一种页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法与流程

本发明涉及页岩气开发技术领域，具体的涉及一种页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法。

背景技术：

水力压裂施工压力曲线诊断是压裂工艺技术理论的一个重要环节。施工压力是裂缝动态扩展力学行为的外在表现，而裂缝动态扩展与储层岩石力学性质、压裂流体性质、地应力分布、天然裂缝发育状况等地层特性紧密相关。因此，通过施工压力曲线分析，可以识别水力裂缝延伸行为，判断地层特性，为压裂优化设计和现场施工参数调整提供依据和指导。

目前，国内外学者研究主要围绕常规压裂开展了施工压力曲线特征研究。1981年，nolte和smith将压力双对数曲线归纳为四种典型情况：ⅰ、斜率约为1/4的阶段：表示裂缝在长度方向延伸，这是正常的施工曲线；ⅱ、斜率约为0的阶段：表示地层内天然微裂隙张开，使得滤失量与注入量持平，另外还可能是压力超过上覆地层应力，形成t型缝；ⅲ、斜率约为1的阶段：表示裂缝延伸受阻，缝内压力急剧上升；如果斜率大于1则表示裂缝内发生了堵塞，这种情况下应合理控制施工砂比和施工排量，以保证施工顺利进行，而对于端部脱砂压裂施工，则希望支撑剂在一定缝长时形成砂堵，然后通过控制排量和砂比，使裂缝完全填满；对于常规的加砂压裂，出现斜率为1或大于1时，应立即采取措施，以免井筒内发生砂卡；ⅳ、斜率为负的阶段：表示裂缝穿过低应力层，裂缝发生不稳定增长，也可能是沟通了天然裂缝，使滤失量大大增加，此结果会导致裂缝内砂堵，压力又将很快上升。随后，杨悦(2012)、曲冠政(2013)等国内学者将压力双对数曲线进一步细分为六大类型，并对施工早期压力下降进行了解释。martinez(1993)、fan(1995)、曹学军(2002)、刘先灵(2003)、王正茂(2004)等学者基于常规压裂施工压力曲线特征研究成果，通过建立裂缝延伸反演模型，提出了多种常规压裂施工压力曲线分析方法。此外，王腾飞(2009)、张喆(2014)等学者分别借助分形几何、神经网络等理论，对常规压裂施工压力曲线分析方法进行了改进。

近年来，国内外页岩气开发规模迅速扩大。然而，对于具有低孔、超低渗特征的页岩气藏，常规压裂已无法满足其商业化开发的需求，需采用水平井分段分簇缝网压裂方式进行增产改造。由于页岩储层非均质性较强、天然裂缝、层理缝等力学结构弱面较为发育、压裂液滤失量较大等特点，水力裂缝通常以非均匀、非连续性的形式进行延伸扩展形成裂缝网络，导致页岩压裂过程中的压力曲线与常规压裂的单一特征曲线不同，而往往呈现出复杂的多阶段、多变化特征，因此常规的压力曲线诊断方法并不适用于页岩气缝网压裂。但是，目前国内外尚未针对页岩气缝网压裂提出系统的施工压力曲线诊断方法。

因此，亟需建立一种适用于页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法，将有助于提高页岩气缝网压裂设计的科学性和现场施工参数调整的针对性，进一步挖掘页岩气藏增产潜力。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法，目的在于，解决页岩气缝网压裂施工压力曲线特征复杂多变，缺乏针对性的压力曲线自动诊断方法的问题。

