一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109145497 A(43)申请公布日 2019.01.04

(21)申请号 201811060912.2(22)申请日 2018.09.12

(71)申请人 中国石油大学（华东）

地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西

路66号(72)发明人 白英睿　尚校森　魏发林　王增宝　

刘平德　(74)专利代理机构 济南金迪知识产权代理有限

公司 37219

代理人 韩献龙(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图1页

CN 109145497 A(54)发明名称

一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法

(57)摘要

本发明提供一种水平井水力裂缝堵水堵剂

(1)设计等效用量的计算方法，该方法包括步骤：

计算模型，将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网简化成由单条宏观裂缝和高渗透率基质组成的等效计算模型；所述宏观裂缝从中间贯穿高渗透率基质；(2)确定等效计算模型的物理参数；(3)计算单段复杂缝网的堵剂充填体积；(4)堵剂总用量的计算。本发明计算方法可实现对所需堵剂用量的定量计算，充分考虑了堵剂滤失以及堵剂对裂缝的充填效果，精确且简单易行，避免堵剂大剂量笼统注入导致的成本过高，又可保证堵剂对裂缝的有效封堵，提高油井产油质量。

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1.一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，包括步骤：(1)设计等效计算模型

将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网简化成由单条宏观裂缝和高渗透率基质组成的等效计算模型；所述宏观裂缝从中间贯穿高渗透率基质；

其中，将水力压裂后形成的单段复杂缝网中的主裂缝简化成单条宏观裂缝，将水力压裂后形成的分支缝、微裂缝等简化成高渗透率基质；

(2)确定等效计算模型的物理参数

确定等效计算模型中宏观裂缝的缝长Lf、缝宽wf和缝高hf以及高渗透率基质的长度Lm、半宽度wm和高度hm；

(3)计算单段复杂缝网的堵剂充填体积计算单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇gel以及高渗透率基质内的堵剂充填体积V″gel；单段复杂缝网的堵剂充填体积即为V＇gel和V″gel之和；

(4)堵剂总用量的计算

封堵n条单段复杂缝网所需的堵剂总用量Vgel为单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇gel和高渗透率基质内的堵剂充填体积V″其中n大于等于1，即：gel之和的n倍，

Vgel＝n(V′   (i)。gel+V″gel)

2.根据权利要求1所述水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，其特征在于，步骤(2)中所述宏观裂缝的缝长Lf、缝宽wf可根据压裂过程中的微地震监测数据计算得到，或者根据PKN或KGD模型计算得到；宏观裂缝的缝高hf是水平井上部和下部油层的总有效厚度；高渗透率基质的半宽度wm是相邻单段复杂缝网的主裂缝间的距离的一半；高渗透率基质的高度hm等于宏观裂缝的缝高hf；高渗透率基质的长度Lm等于宏观裂缝的缝长Lf。

3.根据权利要求1所述水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇单条宏观裂缝内的堵剂充gel的计算方法为：填体积V＇即：gel＝宏观裂缝体积Vf×宏观裂缝孔隙度，

V′    (ii)gel＝Vf·(1-φsand)＝wf·hf·Lf·(1-φsand)其中，φsand为宏观裂缝内支撑剂的铺置浓度质量百分比，即压裂时所用压裂液中的支撑剂的质量浓度。

4.根据权利要求1所述水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高渗透率基质内的堵剂充填体积V″高渗透率基质内的堵剂充gel的计算方法为：填体积V″即：gel＝高渗透率基质体积Vm×高渗透率基质孔隙度φm×封堵宽度比，

其中，wgel为堵剂进入高渗透率基质的半宽度；

所述封堵宽度比为：堵剂进入高渗透率基质的半宽度与高渗透率基质半宽度的比值，即wgel/wm。

5.根据权利要求4所述水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，其特征在于，所述高渗透率基质孔隙度φm的计算方法为：高渗透率基质孔隙度φm等于高渗透率基质的孔隙总体积Vp与高渗透率基质的体积Vm之比，即，

φm＝Vp/Vm (iv)；

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其中，Vp的计算方法为：

高渗透率基质的孔隙总体积Vp等于压裂过程中压裂液的有效注入体积Vs的二分之一与压裂前低渗透率基质的孔隙体积Vp'之和；压裂前低渗透率基质的孔隙体积Vp'等于低渗透率基质的原始孔隙度φ'm乘以低渗透率基质的体积Vm，所述低渗透率基质的体积和高渗透率基质的体积相同，即：

