本发明涉及石油工程领域水力压裂过程中一种针对多隔夹层油气藏水力压裂的支撑剂精准置放方法。
背景技术：
水力压裂技术是油气藏增产改造的重要措施。水力压裂是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将压裂液(前置液)泵入地层来产生裂缝，然后继续注入带有支撑剂(砂粒)的压裂液(携砂液)，使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂，当压裂液返排后，留在裂缝中的支撑剂起到阻止裂缝完全闭合的作用，使裂缝在闭合压力作用下保持一定的开启程度，在地层中形成具有一定长度、允许流体流动的填砂裂缝，从而达到油气井增产或注水井增注的目的。
水力压裂的关键在于形成具有一定导流能力的填砂裂缝，压裂液返排后，在地层闭合压力作用下，只有被支撑剂填充的裂缝才能保持一定的开启程度，具有更好的导流能力。因此，有必要根据支撑剂沉降特性优化设计压裂过程中相关施工参数，将支撑剂准确输送至各个压裂改造小层，以达到改善油气流动条件和油气井增产的目的。
目前，国内外优化水力压裂施工参数的设计方法有很多，但针对于含有多个隔夹层的压裂改造段，从支撑剂沉降特性的角度优化设计水力压裂施工参数的理论研究还很少，不能满足当前现场压裂施工的设计要求，压裂施工过程可操作性差，不能准确地将支撑剂输送至目的层，支撑剂的铺置效率低，对油气藏增产改造效果差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种针对多隔夹层油气藏水力压裂的支撑剂精准置放的参数设计方法，依据设计的参数，能够将支撑剂全部铺置在目的产层，并使之在裂缝闭合后在产层纵向上均匀铺置，该方法原理可靠，现场操作性较强，具有广阔的市场前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明针对含有多个隔夹层(砂泥互层)的压裂改造段，首先根据测井资料获取压裂层段地质参数和物性参数，在此基础上将压裂层段划分为不同的压裂改造小层。然后，通过裂缝闭合时间优化射孔位置，结合现场实践确定不同压裂改造小层的支撑剂密度；通过计算受携砂浓度与裂缝壁面效应影响的支撑剂沉降速度，设计不同压裂改造小层压裂液视粘度。最后，根据不同压裂改造小层的厚度计算不同阶段携砂液的泵送时间。
本发明通过设计相关压裂参数，将支撑剂精准置放于不同的压裂改造小层，提高支撑剂铺置效率。
一种针对多隔夹层油气藏水力压裂的支撑剂精准置放方法，依次包括以下步骤：
(1)根据某单井测井解释得到的储层地质参数和物性参数，将隔夹层(泥岩层)厚度小于1.5m的相邻产层视为同一压裂改造小层，从而把单井压裂层段划分为n个压裂改造小层，从压裂改造层段底部向上依次记为第1层、第2层、…、第n层。
(2)设计顶部第n层的压裂参数，过程如下：
①根据压裂层段的地层裂缝闭合压力p与地层温度t，结合工程实践，确定第n层支撑剂密度ρpn与压裂液视粘度μn：
当p≤50mpa时，ρpn＝1500kg/m3；
当50mpa＜p＜70mpa时，ρpn＝1700kg/m3；
当p≥70mpa时，ρpn＝1830kg/m3。
式中p一地层裂缝闭合压力，mpa。
当t≤90℃时，μn＝0.1pa·s；
当90℃＜t＜120℃时，μn＝0.15pa·s；
当t≥120℃时，μn＝0.2pa·s。
式中t一压裂层段地层温度，℃。
②通过第n层顶部支撑剂在第n段压裂液中的沉降速度
由于本发明涉及的雷诺数rep小于1，考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，因此可通过如下公式计算第n层顶部支撑剂在第n段压裂液中的沉降速度
式中fc一浓度校正系数，其表达式为：fc＝cf5.5；
fw一裂缝壁面校正系数，其表达式为：
μn一第n层压裂液视粘度，pa·s；
ρpn一第n层支撑剂密度，kg/m3；
ρf一压裂液净液密度，kg/m3；
dp一支撑剂颗粒直径，m；
cf一支撑剂与压裂液混合物中液体所占体积分数；
w一裂缝宽度，m；
g一重力加速度，9.8m/s2；
计算第n层顶部支撑剂在裂缝中的沉降高度
式中tc一停泵后裂缝闭合时间，s；
υf一携砂液在裂缝中垂直向下的运移速度，m/s。
③根据第n层底部支撑剂在第(n-1)段压裂液中的沉降速度
通过下式计算第n层底部支撑剂在第(n-1)段压裂液中的沉降速度
式中μn-1一第(n-1)层压裂液的视粘度，pa·s。
根据第n层压裂改造小层厚度hn，通过下式计算第n层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
式中hn一第n层压裂改造小层的厚度，m。
根据第n层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
从而得到：
式中tc一停泵后裂缝闭合时间，s；
υf一携砂液在裂缝中垂直向下的运移速度，m/s。
(3)设计第(n-1)层的压裂参数，过程如下：
①根据现场施工实践，确定第(n-1)层支撑剂密度ρp(n-1)：
ρp(n-1)＝ρpn+250(7)
式中ρpn一第n层支撑剂密度，kg/m3。