本发明采用下述的技术方案：

一种页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法，包括以下步骤：

s1、运用流体动力学理论建立页岩气缝网压裂井底净压力折算模型；

s2、运用数值分析理论建立井底净压力动态拟合模型；

s3、运用裂缝延伸理论建立裂缝延伸模式识别模型；

s4、结合步骤s1、s2、s3，通过数值计算流程实现对页岩气缝网压裂施工压力曲线进行自动诊断。

优选的，所述步骤s1中建立页岩气缝网压裂井底净压力折算模型包括以下步骤：

a、收集以下数据，包括：井身结构、井筒参数、射孔参数、压裂施工参数、压裂液参数、支撑剂参数、地应力条件数据、天然裂缝参数、层理缝参数；

b、利用步骤a中的数据，计算井筒内液体流动压降、射孔孔眼压降、携砂液柱静压力、井底净压力，并绘制井底净压力曲线。

优选的，所述井身结构包括井筒长度、井筒垂直深度，井筒参数包括井筒直径、井筒管壁绝对粗糙度，射孔参数包括孔眼数量、孔眼直径、孔眼流量系数，压裂施工参数包括井口压力、泵注排量、支撑剂比例，压裂液参数包括粘度、密度，支撑剂参数为支撑剂密度，地应力条件包括最小水平主应力、最大水平主应力、垂向应力、储层与上下隔层应力差，天然裂缝参数包括逼近角、倾角、内聚力、摩擦系数、抗张强度，层理缝参数为抗张强度。

优选的，所述井筒内液体流动压降计算公式如下：

式中：δpwf—井筒内液体流动压降，pa；λ—水力摩阻系数，无量纲；l—井筒长度，m；d—井筒直径，m；v—压裂液流速，m/s；—压裂液密度，kg/m³；

所述压裂液流速v为：

式中：q—压裂液流量，即泵注排量，m³/s；

所述水力摩阻系数(λ)的取值与管流的流动状态有关；

①当re<2000时，流动状态为层流，水力摩阻系数为：

λ＝64/re(3)

②当2000<re<59.7/ε^8/7时，流动状态为水力光滑紊流，水力摩阻系数为：

λ＝0.3164/re^0.25(4)

③当59.7/ε^8/7<re<(665-765lgε)/ε时，流动状态为混合摩擦紊流，水力摩阻系数为：

④当re>(665-765lgε)/ε时，流动状态为粗糙紊流，水力摩阻系数为：

λ＝1/[2lg(3.7d/r)]²(6)

式中：re—雷诺数，无量纲；ε—井筒管壁相对粗糙度，m；r—井筒管壁绝对粗糙度，m；

所述管壁相对粗糙度(ε)和雷诺数(re)分别为：

ε＝2r/d(7)

式中：μ—压裂液粘度，pa·s；

所述射孔孔眼压降，计算公式如下：

式中：npf—射孔孔眼数量，个；dpf—射孔孔眼直径，m；α—孔眼流量系数，一般取0.8～0.85，无量纲；

井筒所述内携砂液柱静压力计算公式如下：

pwh＝[(1-vp)ρl+vpρp]gz(10)

式中：pwh—井筒内携砂液柱静压力，pa；vp—支撑剂比例，％；ρp—支撑剂密度，kg/m³；g—重力加速度，m/s²；z—井筒垂直深度，m；

由于井筒直径和携砂液密度随井筒深度变化而变化，因此井筒内携砂液柱静压力(pwh)和井筒内液体流动压降(δpwf)需要分别取井筒垂直深度和长度微元计算并积分求得；所述井底净压力计算公式如下：

式中：p—井底净压力，pa；ph—井口压力，pa；σhmin—地层最小水平主应力，pa。

优选的，所述步骤s2中建立井底净压力动态拟合模型包括以下步骤：

a、建立井底净压力数据序列p1,p2,p3,…,…,pn以及相对应的时间数据序列t1,t2,t3,…,tn，并依次提取数据序列进行计算；

b、将净压力数据序列和时间数据序列中的当前数据分别设为参考压力数据和参考时间数据，即把参考序号r赋值为当前序号；

c、取下一个净压力和时间数据为当前数据，设当前序号为i；

d、计算出当前净压力指数拟合值和斜率拟合值，当前净压力指数平均值和斜率平均值，当前净压力拟合相对误差值；

e、若当前净压力拟合相对误差值>10％，则返回步骤b，将当前净压力和时间设为参考净压力和时间，即把参考序号r重新赋值为当前序号i；若当前净压力拟合相对误差值≤10％，则返回步骤c，继续进行下一个数据的计算；

f、当所有数据计算完毕时，即i＝n时，绘制净压力指数平均值曲线。

优选的，所述净压力指数拟合值的计算公式如下：

式中：n—净压力指数拟合值，无量纲；p—井底净压力，pa；t—时间，s；下标：i—当前净压力和当前时间数据序号，无量纲；r—参考净压力和参考时间数据序号，无量纲；

