二氧化碳驱压裂数模一体化方法与流程

本发明涉及水力压裂及二氧化碳驱油模拟，特别是涉及到一种二氧化碳驱压裂数模一体化方法。

背景技术：

1、我国已探明低渗透地质储量逾140亿吨。低渗透油藏水驱动用困难，已开发低滲油田水驱开均采收率仅20％左右，低渗透油藏水驱开发存在注入性差、开采效果较差等问题。目前，低渗透油藏可采储量采出程度过半，亟需开发接替技术。

2、低渗透油气资源往往需要水力压裂后才具有较好的采收效果。水力压裂后可以提高油井的控油半径，而且注水井在高速注水压裂后还能补充地层能量，对于提高原油产量大有益处。

3、与此同时，低渗透油藏二氧化碳驱油技术也引起了广泛关注，被应用于国内外实际油田的开采中，取得了很好的效果。二氧化碳是一种优越的驱油剂，注二氧化碳驱油已被证实是一种有效的提高采收率的方法，二氧化碳拥有粘度低、易注入的特点，而且注入地层和原油接触后能够使原油体积膨胀，降低原油粘度，并抽提轻质组分，降低油水界面张力，改善流度比等，可以有效提高原油采收率。二氧化碳与原油混相后，能消除界面张力，大幅提高采收率。二氧化碳捕集驱油与埋存及提高采收率技术(ccs-eor)，通过二氧化碳捕集，注入地层驱油，回收再利用等技术，将二氧化碳永久封存于地下，可以有效降低温室气体的含量，实现增加原油产量与埋存的“双赢”，是目前最现实的碳减排和利用途径。开展二氧化碳驱油技术应用则是大型石油企业开展碳减排工作、践行国家绿色低碳发展理念的重要抓手。所以，发展二氧化碳驱技术契合国家低碳发展战略。

4、因此，水力压裂和二氧化碳驱油技术的结合，是一种低渗、致密油藏开采的有效技术。但是，目前该技术的数值模拟存在困难。

5、二氧化碳数值模拟技术经过发展已经能较好的模拟二氧化碳驱油过程，但是在模拟压裂油藏中二氧化碳驱油过程时，由于裂缝开度较小，采用常规离散裂缝模型表征裂缝会导致网格剖分复杂、计算量大，且难以与水力压裂技术结合。因此目前二氧化碳驱中压裂裂缝的表征尚存在较大的改进空间。模拟水力压裂过程也是比较复杂的，需要考虑岩石力学变形、流体在压裂裂缝中的流动、断裂扩展准则、水力裂缝与天然裂缝的相互作用等方面。国内外专家也在此方面做了大量研究，包括岩石力学变形的弹性理论，裂缝中流体的滤失理论以及断裂扩展模型。在此基础上，近年来发展了一些模型模拟压裂裂缝的形成。

6、但是，目前两种技术是分开、割裂的。在水力压裂模拟结束后，需要将裂缝扩展信息收集，然后重新建模，在进行二氧化碳驱油数值模拟。一方面，导致了较大的工作量，另一方面，两种工作的割裂会导致计算时出现误差。

7、在申请号：cn202010733943.0的中国专利申请中，涉及到一种陆相致密油藏强化体积改造缝网压裂的方法，该陆相致密油藏强化体积改造缝网压裂的方法包括：步骤1、建立含单压裂段的致密油藏全三维水平井压裂地质力学模型，进行水平井密切割优化设计强化改造；步骤2、进行油藏增能渗吸强化改造；步骤3、建立致密油藏区块全三维水平井压裂地质力学模型，进行体积缝网压裂强化改造；步骤4、进行主裂缝簇式支撑高导流压裂强化改造。该陆相致密油藏强化体积改造缝网压裂的方法在体积压裂技术的基础上发展了强化体积改造缝网压裂技术，即在压裂工艺的各个环节充分考虑提高油藏初始产量和最终采收率的工艺手段，实现有效储层改造体积最大化。