②考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，确定第(n-1)段压裂液视粘度μn-1：
根据第n层与第(n-1)层之间的隔夹层厚度
式中
根据第n层携砂液的泵送时间tn、停泵后裂缝闭合时间tc，通过下式计算第(n-1)层顶部支撑剂在第(n-1)段压裂液中的沉降速度为
从而得到：
考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，与公式(1)同理，可根据下式确定第(n-1)段压裂液视粘度μn-1：
③根据第(n-1)层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
根据第(n-1)层压裂改造小层的厚度hn-1，计算第(n-1)层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
式中hn-1一第(n-1)层压裂改造小层的厚度，m。
考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，通过下式计算第(n-1)层底部支撑剂在第(n-2)段压裂液中的沉降速度为
式中μn-2一第(n-2)段压裂液的视粘度，pa·s。
根据第(n-1)层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
变形得到：
(4)重复步骤(3)，最终确定第(n-2)层、第(n-3)层、…、第1层的支撑剂密度、压裂液视粘度以及泵注时间的计算公式。
(5)联立上述方程(1)、(2)、…、(15)，解出射孔位置以及全部压裂改造小层的压裂参数(支撑剂密度、压裂液视粘度、泵注时间)。
本发明中，所述步骤(1)把单井压裂层段划分为n个压裂改造小层，n≥2。
本发明中，所述步骤(4)当计算第1层底部支撑剂在前置液中的沉降速度为
与常规压裂设计方法相比，本发明的有益效果是：通过裂缝闭合时间优化射孔位置；结合现场实践确定不同压裂改造小层的支撑剂密度；计算受携砂浓度与裂缝壁面效应影响的支撑剂沉降速度，确定不同压裂改造小层的压裂液视粘度；根据不同压裂改造小层的厚度计算不同阶段携砂液的泵送时间，从而将支撑剂精准输送至各个压裂改造小层，有效提高支撑剂的铺置效率，改善增产改造效果。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明各步骤进行详细说明。
以某油田单井w为例，设计水力压裂层段埋深为4309.4～4323m，含有较多隔夹层，该段平均地层温度为140℃，地层裂缝闭合压力为48mpa。根据前期数值软件模拟结果显示，压裂液密度为1200kg/m3，前置液视粘度为0.04pa·s，支撑剂颗粒直径为0.0006m，砂比为20％(即支撑剂与压裂液混合物中液体所占体积分数为86％)，停泵后裂缝闭合时间为3000s，携砂液在裂缝中垂直向下的运移速度为0.002m/s，在此条件下造出平均宽度为0.004m的裂缝，据此优化设计相关压裂参数，提高支撑剂铺置效率，改善增产改造效果。
一种针对多隔夹层油气藏水力压裂的支撑剂精准置放方法，依次包括以下步骤：
(1)根据单井w测井解释曲线，将隔层厚度小于1.5m的相邻产层视为同一压裂改造小层，从而把单井w压裂层段划分为2个压裂改造小层，从改造层段底部向上依次记为第1层(4317～4323)、第2层(4309.4～4315)。
(2)第2层的压裂参数设计如下：
①由于地层裂缝闭合压力为48mpa，设计第2层支撑剂密度ρp2为1500kg/m3；平均地层温度为140℃，设计第2层压裂液视粘度μ2为0.2pa·s。
②考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，计算得到：fc＝0.437；fw＝0.903，得到第2层顶部支撑剂在第2段压裂液中沉降速度：
根据停泵后裂缝闭合时间tc，计算第2层顶部支撑剂在裂缝中的沉降高度
③同理，考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，第2层底部支撑剂在第1段压裂液中的沉降速度
根据第2层压裂改造小层厚度h2为5.6m，计算第2层底部支撑剂在裂缝中的沉降高度
根据第2层底部支撑剂在第1段压裂液中的沉降速度
(3)第1层的压裂参数设计如下：
①根据现场施工实践，得到第1层支撑剂密度ρp1为1750kg/m3。
②根据第2层与第1层之间的隔层厚度，计算第1层顶部支撑剂在裂缝中的沉降高度
根据第2层携砂液的泵送时间t2和停泵后裂缝闭合时间tc，计算第1层顶部支撑剂在第1段压裂液中的沉降速度为
考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，确定第1段压裂液视粘度μ1，表达式如下：
③根据第1层压裂改造小层的厚度h1为6m，得到第1层底部支撑剂的沉降高度
考虑携砂浓度和裂缝壁面效应的影响，通过下式计算第1层底部支撑剂在前置液中的沉降速度为
式中μ0一前置液视粘度，pa·s。
根据第1层底部支撑剂的沉降高度
(4)联立上述方程，解出所有参数，设计的压裂参数如下：