所述净压力斜率拟合值的计算公式如下：

式中：k—净压力斜率拟合值，pa/(s)^e；

所述净压力指数平均值的计算公式如下：

式中：—净压力指数平均值，无量纲；

所述净压力斜率平均值的计算公式如下：

式中：—净压力斜率平均值，pa/(s)ⁿ；

所述净压力拟合相对误差值的计算公式如下：

式中：χ—净压力拟合相对误差值，无量纲。

优选的，所述步骤s3中，页岩气缝网压裂过程中水力裂缝延伸模式包括：缝网延伸模式、延伸受阻模式、正常延伸模式、层理缝延伸模式、缝高方向延伸模式、快速滤失模式，各类模式对应着不同的压力曲线特征识别方程，建立裂缝延伸模式识别模型包括以下步骤：

ⅰ、利用井底净压力与净压力指数平均值数据序列，依次判断是否为缝网延伸模式、延伸受阻模式、正常延伸模式、层理缝延伸模式、缝高延伸模式、快速滤失模式，若数据满足其中一个模式，则继续判断下一个数据点；

ⅱ、当所有数据点处理完毕后，停止计算，输出裂缝延伸模式识别曲线。

优选的，所述缝网延伸模式的识别方程如下：

其中：

式中：σv—地层垂向应力，pa；σhmax—地层最大水平主应力，pa；θnf—地层天然裂缝逼近角，°；—地层天然裂缝倾角，°；stnf—地层天然裂缝抗张强度，pa；τo—地层天然裂缝内聚力，pa；knf—地层天然裂缝摩擦系数，无量纲；σnf—地层天然裂缝壁面所受法向应力值，pa；στ—地层天然裂缝壁面所受切向应力值，pa；δs—储层与上下隔层应力差，pa；

所述延伸受阻模式的识别方程如下：

所述正常延伸模式的识别方程如下：

所述层理缝延伸模式的识别方程如下：

式中：stnf—层理缝抗张强度，pa；

所述缝高方向延伸模式的识别方程如下：

所述快速滤失模式的识别方程如下：

优选的，所述步骤s4的数值计算流程包括以下步骤：

s901、参数输入：井身结构参数、井筒参数、射孔参数、压裂施工参数、压裂液参数、支撑剂参数、地应力条件、天然裂缝参数、层理缝参数；

s902、计算井筒内液体流动压降、射孔孔眼压降、携砂液柱静压力；将压裂施工井口压力折算为井底净压力；

s903、建立井底净压力数据与时间数据序列；对井底净压力进行动态拟合，并计算净压力指数平均值；

s904、基于井底净压力和净压力指数平均值，自动识别各段对应的裂缝延伸模式；

s905、数据输出：井底净压力值、净压力指数平均值、裂缝延伸模式；

s906、图像绘制：井底净压力曲线、净压力指数平均值曲线、裂缝延伸模式识别曲线，以及施工压力曲线诊断图。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，该方法专门针对页岩气藏储层特征，结合页岩气缝网压裂工艺特点，建立了页岩气缝网压裂井底净压力折算模型、井底净压力动态拟合模型、裂缝延伸模式识别模型，从而提出了一种适用于页岩气缝网压裂的施工压力曲线自动诊断方法。

由于该方法综合系统地考虑了页岩气缝网压裂过程中常见的六种裂缝延伸模式对施工压力的影响，为此，可对页岩气缝网压裂施工压力曲线进行自动、快速、准确的诊断分析，解决了页岩气缝网压裂施工压力曲线特征复杂多变，缺乏针对性的压力曲线自动诊断方法的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明页岩气缝网压裂现场施工曲线图；