8、在申请号：cn201611093557.x的中国专利申请中，涉及到一种提高co2封存量和原油采收率的方法，包括：根据长细管驱油实验得到压力水平与驱油效率关系曲线；利用co2驱油与封存靶区盖层和断层稳定性评价方法，确定靶区压力安全界限；利用油藏数值模拟方法，优选合理的压力保持水平；根据储层参数、生产参数和工艺方法，实现co2纵向均衡驱替；根据靶区储层非均质性和剩余储量丰度分布情况，采用变井网井距、差异储层改造，实现co2平面均衡驱替；通过对注入方式、注入速度、注采调控和泡沫调堵这些方式优选，调整注采流线。该发明为提高co2封存量和原油采收率提供了可行方法，在节能减排和co2资源化利用、提高原油采收率方面有很大应用前景。

9、在申请号：cn202010853616.9的中国专利申请中，涉及到一种页岩油藏开发方案的优选方法，包括以下步骤：根据目标油藏的地质模型，选择甜点区建立开发机理模型；根据所述开发机理模型，设计多种提高采收率的开发方式，将各种开发方式进行组合，形成多套整体开发方案，并通过数值模拟对各套整体开发方案进行采收率指标预测；预测未来多年国际油价，根据所述油价与所述采收率计算各套整体开发方案的累计净现值，选择累计净现值最大的整体开发方案作为所述目标油藏的优选开发方案。本发明优选的开发方案其经济效益更高，能够降低页岩油气开发的经济损失风险。

10、以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的二氧化碳驱压裂数模一体化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种避免了水力压裂与二氧化碳驱分开建模的问题，能够高效、准确地进行二氧化碳驱油数值模拟的二氧化碳驱压裂数模一体化方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：二氧化碳驱压裂数模一体化方法，该二氧化碳驱压裂数模一体化方法包括：

3、步骤1，根据油藏实际情况建立地质模型并进行网格剖分；

4、步骤2，进行水力裂缝扩展数值模拟，捕捉裂缝扩展轨迹；

5、步骤3，根据裂缝扩展轨迹及天然裂缝分布建立嵌入式离散裂缝模型；

6、步骤4，耦合嵌入式离散裂缝模型和组分模型，得到压裂油藏二氧化碳驱油模型并进行数值模拟。

7、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

8、在步骤1中，根据油藏的实际情况，收集油藏地质资料，建立油藏模型；根据模拟需要划分网格系统，计算网格系统的几何信息。

9、在步骤1中，收集的油藏地质资料包括天然裂缝分布、油藏几何形态、渗透率、孔隙度以及流体资料。

10、在步骤1中，计算的网格系统的几何信息，包括网格体积、网格与天然裂缝的相交信息。

11、在步骤2中，水力裂缝扩展模拟需要考虑三个要素：流体在裂缝内的流动模拟、明确裂缝扩展准则以及岩体在流体压力和地应力的共同作用下变形；综合三个要素，采用扩展有限元法模拟裂缝扩展，获得裂缝扩展的动态数据，并捕捉裂缝轨迹信息。

12、在步骤2中，流体在裂缝内的流动模拟时，由于裂缝宽度较小，因此忽略沿裂缝开度方向的流动，仅考虑沿裂缝方向的流动：

13、

14、其中，q为单位厚度截面流量；w为裂缝面宽宽度；μ为压裂流体黏度；x为沿裂缝裤扩展方向的位移；p表示流体压力。

15、边界条件包括裂缝注入速率及尖端流量为0，表示为

16、

17、其中q0为裂缝的注入速度；l为裂缝半长。

18、在步骤2中，明确裂缝扩展准则时，采用最大周向应力准则，当裂缝尖端的应力强度因子大于岩石韧度时，裂缝将进行扩展，并且沿着最大周向应力方向扩展，根据最大周向应力准则，必须满足：

19、

20、其中om为最大周向应力方向角，即裂缝开裂方向与裂缝面的夹角；ki为第一类应力强度因子；kii为第一类应力强度因子。kic表示岩石断裂韧度。

21、在步骤2中，岩体在流体压力和地应力的共同作用下变形时，岩体在裂缝内流体压力和地应力的综合作用下发生变形，岩石变形控制方程组为

22、σ＝c:ε(u)

23、其中

24、边界条件包括外边界和裂缝边界条件，即

25、

26、其中其中σ为应力张量；f为体积力；ε为应变张量；c为弹性张量矩阵；u为位移；g为定位移；γc为位移外边界；γc为裂缝边界；σs为切应力；为定切应力；σn为正应力；p为流体压力。

