的整体流程示意图。
[0049]
图2是本发明热-流-固-损伤耦合示意图。
[0050]
图3是网格划分结果图。
[0051]
图4是压裂阶段结束后的地层压力云图。
[0052]
图5是压裂阶段结束后的渗透率云图。
[0053]
图6是焖井阶段结束后的地层压力云图。
[0054]
图7是焖井阶段结束后的渗透率云图。
具体实施方式
[0055]
以下结合实施例对本发明进行详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0056]
一种裂缝性致密储层二氧化碳压裂蓄能效果预测方法，包括以下步骤：
[0057]
s1.建立热-流-固-损伤耦合的二氧化碳压裂-焖井模型；
[0058]
s2.建立考虑法向位移和切向位移共同作用的天然裂缝开度演化模型；
[0059]
s3.耦合求解二氧化碳压裂模型、天然裂缝开度演化模型，模拟二氧化碳压裂、焖井；
[0060]
s4.根据耦合求解得到的地层压力数据及渗透率数据计算蓄能指数。
[0061]
本发明的整体流程见图1。
[0062]
步骤s1中热-流-固-损伤耦合的二氧化碳压裂-焖井模型包括热流固方程、损伤准则、物性参数演化模型：
[0063]
1)热流固方程由固体变形方程、流体流动方程、传热方程三部分组成：
[0064]
固体变形方程：
[0065][0066]
式中：g为剪切模量，ui、uj均为位移分量，v为泊松比，α为biot系数，p为孔隙压力，k为体积模量，α
t
为岩石的热膨胀系数，t为温度，fi为体积力分量；
[0067]
流体流动方程：
[0068][0069]
式中：ks为有效体积模量，εv为体积应变，t为时间，φ为孔隙度，α
l
为流体的体积热膨胀系数，αs为岩石骨架的体积热膨胀系数，β
l
为流体的体积模量；k为储层的渗透率；μ为流体的粘度；
[0070]
传热方程：
[0071][0072]
式中：ρs为岩石骨架的密度，cs、c
l
分别为岩石骨架及流体的热容，λs、λ
l
分别为岩石骨架及流体的导热系数，q为热源；
[0073]
2)损伤准则由最大拉应力准则和摩尔-库伦准则组成：
[0074][0075]
式中：f1、f2分别为拉伸破坏和剪切破坏阈值函数，σ1、σ3分别为第一、第三主应力，f
t
、fc分别为岩石的抗拉强度、抗压强度，θ为岩石的内摩擦角；
[0076]
相应的损伤变量为：
[0077][0078]
式中：d为损伤变量，ε
t
、εc分别为弹性极限对应的拉伸应变、压缩应变，ε1、ε3分别为第一、第三主应变；
[0079]
3)物性参数演化模型用于计算损伤后的弹性模量、孔隙度、渗透率、导热系数：
[0080][0081]
式中：e0、e分别为损伤前后的弹性模量，φ0、φf分别为岩石的初始孔隙度及裂缝孔隙度，k0、kf分别为岩石的初始渗透率及裂缝渗透率，λ
s0
为损伤前岩石骨架的导热系数，β
λ
为影响系数。
[0082]
热-流-固-损伤耦合过程见图2。
[0083]
步骤s2中天然裂缝开度演化模型为：
[0084]bf
＝b
n-bs[0085]
式中：bf为天然裂缝的开度，bn、bs分别为天然裂缝法向位移及切向位移导致的法向开度；
[0086]
且天然裂缝的法向位移导致的法向开度为：
[0087]bn
＝br+(b
0-br)exp[-ξ(σ
n-p)]
[0088]
式中：br、b0分别为天然裂缝的法向残余开度及法向初始开度，ξ为应力-开度相关系数，σn为天然裂缝壁面的法向应力；
[0089]
且天然裂缝的切向位移导致的法向位移增量为：
[0090][0091]
式中：φd为剪胀角，us为切向位移，u
p
、ur分别为天然裂缝开始滑移及结束滑移时的切向位移。
[0092]
步骤s3中耦合求解方法为：
[0093]
固体变形方程、流体流动方程、传热方程分别用comsol软件中的固体力学模块、达西定律模块、系数型偏微分方程模块求解，天然裂缝的力学行为采用固体力学模块中的弹性薄层进行描述、流动特性采用达西定律模块中的裂隙流进行描述；岩石的损伤则采用matlab软件进行判断；且压裂阶段结束各物理量的终值为焖井阶段各物理量的初值。
[0094]
步骤s4中计算蓄能指数的方法为：
[0095][0096]
式中：ei为蓄能指数；n为求解域网格节点总数；p
i0
、pi分别为网格节点i压裂前及焖井后的孔隙压力；k
i0
、ki分别为网格节点i压裂前及焖井后的渗透率；ri为网格节点i距井眼中心的距离；rw为井眼半径。
[0097]
在一个具体的实施例中，目标储层为低渗的致密砂岩储层，储层埋深约为2000m，为补充地层能量、提高油井产量，开展二氧化碳蓄能压裂，部分关键的地层参数及施工参数见表1，确定焖井结束后的蓄能指数。
[0098]
表1地层参数及施工参数
[0099]
参数取值参数取值地层压力系数0.8储层厚度20m基质渗透率0.1md基质孔隙度0.05裂缝渗透率1d裂缝孔隙度1初始天然裂缝开度0.1mm残余天然裂缝开度0.01mm岩石弹性模量55gpa岩石泊松比0.25岩石抗拉强度15mpa岩石抗压强度210mpa内摩擦角30
°
岩石biot系数0.8热膨胀系数2
×
10-6
℃-1
岩石热容0.45w/(m
·
k)岩石导热系数200j/(kg
·
k)储层温度56℃二氧化碳注入温度20℃二氧化碳注入量200m3二氧化碳注入流量4m3/min焖井时间5d
[0100]
计算过程中物理模型的大小为200m
×
200m，注入井的坐标为(0,0)，求解域共被划分为28448个三角形单元，网格节点总数为14425，网格划分情况见图3。
[0101]
压裂阶段结束后，地层压力及渗透率云图分别见图4、图5，焖井阶段结束后的地层压力及渗透率云图分别见图6、图7。可知，焖井阶段渗透率基本不发生变化，而近裂缝区域的地层压力不断减小、远裂缝区域的地层压力不断增加，由于二氧化碳的不断膨胀，地层的平均压力不断增加，从而达到补充地层能量的效果。
[0102]
根据焖井结束后的地层压力、渗透率计算得到的无量纲的蓄能指数的大小为14.6。
[0103]
本发明能够实现对裂缝性致密储层二氧化碳压裂过程中的压裂-焖井一体化模拟，且考虑了热-流-固-损伤耦合及天然裂缝开度的变化，填补了相关领域空白；此外，本发明建立了综合考虑了距离、地层压力(地层能量)及渗透率的蓄能指数，用该指数来预测二氧化碳压裂蓄能效果，预测方法简单、结果可靠。
[0104]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质
对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。