图2为本发明方法的计算流程框图；

图3为本发明井底净压力曲线；

图4为本发明井底净压力指数平均值曲线；

图5为本发明裂缝延伸模式识别曲线；

图6为本发明施工压力曲线诊断图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图6所示，一种页岩气缝网压裂施工压力曲线自动诊断方法，包括以下步骤：

已知某一页岩气藏地质工程矿场实际参数如表1所示：

表1页岩气藏地质工程矿场实际参数

该页岩气藏内某水平井缝网压裂现场施工曲线如图1所示，井身结构参数如表2所示。

表2井身结构参数

根据本发明方法的计算流程(如图2所示)开展实例计算：

s1、运用流体动力学理论建立页岩气缝网压裂井底净压力折算模型，用于将压裂施工井口压力曲线折算为井底净压力曲线。

具体步骤为：

①利用计算公式(1)～(8)计算井筒内液体流动压降；

②利用公式(9)计算射孔孔眼压降；

③利用公式(10)计算携砂液柱静压力；

④利用公式(11)折算井底净压力，并绘制井底净压力曲线。

基于页岩气缝网压裂井底净压力折算模型，折算得到井底净压力曲线如图3所示。

s2、运用数值分析理论建立井底净压力动态拟合模型，用于计算井底净压力指数平均值，为下一步裂缝延伸模式识别提供依据。

具体步骤为：

a、建立井底净压力数据序列p1,p2,p3,…,…,pn以及相对应的时间数据序列t1,t2,t3,…,tn，并依次提取数据序列进行计算；

b、将净压力数据序列和时间数据序列中的当前数据分别设为参考压力数据和参考时间数据，即把参考序号r赋值为当前序号；

c、取下一个净压力和时间数据为当前数据，设当前序号为i；

d、计算出当前净压力指数拟合值和斜率拟合值，当前净压力指数平均值和斜率平均值，当前净压力拟合相对误差值；

e、若当前净压力拟合相对误差值>10％，则返回步骤b，将当前净压力和时间设为参考净压力和时间，即把参考序号r重新赋值为当前序号i；若当前净压力拟合相对误差值≤10％，则返回步骤c，继续进行下一个数据的计算；

f、当所有数据计算完毕时，即i＝n时，绘制净压力指数平均值曲线。基于井底净压力动态拟合模型，计算得到井底净压力指数平均值曲线如图4所示。

s3、运用裂缝延伸理论建立裂缝延伸模式识别模型，用于根据井底净压力与净压力指数平均值识别裂缝延伸模式。

具体步骤为：

①依次处理井底净压力与净压力指数平均值数据序列；

②判断是否满足方程式(17)～(18)，若满足，则识别为缝网延伸模式，并继续判断下一个数据点；

③判断是否满足方程式(19)，若满足，则识别为延伸受阻模式，并继续判断下一个数据点；

④判断是否满足方程式(20)，若满足，则识别为正常延伸模式，并继续判断下一个数据点；

⑤判断是否满足方程式(21)，若满足，则识别为层理缝延伸模式，并继续判断下一个数据点；

⑥判断是否满足方程式(22)，若满足，则识别为缝高延伸模式，并继续判断下一个数据点；

⑦判断是否满足方程式(23)，若满足，则识别为快速滤失模式，并继续判断下一个数据点；

⑧当所有数据点处理完毕后，停止计算，输出裂缝延伸模式识别曲线。

基于裂缝延伸模式识别模型，判断页岩缝网压裂过程中不同阶段的裂缝延伸模式见表3，裂缝延伸模式识别曲线如图5所示。

表3裂缝延伸模式表

s4、结合步骤s1、s2、s3，通过数值计算流程实现对页岩气缝网压裂施工压力曲线进行自动诊断。

基于上述计算流程和结果，绘制施工压力曲线诊断图，如图6所示。可以看出，该页岩气藏水平井压裂施工过程中，裂缝延伸模式依次为缝高方向延伸→快速滤失→正常延伸→延伸受阻→缝网延伸→层理缝延伸→缝高方向延伸→快速滤失。其中，有利于压裂缝网形成的阶段(缝网延伸与层理缝延伸)总时长为43min，占总压裂施工时长的34.13％。

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作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。