Vp＝Vs/2+Vp'＝Vs/2+φ'm·Vm (v)。

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一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，属于油田开发过程中的增产技术领域。

背景技术

[0002]低渗透油藏水平井裂缝化学堵水主要是借鉴了疏松砂岩储层堵水的方法和经验。目前应用较多的水平井堵水剂仍然是凝胶型堵剂和颗粒型堵剂，堵剂注入工艺设计也是经验计算而得。通过近年来的矿场实施，堵剂注入工艺设计方面取得了一些成果和经验，但总体来讲效果仍不佳。[0003]目前，国内外油田在进行裂缝堵水的堵剂用量设计时，通常采用经验方法进行计算。如，可采用油井日产液量的1/2～1倍用量，或者是按照水力压裂时设计的裂缝体积进行计算堵剂的用量，但是均未考虑压裂后的裂缝参数问题。现有技术中提出的堵剂设计理论计算方法都是基于人工压裂或天然裂缝直井而设计的，而针对水平井裂缝堵水堵剂用量的优化设计研究报道较少。美国新墨西哥理工大学Seright教授建立的针对水力压裂裂缝堵水堵剂用量优化设计的11步流程，以及俄罗斯扎哈罗夫等学者所设计的裂缝堵水堵剂用量计算方法得到了较为广泛的认可。但是Seright教授设计的方法中并没有充分考虑堵剂滤失和对裂缝的充填效果，计算出来的堵剂用量偏小，导致水淹裂缝不能完全封堵；扎哈罗夫的方法主要适用对象是天然裂缝发育的碳酸盐岩储层，而不是人工裂缝储层。中国专利文献CN102071903A公开了一种水平井化学堵水剂用量计算方法，该方法是依据水侵类型选择长方体模型或柱缺模型计算堵水剂用量；该水侵类型包括边水驱动、底水驱动或边底水共同驱动。该发明方法计算堵水剂用量快速简单，可操作性强，但该方法未考虑裂缝的影响，主要适用于未经过人工压裂的非均质储层水平井堵水。[0004]因此，为了建立一种适用于水平井人工压裂裂缝堵水的堵剂用量的优化计算方法，提出本发明。发明内容

[0005]针对现有技术存在的不足，本发明提供一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法；在水平井水淹裂缝化学堵水过程中可实现对所需堵剂用量的定量计算，充分考虑了堵剂滤失以及堵剂对裂缝的充填效果，精确且简单易行，避免堵剂大剂量笼统注入导致的成本过高，又可保证堵剂对裂缝的有效封堵，提高油井产油质量。[0006]术语说明：

[0007]单段复杂缝网：水平井经过分段人工压裂后在多处形成复杂缝网，其中的一处复杂缝网称为单段复杂缝网(如图1所示)；所述单段复杂缝网为三维空间立体结构，单段复杂缝网的主裂缝是以水平井筒为中心呈上下对称分布，所述单段复杂缝网的分支缝、微裂缝等分布于水平井筒的上部和下部。[0008]高渗透率基质的半宽度wm：指处于宏观裂缝一侧的高渗透率基质的宽度。

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堵剂进入高渗透率基质的半宽度wgel：指堵剂进入高渗透率基质的宽度的一半。

[0010]压裂过程中压裂液的有效注入体积Vs：指压裂液注入量与返排量之差。[0011]本发明的技术方案如下：

[0012]一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，包括步骤：[0013](1)设计等效计算模型

[0014]将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网简化成由单条宏观裂缝和高渗透率基质组成的等效计算模型；所述宏观裂缝从中间贯穿高渗透率基质；[0015]其中，将水力压裂后形成的单段复杂缝网中的主裂缝简化成单条宏观裂缝，将水力压裂后形成的分支缝、微裂缝等简化成高渗透率基质；[0016](2)确定等效计算模型的物理参数[0017]确定等效计算模型中宏观裂缝的缝长Lf、缝宽wf和缝高hf以及高渗透率基质的长度Lm、半宽度wm和高度hm；[0018](3)计算单段复杂缝网的堵剂充填体积[0019]计算单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇gel以及高渗透率基质内的堵剂充填体积V″单段复杂缝网的堵剂充填体积即为V＇gel；gel和V″gel之和；[0020](4)堵剂总用量的计算

