一种缝洞体碳酸盐岩储层的重复压裂参数优化设计方法

本发明涉及油气田开发，特别涉及一种缝洞体碳酸盐岩储层的重复压裂参数优化设计方法。

背景技术：

1、在油气田开发技术中，缝洞型碳酸盐岩储层是一种特殊的碳酸盐岩油藏，这类油藏储集体种类多，孔隙介质复杂，如典型的溶洞，溶蚀孔洞，细小裂缝等，因此在压裂过程中缝洞型碳酸盐岩不同层位的产量差异巨大，给压裂设计的准确性造成了极大挑战。

2、重复压裂技术指的是对已有压裂井进行二次甚至三次改造，储层通过重复压裂后不仅可以促使初压后生产一定时期，逐渐发生闭合裂缝再次张开，进一步扩大原有的改造体积，也可以通过相关工艺方法形成新缝，并且令新缝转向至未开采的地层。但是，因为储层衰竭和压裂裂缝刚度变形条件下诱导应力场的改变，重复压裂时产生新缝的转向角度不容易控制，很多时候形成的转向裂缝并不理想，从而无法保证重复压裂裂缝和油气藏的接触面积进一步扩大，致使重复压裂效果受限。

3、水力压裂裂缝参数优化主要以数值模拟为主要技术手段，但是传统水力压裂裂缝参数优化方法存在效率低和计算精度差等问题。为此需要引入代理模型在不降低计算数值模拟精度的条件下，以较小的计算量替代数值模拟计算，从而减小计算成本。常用的代理模型建模方法有多项式响应面法、kriging法、径向基函数法等。二次多项式响应面模型由于具有良好的拟合精度和拟合效率而被广泛应用。然而，目前利用代理模型和多项式响应面方法进行重复压裂裂缝参数优化设计的研究较少。

4、粒子群优化算法是一种既简单又高效的搜索算法，也是目前压裂裂缝参数优化的主要方法；但是随着优化问题日益复杂，表现优异的多目标优化算法有待得到更深入的研究。然而，常规粒子群算法存在一些问题，如初始粒子都是随机生成的，虽然保持了种群的多样性，但是部分粒子的质量偏低，在一定程度上影响了种群的质量和寻优效率。 其次，在算法运行的过程中，粒子要不断地向个体极值和全局极值靠近，造成了所有粒子偏向同一个方向飞行，导致粒子趋向同一化，多样性逐渐消失，降低了算法后期的收敛速度和收敛精度。竞争粒子群算法作为基本粒子群算法的改进算法，与粒子群算法不同的是粒子不再只向个体最优和全局最优进行学习，而是通过竞争机制，失败粒子向获胜粒子进行学习。然而，目前利用竞争粒子群算法进行压裂裂缝参数优化设计的研究相对较少。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种缝洞体碳酸盐岩储层的重复压裂参数优化设计方法，有效的考虑到动态油藏参数、以及岩石力学参数和地应力参数的时间尺度效应，并通过设定净现值（npv）值作为约束条件，通过代理模型减少数值模拟的计算量，最后通过粒子群智能学习方法进行缝洞体碳酸盐岩压裂参数优化，得到缝洞体碳酸盐岩储层的最优参数。

2、本发明提到的一种缝洞体碳酸盐岩储层的重复压裂参数优化设计方法，其技术方案是：包括以下过程：

3、（一）基于体元的构造框架建模技术建立目标地层的构造格架，通过岩心描述、录井、测井和地震数据，并结合导眼井分层数据进行各小层的厚度标定，实现包含小层的区块三维碳酸盐岩地质建模；

4、（二）通过地震反演和测井解释成果，通过数值模拟方法为地质模型增加油藏关键属性，得到包含渗透率、孔隙度的三维油藏物性模型；

5、（三）基于随机建模方法进行缝洞体三维天然裂缝和缝洞体的不连续地质体进行模拟，得到三维不连续地质体模型；

6、（四）考虑岩相岩性的空间分布非均质性，通过相属性约束建立缝洞体碳酸盐岩储层三维岩石力学模型；进一步考虑缝洞体发育分布特征，构建局部强度弱化的三维碳酸盐岩储层岩石力学模型；

7、（五）开展缝洞体地应力场构建，通过收集的地破实验数据，测井计算的单井地应力纵向剖面数据，以及古地磁、波速各向异性、声发射和差应变的相关实验数据对构建的地应力场进行空间反演，得到三维应力场分布特征；

8、（六）通过构建的缝洞体碳酸盐储层属性模型、岩石力学模型、地应力模型开展压裂数值模拟，设置现场实际的水力压裂施工泵入程度，得到裂缝扩展形态，同时利用现场监测数据对缝洞体碳酸盐岩储层的初始裂缝形态进行反演校正；