27、在步骤2中，采用扩展有限元法模拟裂缝扩展时，考虑应力场和流动场的耦合；对于应力场，水力压裂裂缝的扩展是个动态的过程，如果采用传统有限元方法求解，网格单元需要不断重构，导致网格划分及计算过程复杂且容易出现计算误差；扩展有限元法在传统有限元的基础上增加自由度，避免了计算过程中的网格加密和网格重构；将位移分为连续位移和不连续位移，位移近似公式为

28、

29、其中，i为单元内位移节点集；ni为常规有限元单元节点位移形函数；ui为单元节点位移矢量；ienr和itip分别为裂缝段和裂缝尖端所在单元增强节点集；ai和分别为单元增强节点的额外自由度；为单元内点到裂缝的符号距离函数，h为heaviside函数，f为裂缝尖端渐进函数。

30、在步骤2中，对于流动场，控制方程写为

31、

32、w为裂缝面宽宽度；t为时间；cl为流体滤失系数；τ0为流体滤失开始时间；x为沿裂缝裤扩展方向的位移；p表示流体压力。

33、将上述岩石应力场和流动场耦合起来，根据流固耦合的思路，求解得到裂缝扩展的动态参数，根据扩展参数得到水力裂缝的轨迹、形态。

34、在步骤3中，根据水力裂缝的形态参数，确定水力裂缝的轨迹，计算水力裂缝与网格系统的交互情况，包括水力裂缝与网格边界的交接信息，水力裂缝距离网格中心的平均距离；同时针对天然裂缝，同样计算其与网格的交互信息；然后将水力裂缝与天然裂缝视为裂缝系统，将裂缝系统直接嵌入到网格系统中，形成嵌入式离散裂缝系统。

35、在步骤3中，嵌入式离散模型的质量守恒方程为：

36、

37、其中，kf为大裂缝渗透率，pf为大裂缝压力，μ为流体粘度，qf为大裂缝源汇项，qff为两个系统间的窜流量，qff表示相交裂缝单元之间的窜流量，δff表示大裂缝单元是否与其他裂缝单元相交，若大裂缝单元与其他裂缝单元相交δff＝1，否则δff＝0，vf是裂缝单元的体积。γ为裂缝局部坐标系长度。

38、在步骤4中，建立组分模型描述二氧化碳驱油过程

39、

40、其中，φ为孔隙度；t为时间；ρo为油相的摩尔密度；ρg为第气相的摩尔密度；t为时间；ρw为水相的摩尔密度；xi为第i个组分在油相中的摩尔密度；yi为第i个组分在气相中的摩尔密度；so为油相的饱和度；sg为气相的饱和度；sw为水相的饱和度；vo为油相的速度；vg为气相的速度；vw为水相的速度；q为源汇项；qw为水相源汇项。

41、该模型属于组分模型，在计算过程中需要满足热力学平衡和质量平衡条件

42、φio＝φig

43、

44、其中，φio为组分i在油相中的逸度系数；φig为组分i在气相中的逸度系数；xi为油相中组分i的摩尔分数；yi为气相中组分i的摩尔分数；zi为总体组分i的摩尔分数，φ表示逸度系数，通过压力、温度和体积这些数据计算；而温度t，压力p，体积v参数可以通过pr状态方程计算

45、

46、其中r为理想气体常数，a和b为状态参数。

47、在步骤4中，在求解的过程通过守恒原理将基岩系统和裂缝系统结合起来，使方程满足上述质量守恒条件和热动力平衡条件，最终得到压裂后二氧化碳驱油数值模拟结果。

48、本发明中的二氧化碳驱压裂数模一体化方法，通过建立嵌入式离散裂缝模型和裂缝扩展的扩展有限元计算方法，可以将水力压裂模拟和二氧化碳驱油模拟结合在一起，实现二氧化碳驱压裂数模一体化，更加快捷、准确地进行油藏数值模拟。该二氧化碳驱压裂数模一体化方法可以为二氧化碳驱油数值模拟技术提供新的方法，并可以为其他油藏数值模拟提供思路，具有较大意义。本发明将水力压裂和二氧化碳驱油结合起来，在同一地质模型上进行数值模拟，避免了水力压裂与二氧化碳驱分开建模的问题，能够高效、准确地进行二氧化碳驱油数值模拟。