[0021]封堵n条单段复杂缝网所需的堵剂总用量Vgel为单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇其中n大于等于1，即：gel和高渗透率基质内的堵剂充填体积V″gel之和的n倍，[0022]Vgel＝n(V＇  (i)。gel+V″gel)[0023]根据本发明优选的，步骤(2)中所述宏观裂缝的缝长Lf、缝宽wf可根据压裂过程中的微地震监测数据计算得到，或者根据PKN或KGD模型计算得到；宏观裂缝的缝高hf是水平井上部和下部油层的总有效厚度；高渗透率基质的半宽度wm是相邻单段复杂缝网的主裂缝间的距离的一半；高渗透率基质的高度hm等于宏观裂缝的缝高hf；高渗透率基质的长度Lm等于宏观裂缝的缝长Lf。[0024]根据本发明，所述微地震监测技术为：水力压裂过程中，水平井筒附近的地层压力超过了岩石本身的抗张强度，造成地层岩石破裂、产生裂缝向地层深处延伸，同时在岩石破裂和裂缝延伸的过程中会产生微地震，采用提前在井中或地面合理布设的专门的拾震器接收整个过程中产生的地震波信号，从而对裂缝扩展过程中产生的震源进行定位，计算得到裂缝长度、高度、方位角等形态参数的一种新型地球物理方法。上述微地震监测技术按现有技术进行即可。所述根据PKN或KGD模型计算裂缝参数的方法为水力压裂领域现有技术。[0025]根据本发明优选的，步骤(3)中，所述单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇gel的计算方法为：单条宏观裂缝内的堵剂充填体积V＇即：gel＝宏观裂缝体积Vf×宏观裂缝孔隙度，[0026]V＇  (ii)gel＝Vf·(1-φsand)＝wf·hf·Lf·(1-φsand)[0027]其中，φsand为宏观裂缝内支撑剂的铺置浓度质量百分比，即压裂时所用压裂液中的支撑剂的质量浓度。

[0028]根据本发明优选的，步骤(3)中，所述高渗透率基质内的堵剂充填体积V″gel的计算方法为：高渗透率基质内的堵剂充填体积V″gel＝高渗透率基质体积Vm×高渗透率基质孔隙度φm×封堵宽度比，即：

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其中，wgel为堵剂进入高渗透率基质的半宽度；

[0031]所述封堵宽度比为：堵剂进入高渗透率基质的半宽度与高渗透率基质半宽度的比值，即wgel/wm。[0032]优选的，所述高渗透率基质孔隙度φm的计算方法为：高渗透率基质孔隙度φm等于高渗透率基质的孔隙总体积Vp与高渗透率基质的体积Vm之比，即，[0033]φm＝Vp/Vm  (iv)；[0034]其中，Vp的计算方法为：[0035]根据矿场经验，低渗砂岩油藏压裂过程中压裂液的滤失量约为40％～60％，即入地压裂液的体积大概是所形成缝网中分支缝、微裂缝等体积的2倍。[0036]即，高渗透率基质的孔隙总体积Vp等于压裂过程中压裂液的有效注入体积Vs的二分之一与压裂前低渗透率基质的孔隙体积Vp'之和；压裂前低渗透率基质的孔隙体积Vp'等于低渗透率基质的原始孔隙度φ'm乘以低渗透率基质的体积Vm，所述低渗透率基质的体积和高渗透率基质的体积相同，即：[0037]Vp＝Vs/2+Vp'＝Vs/2+φ'm·Vm  (v)。[0038]本发明在计算堵剂用量时，将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网(见图1)简化成由单条宏观裂缝和高渗透率基质组成的等效计算模型(见图2)，其中，将水力压裂后形成的单段复杂缝网中的主裂缝1简化成单条宏观裂缝5，将水力压裂后形成的分支缝、微裂缝3等简化成高渗透率基质6，宏观裂缝5从中间贯穿高渗透率基质6。通过计算模型裂缝的体积从而计算出堵剂的用量；本发明设计的等效计算模型能够很好的反映经水力压裂后形成的裂缝；利用本发明上述模型计算堵剂用量，充分考虑了堵剂对裂缝的充填效果，即堵剂不仅能够完全填充主裂缝，还要充填部分或者全部高渗透率基质，考虑到了堵剂的滤失性，使本发明方法计算得到的堵剂用量能够以较小的成本实现对裂缝的有效封堵。[0039]本发明的技术特点及有益效果如下：[0040](1)本发明方法中将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网简化成由单条宏观裂缝和高渗透率基质组成的等效计算模型，其中将水力压裂后形成的单段复杂缝网中的主裂缝简化成单条宏观裂缝，将水力压裂后形成的分支缝、微裂缝等简化成高渗透率基质，宏观裂缝从中间贯穿高渗透率基质；上述模型能够很好的反映经水力压裂后形成的裂缝，对复杂缝网具有典型的代表性。[0041](2)本发明方法中，在设计堵剂用量时，不仅保证堵剂能够完全填充宏观裂缝即主裂缝，还要充填部分或者全部高渗透率基质即分支缝、微裂缝等，封堵单条水力裂缝所需的堵剂体积为宏观裂缝内可充填体积与高渗透率基质内可充填体积之和，弥补了现场笼统堵水过程中仅要求堵剂充填水淹主裂缝空间而忽略分支缝及微裂缝空间的不足，考虑到了堵剂的滤失性；从而达到既不会注入过量堵剂而导致成本过高，又确保堵水效果的目的。[0042](3)本发明计算方法精确且简单易行，使用本发明方法计算得到的堵剂用量可以很好的对裂缝进行封堵；应用后能够显著降低所采液体的含水率，含水率可降低47.54％，并且能够显著增加产油量，显著提高产油的质量。与现场应用的笼统堵剂用量计算方法相比，本发明的方法更为精确且简单易行，减少成本的同时可以达到很好的裂缝封堵效果，提