9、（七）以初始裂缝形态和油藏属性作为输入参数，开展油藏数值模拟并通过现场收集数据完成历史拟合，得到不同开发时刻条件下的缝洞体碳酸盐岩储层压力场分布；

10、（八）将缝洞体储层压力场导入地质力学模拟器中进行四维应力场渗流-应力流固耦合数值模拟，进而得到不同开发时刻条件下的缝洞体碳酸盐岩储层应力场分布；

11、（九）对需要进行重复压裂的层位筛选；

12、（十）设置npv参数，以经济最优作为最终优化目标；通过kriging方法构建相关数值模拟的代理模型，然后通过设置不同的重复压裂施工泵入程序开展重复压裂裂缝扩展-流动一体化数值模拟；

13、（十一）以实时的剩余油分布特征为初始条件，并结合实时油藏参数进行暂堵重复压裂井产量数值模拟，以产量最优和裂缝之间不发生干扰和交错为目标进行压裂参数优化， 得到目的区块重复压裂的最优设计方案。

14、优选的，在步骤一中，完成缝洞体碳酸盐储层构造模型的构建，相关构造模型主要包括断层模型和层面模型的建立，具体建模方法：首先，使用特殊层位顶面大套层位建立初始的构造格架；其次，通过导眼井揭示的钻井分层，实现对缝洞型碳酸盐岩储层各小层厚度图的建立；第三步，通过建立虚拟井的方式为水平井段增加更多的构造控制点，进一步对水平井揭示的构造形态进行约束和精细修正；最后，岩心描述、录井、测井和地震数据，根据地质统计得到的小层厚度，完成各小层的层位构造模型建立，为下一步缝洞型碳酸盐岩储层属性模型的建立提供精细的构造网格格架。

15、优选的，在步骤二中，通过缝洞型碳酸盐岩储层地震反演和测井解释成果，通过数值模拟方法为地质模型增加油藏关键属性，在构建属性过程中，首先建立岩性模型，岩性模型的建立需要结合钻井结果以及区域上的岩性分布趋势，并根据碳酸盐岩岩性与阻抗反演体相关性分析，通过合适的变差函数再结合序贯指示模拟方法建立岩性模型，油藏关键属性，如孔隙度、渗透率和含油饱和度模型主要通过序贯高斯模拟随机算法进行数值模拟完成，其中渗透率场模型和含油饱和度模型需要意孔隙度模型作为第二变量协同进行数值模拟；相关具体步骤可以通过以下四步完成：首先，确定网格设计，通过地震面元确定网格横向尺寸，通过测井分辨率确定网格垂向尺寸；其次，对测井曲线进行粗化处理，将各井的测井曲线采样到井轨迹穿过的网格中，并利用该数据作为后续数值模拟的硬点数据；第三步，开展反演属性重采样，将反演属性体重采样到三维网格；第四步，井震结合应用进行属性建模，反演属性作为软数据控制属性的横向分布，测井数据作为硬数据，控制属性的垂向分布。

16、优选的，在步骤三中，基于随机建模方法进行缝洞体三维天然裂缝和缝洞体不连续地质体进行模拟，得到三维不连续地质体模型；构建缝洞体模型时，一方面需要考虑缝洞型碳酸盐岩地震的相关响应，一方面有效利用成像测井裂缝解释成果进行累计裂缝密度分析；通过岩心观察和成像测井数据得到天然裂缝的产状规律、发育密度、尺寸特征，而缝洞体刻画是通过地震属性进行描述，基于地震属性均方根、相干体分析，获得研究区内溶洞与裂缝的响应特征与空间分布规律，结合前期钻资料、破碎体物探识别数据，提取出研究区缝溶体分布形态；相关关键地震属性主要包括均方根、相干体数据；对于小尺度天然裂缝，综合区域断裂解释结果、蚂蚁体数据及岩心裂缝尺寸测量结果，采用分形理论的幂函数统计方法，量化裂缝尺寸分布规律。

17、优选的，步骤四的具体操作如下，岩石力学参数主要通过测井数据计算完成，计算岩石力学参数主要包括杨氏模量、泊松比、抗压强度；其中，杨氏模量、剪切模量及泊松比是描述岩石弹性形变的主要参数，统称它们为岩石的弹性参数；利用声波时差，包括纵波和横波，以及密度测井值计算动态弹性参数；利用测井数据计算杨氏模量的公式为：

18、（1）

19、泊松比的计算公式为：

20、（2）

21、利用泊松比和岩石模量可以得到剪切模量和体积模型参数，剪切模量表征应力与切向应变之比，计算公式为：

22、（3）

23、体积模量指流体压力和体积应变之比，计算公式为；

24、（4）

25、优选的，步骤五的具体操作如下，考虑缝洞体的存在，所以在三维岩石力学参数场的基础上，结合地应力分析测试资料，运用有限元方法模拟三维地应力场分布特征，同时运用断层局部应力修正技术对断层附近区域的应力值进行局部修正，同时对最大水平主应力方向进行偏转分析，遵循最大主应力呈垂直于断层走向偏转，最小主应力呈平行于断层走向偏转的相关标准；

