一种高效实现煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案的制作方法

本发明是关于一种石油工程领域煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案，主要包括射孔层位选择和射孔段长度选择，以保证煤层-顶部砂岩层的合压裂缝几何形态及导流能力最佳，同时该发明也适用于其他不同类型储层组合的合压射孔方案设计。

背景技术：

煤系地层是指含煤层的地层，主要包括煤层、致密砂岩层和页岩层。与之对应的煤系“三气”主要是指煤层气、致密砂岩气和页岩气。为实现煤系地层的“三气合采”，需对煤系地层进行多储层合压。理论研究和实践发现，合压射孔方案选择关系到煤系地层多储层合压的效果，甚至决定合压的成败。所以，本发明通过对煤系地层中的煤层及其顶部砂岩组合的力学建模和有限元数值模拟计算，进而确定一种高效实现煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高效实现煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案。该发明基于弹塑性力学、断裂力学和水力压裂等理论，通过力学建模和有限元数值模拟计算确定煤层-顶部砂岩层合压裂缝的几何形态及导流能力，并提出以“等效导流能力乘积”取得最大值为标准，进而确定一种高效实现煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案。

本发明的技术方案为：将煤层、顶部砂岩层视为弹塑性材料，将计算地层裂缝宽度剖面看作平面应变问题，裂缝扩展模型采用三维裂缝模型，裂缝扩展准则采用应力强度因子准则，根据捷尔霍夫第一、第二定律得到煤层-砂岩层合压过程中的各层压裂液流量、压力分配，压裂液滤失模型采用卡特模型，支撑剂沉降模型采用stokes模型。然后考虑煤层及顶部砂岩的地应力条件、岩石力学性质、流体滤失、压裂液注入条件等，建立力学模型并求解。

前述的煤层最小主应力比顶部砂岩层最小主应力低3mpa以上。

前述的煤层的压裂液滤失系数是顶部砂岩层压裂液滤失系数的5倍及以上。

前述的煤层厚度与顶部砂岩层厚度相当。

前述的射孔采用60°相位螺旋射孔，射孔孔径为9.65mm，射孔密度为16孔/m。

采用上述技术方案，本发明建立煤层-顶部砂岩层合压过程中的力学模型并进行有限元数值模拟求解，得到煤层-顶部砂岩层合压裂缝的几何形态参数及导流能力。为实现煤层-顶部砂岩层的高效合压，基于建立的合压力学模型和求解结果，提出：(1)煤层-顶部砂岩层合压时射孔层位不能为煤层(见图1)，只能选择为顶部砂岩层(见图2)。(2)应以“等效导流能力乘积”取得最大值为标准确定最优的合压射孔方案。其中，等效导流能力乘积＝合压裂缝支撑缝长×合压裂缝导流能力。

以“等效导流能力乘积”取得最大值为标准优选合压射孔方案的具体实施步骤为：设射孔段底端位置与煤层顶端位置的距离为x1，射孔段的长度为x2(见图2)，然后采用有限元数值计算求解不同的x1，x2下的“等效导流能力乘积”，并绘制“等效导流能力乘积”的曲面图(见图3)。该曲面上的最高点(即“等效导流能力乘积”取得最大值)所对应的x1，x2即为优选结果，并可得最佳射孔方案(见图2)。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1：射孔层位选择为煤层时的合压裂缝形态图

图2：射孔层位选择为顶部砂岩时的合压裂缝形态图

图3：等效导流能力乘积的曲面图

图4：lx区块某井等效导流能力乘积的曲面图

图5：lx区块某井最佳射孔方案下的合压裂缝形态图

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以lx区块某井为例说明本发明的具体实施方式，但不作为对本发明的任何限制。

1.根据测井资料可知，该地区本溪组煤层(2000.3～2006m)厚度为5.7m，顶部砂岩层(1995.3～2000.3m)厚度为5.0m。

2.根据测井资料和岩石力学室内实验可确定煤层及顶部砂岩层的地应力状态及岩石力学参数大小。煤层水平主应力分别为29.5mpa、30.6mpa，弹性模量3.37gpa，泊松比0.30，断裂韧性0.005mpa·m^1/2；顶部砂岩层水平主应力分别为32.7mpa、38.1mpa，弹性模量17.34gpa，泊松比0.26，断裂韧性0.5mpa·m^1/2。

3.煤层中的压裂液滤失系数为0.6cm/min^1/2，顶部砂岩的压裂液滤失系数为0.12cm/min^1/2。

4.建立合压过程中的力学模型并进行有限元数值求解，射孔层位选择为顶部砂岩层。计算结果表明，当射孔段底端位置与煤层顶端位置的距离x1为1.7m，射孔段的长度x2为2.8m，即射孔位置为1995.8～1998.6m时，合压裂缝纵向剖面上改造均匀，此时等效导流能力乘积(84.66d·m²)＝合压裂缝支撑缝长(160.9m)×导流能力(526.16md·m)取得最大值(见图4)。所以该射孔方案(射顶部砂岩层，1995.8～1998.6m)为最佳射孔方案(见图5)。

技术特征：

技术总结
本发明的目的是提供一种石油工程领域高效实现煤层及煤层顶部砂岩合压的射孔方案。在对煤系地层进行多储层合压中发现，合压射孔方案选择关系到煤系地层合压的效果，甚至决定合压的成败。为此，本发明基于弹塑性力学、断裂力学和水力压裂等理论，通过力学建模和有限元数值计算确定煤层‑顶部砂岩层合压裂缝的几何形态及导流能力，进而确定一种高效实现煤层‑顶部砂岩合压的射孔方案。提出煤层‑顶部砂岩层合压时射孔层位不能为煤层，只能选择为顶部砂岩层及应以“等效导流能力乘积”(等效导流能力乘积＝合压裂缝支撑缝长×导流能力)取得最大值为标准优选高效实现煤层‑顶部砂岩合压的射孔方案。

技术研发人员：赵海峰;王小华
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：2017.04.05
技术公布日：2017.07.14