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高产油质量。

附图说明

[0043]图1为经水力压裂后形成的单段复杂缝网的示意图；[0044]其中，1为主裂缝，2为低渗透率基质，3为分支缝和微裂缝，4为水平井。[0045]图2为本发明等效计算模型的示意图；[0046]其中，5为宏观裂缝，6为高渗透率基质；wm为高渗透率基质半宽度，wf为宏观裂缝的缝宽，L为宏观裂缝的缝长Lf、高渗透率基质的长度Lm，h为宏观裂缝的缝高hf、高渗透率基质的高度hm。

具体实施方式

[0047]下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。[0048]实施例中所用原料均为常规原料，可市购获得；所述方法，如无特殊说明均为常规方法，现有技术。

[0049]长庆油田XX井处于新寨作业区吴420区块，该处油藏构造平缓，油层展布稳定，水平井与周围注水井之间层间连通性好，水驱储量控制程度高。该井共射孔并压裂5段，找水测试前油井日产液量13.71m3，综合含水率81.06％。与同区块其它井相比，长庆油田XX井的出水位置清楚，出水裂缝点较为明确，水平井筒段趾部的水力裂缝是该井主要的出水点，故应进行封堵。[0050]实施例1

[0051]一种水平井水力裂缝堵水堵剂用量的计算方法，计算封堵长庆油田XX井水平井筒段趾部的水力裂缝所需封堵堵剂用量，包括步骤：[0052](1)设计等效计算模型

[0053]将水平井经水力压裂后形成的单段复杂缝网简化成由单条宏观裂缝5和高渗透率基质6组成的等效计算模型；所述宏观裂缝5从中间贯穿高渗透率基质6；其中，将水力压裂后形成的单段复杂缝网中的主裂缝1简化成单条宏观裂缝5，将水力压裂后形成的分支缝、微裂缝3等简化成高渗透率基质6；[0054](2)确定等效计算模型的物理参数[0055]首先基于经典的PKN、KGD模型对宏观裂缝5的参数采用迭代法进行计算(使用PKN和KGD模型计算裂缝参数是压裂施工现有技术，详细可参照《采油工程原理与设计(张琪主编)》第六章水力压裂技术)。压裂施工排量(单位时间内向地层内注入的压裂液体积)q0为2.0m3/min；岩石弹性模量G为1.52×104MPa；岩石泊松比ν为0.291；压裂液粘度μ为93.2mPa·s(压裂液的主要成分是胍尔胶和有机硼交联剂)；水平井上部和下部油层的总有效厚度hf为29.1m。根据PKN和KGD模型计算的宏观裂缝5的参数如表1所示。[0056]表1根据经典模型计算的宏观裂缝5的参数

[0057]