26、          （5）

27、式中， σ h， σ h分别为最大和最小水平主应力，mpa；µ为岩石泊松比，无因次，e为岩石杨氏模量，mpa， β 1， β 2分别为最大和最小水平主应力方向的构造应力系数，无因次；α为比奥特系数，无因次； p p为地层孔隙压力，mpa；

28、水平地应力的范围通过孔隙压力与上覆岩层压力同时进行约束得到，即形成应力多边形；通常情况下，在地下任何位置的水平应力大小都小于应力多边形的边界值，这是由于地下断层与天然裂缝的存在，其产生的摩擦力对水平应力的大小起到了一定的控制作用；

29、根据应力多边形理论，走滑断层的最大主应力上限为：

30、（6）

31、最小水平主应力的下限为：

32、（7）

33、式中： s v为垂向应力，mpa； p p为孔隙压力，mpa； s h为最大水平有效应力，mpa； s h为最小水平有效应力，mpa； q f为内摩擦角计算的参数。

34、优选的，在步骤八中，将缝洞体储层压力场导入地质力学模拟器中进行四维应力场渗流-应力流固耦合数值模拟，运用不同有效应力条件下的渗透率和岩石力学参数方程对三维气藏模型和三维岩石力学模型进行更新；主要采用oda方法进行裂缝周围应变场和应力场更新；进而得到不同开发时刻条件下的缝洞体碳酸盐岩储层应力场分布；为了提升渗流-应力双场耦合数值模拟计算精度，并考虑计算负载的影响，采用交叉迭代耦合算法实现动态应力场的建模分析。

35、优选的，在步骤九中，对需要进行重复压裂的层位筛选，对于缝洞型碳酸盐岩储层，选择低产或关井、但不出水的井作为主要候选井。

36、优选的，在步骤十中，具体采用kriging方法构建代理模型的方案如下：首先确定压裂水平井一体化优化设计需要优化的参数x，建立目标函数；选择试验设计方法产生初始样本点；在进行设计时，可以采用蒙特卡洛采样或者拉丁超立方采样；调用原模型获得初始样本点的真实响应，带入变量x求取目标函数，将获得的初始样本点及其响应作为初始样本库，获得输入和输出的一一对应关系；通过上述方法获取的样本库构建单井代理模型a，通过选用kriging模型，再通过同样方法构建一个压裂参数代理模型b；通过将两个代理模型的输出作为综合模型c的输入，npv为输出；通过添加约束、敏感性分析方式考虑单井代理模型a、压裂参数代理模型b的协同关系来建立综合模型c。

37、优选的，步骤十一的具体实现方法为：计算代理模型精度：用决定系数 r 2来评估；精度满足，两个代理模型构建完成；增加采样点更新模型：粒子群全局优化过程步骤包括初始化粒子群：确定参数的范围和取值空间；随机生成初始粒子群，其中每个粒子表示一组参数的取值，并给每个粒子分配随机的速度；进行适应度评估：使用代理模型对每个粒子的参数组合进行预测，得到预测的目标函数值；代理模型利用先前的样本数据进行训练，学习了输入参数与目标函数值之间的关系，从而能够预测新的参数组合的目标函数值；记录个体历史最佳和全局最佳：对于每个粒子，记录其自身历史最佳适应度和相应的参数组合；在整个粒子群中，记录全局最佳适应度和相应的参数组合；寻优过程：根据粒子自身历史最佳和全局最佳信息，更新粒子的速度和位置；重复评估适应度和更新最佳位置的步骤；重复上述过程从最终的粒子群中选择具有最优适应度的个体作为优化结果。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

39、（1）与现有的缝洞型碳酸盐建模技术相比，本发明基于地质工程一体化思路，通过网格交互技术实现多参数同平台的属性交互，针对缝洞型碳酸盐岩进行地质建模、属性建模、岩石力学和地应力建模，极大的方便了缝洞型碳酸盐岩储层重复压裂基础参数的提取；

40、（2）与现有的缝洞型碳酸盐岩动态应力场建模技术相比，本发明通过渗流-应力场的双场耦合实现缝洞型碳酸盐岩动态应力场建模，并通过交叉迭代耦合算法实现双场耦合求解计算，同时考虑缝洞型碳酸盐岩特征采用硬点数据对局部应力进行修正，可以满足重复压裂裂缝扩展设计和产量计算的需要；

41、（3）与现有的重复压裂设计优化评价技术相比，本发明提出一种高效的基于代理模型和竞争粒子群算法的裂缝参数优化方法，通过代理模型可以降低模拟的计算工作量，而采用三竞争机制并且结合强凸稀疏算子的改进的竞争粒子群算法可以计算算法的收敛，通过结合经典的pso和竞争粒子群中的更新规则，三竞争机制竞争粒子群对经过三竞争机制后的所有粒子进行了更新，不仅保证了算法勘探和开发能力的平衡，同时提高了种群多样性，提升了种群的搜索效率，实现最优裂缝参数更快的获取，可为后续指导重复压裂设计提供重要技术支撑。