裂缝参数缝高hf，m,缝宽wf(PKN)，mm

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计算数值

29.19.38

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缝宽wf(KGD)，mm7.01缝长Lf(PKN)，m82.2缝长Lf(KGD)，m57.4[0058]由于PKN模型没有考虑压裂液的滤失问题，故参考KGD模型的宏观裂缝5的缝宽和缝长计算结果，即取宏观裂缝5的缝宽wf7.01mm，缝长Lf57.4m；宏观裂缝5的缝高hf即水平井上部和下部油层的总有效厚度为29.1m。[0059]封堵目标裂缝时，设计封堵范围为相邻主裂缝的间距，则高渗透率基质6的宽度2wm为25.7m；此处高渗透率基质6的宽度是相邻单段复杂缝网中相邻主裂缝之间的间距。高渗透率基质6的长度Lm和宏观裂缝5的缝长相同，高渗透率基质6的高度hm与油层总厚度hf相同。[0060](3)计算单段复杂缝网的堵剂充填体积[0061]a、单条宏观裂缝5内的堵剂充填体积V＇gel的计算(长庆油田XX井压裂时压裂液的平均砂比为35.2wt％，即宏观裂缝内支撑剂的铺置浓度质量百分比)：[0062]V′gel＝Vf·(1-φsand)＝wf·hf·Lf·(1-φsand)＝0.07×57.4×29.1×(1-0.352)＝75.77m3[0063]b、高渗透率基质6内的堵剂充填体积V″gel的计算：[0064]Vm＝2wm·hm·Lm＝25.7×29.1×28.7≈2.15×104m3

[0065]设计高渗透率基质6的孔隙总体积Vp等于压裂过程中压裂液的有效注入体积Vs(即压裂液注入量与返排量之差，压裂施工时提供的参数为582m3)的二分之一与压裂前低渗透率基质2的孔隙体积Vp'之和，原地层基质即低渗透率基质2的孔隙度φ'm为7.16％，则高渗透率基质6的总孔隙体积为：

[0066]Vp＝Vs/2+Vp'＝Vs/2+φ'm·Vm＝582÷2+0.0716×2.15×104＝1830.4m3[0067]计算堵剂用量时，要求堵剂能够完全填充宏观裂缝5，还要充填部分高渗透率基质6。根据室内试验观测结果以及矿场经验，设计堵剂从宏观裂缝5向高渗透率基质6中的运移距离(实际条件下为填充分支缝及微裂缝，即堵剂进入高渗透率基质的半宽度)wgel为高渗透率基质6的半宽度wm的1/5，即2wgel取值约5m。

[0068]计算宏观裂缝5周边wgel距离内的高渗透率基质6的平均孔隙度φm为：[0069]φm＝Vp/Vm＝1830.4÷(2.15×104)＝0.0851[0070]高渗透率基质6内的堵剂充填体积V″gel为：

[0071]

(4)堵剂总用量的计算

3[0073]Vgel＝V＇gel+V″gel＝75.77+355.96≈432m

[0074]应用例

[0075]按实施例1计算出的堵剂的用量对长庆油田XX井水平井筒段趾部的水力裂缝进行裂缝封堵。

[0076]考虑到堵剂注入量较大，故将其分两轮次注入，长庆油田XX井段塞堵剂注入设计如表2所示。

[0077]表2长庆油田XX井堵剂注入方式

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[0072]

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[0078]

表2中所用聚合物溶液是质量浓度为3500mg/L的聚丙烯酰胺(相对分子量1800万，

水解度20％)水溶液；聚合物凝胶/纤维是聚合物凝胶和纤维的混合物；其中，聚合物凝胶主要包含3000mg/L的聚丙烯酰胺(相对分子量1800万，水解度20％)和0.5wt％有机铬交联剂；纤维为聚丙烯短纤维，束状单丝，规格3-12mm；聚合物凝胶/纤维中纤维的浓度1.0wt％。[0080]前置段塞聚合物溶液的作用是驱除裂缝内的高矿化度地层水，防止对聚合物凝胶/纤维堵剂造成伤害，同时能够调整聚合物凝胶/纤维堵剂注入时的运移剖面，使其可以均匀充填裂缝空间；顶替段塞聚合物溶液的作用是将井筒中以及射孔孔眼处的聚合物凝胶/纤维堵剂驱替进入地层，防止封堵井筒及孔眼。

[0081]按照实施例1堵剂用量计算结果以及本应用例的堵剂注入方式，对长庆油田XX井施工后，有效的封堵了目标裂缝。施工后油井日产液量由13.71m3降至11.50m3，综合含水率由81.06％降至42.52％，日产油增加了4.01m3。由上述可知，利用本发明的方法计算出的堵剂的用量可以有效对裂缝进行封堵，并对产油率以及产油的质量作用效果明显。

[0079]

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图1

图2

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