本發(fā)明是關(guān)于一種石油工程領(lǐng)域煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案，主要包括射孔層位選擇和射孔段長度選擇，以保證煤層-頂部砂巖層的合壓裂縫幾何形態(tài)及導(dǎo)流能力最佳，同時(shí)該發(fā)明也適用于其他不同類型儲(chǔ)層組合的合壓射孔方案設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

煤系地層是指含煤層的地層，主要包括煤層、致密砂巖層和頁巖層。與之對應(yīng)的煤系“三氣”主要是指煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣。為實(shí)現(xiàn)煤系地層的“三氣合采”，需對煤系地層進(jìn)行多儲(chǔ)層合壓。理論研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，合壓射孔方案選擇關(guān)系到煤系地層多儲(chǔ)層合壓的效果，甚至決定合壓的成敗。所以，本發(fā)明通過對煤系地層中的煤層及其頂部砂巖組合的力學(xué)建模和有限元數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)而確定一種高效實(shí)現(xiàn)煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高效實(shí)現(xiàn)煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。該發(fā)明基于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和水力壓裂等理論，通過力學(xué)建模和有限元數(shù)值模擬計(jì)算確定煤層-頂部砂巖層合壓裂縫的幾何形態(tài)及導(dǎo)流能力，并提出以“等效導(dǎo)流能力乘積”取得最大值為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定一種高效實(shí)現(xiàn)煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：將煤層、頂部砂巖層視為彈塑性材料，將計(jì)算地層裂縫寬度剖面看作平面應(yīng)變問題，裂縫擴(kuò)展模型采用三維裂縫模型，裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則采用應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，根據(jù)捷爾霍夫第一、第二定律得到煤層-砂巖層合壓過程中的各層壓裂液流量、壓力分配，壓裂液濾失模型采用卡特模型，支撐劑沉降模型采用stokes模型。然后考慮煤層及頂部砂巖的地應(yīng)力條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、流體濾失、壓裂液注入條件等，建立力學(xué)模型并求解。

前述的煤層最小主應(yīng)力比頂部砂巖層最小主應(yīng)力低3mpa以上。

前述的煤層的壓裂液濾失系數(shù)是頂部砂巖層壓裂液濾失系數(shù)的5倍及以上。

前述的煤層厚度與頂部砂巖層厚度相當(dāng)。

前述的射孔采用60°相位螺旋射孔，射孔孔徑為9.65mm，射孔密度為16孔/m。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明建立煤層-頂部砂巖層合壓過程中的力學(xué)模型并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬求解，得到煤層-頂部砂巖層合壓裂縫的幾何形態(tài)參數(shù)及導(dǎo)流能力。為實(shí)現(xiàn)煤層-頂部砂巖層的高效合壓，基于建立的合壓力學(xué)模型和求解結(jié)果，提出：(1)煤層-頂部砂巖層合壓時(shí)射孔層位不能為煤層(見圖1)，只能選擇為頂部砂巖層(見圖2)。(2)應(yīng)以“等效導(dǎo)流能力乘積”取得最大值為標(biāo)準(zhǔn)確定最優(yōu)的合壓射孔方案。其中，等效導(dǎo)流能力乘積＝合壓裂縫支撐縫長×合壓裂縫導(dǎo)流能力。

以“等效導(dǎo)流能力乘積”取得最大值為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選合壓射孔方案的具體實(shí)施步驟為：設(shè)射孔段底端位置與煤層頂端位置的距離為x1，射孔段的長度為x2(見圖2)，然后采用有限元數(shù)值計(jì)算求解不同的x1，x2下的“等效導(dǎo)流能力乘積”，并繪制“等效導(dǎo)流能力乘積”的曲面圖(見圖3)。該曲面上的最高點(diǎn)(即“等效導(dǎo)流能力乘積”取得最大值)所對應(yīng)的x1，x2即為優(yōu)選結(jié)果，并可得最佳射孔方案(見圖2)。

附圖說明

以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，

圖1：射孔層位選擇為煤層時(shí)的合壓裂縫形態(tài)圖

圖2：射孔層位選擇為頂部砂巖時(shí)的合壓裂縫形態(tài)圖

圖3：等效導(dǎo)流能力乘積的曲面圖

圖4：lx區(qū)塊某井等效導(dǎo)流能力乘積的曲面圖

圖5：lx區(qū)塊某井最佳射孔方案下的合壓裂縫形態(tài)圖

具體實(shí)施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)以lx區(qū)塊某井為例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但不作為對本發(fā)明的任何限制。

1.根據(jù)測井資料可知，該地區(qū)本溪組煤層(2000.3～2006m)厚度為5.7m，頂部砂巖層(1995.3～2000.3m)厚度為5.0m。

2.根據(jù)測井資料和巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可確定煤層及頂部砂巖層的地應(yīng)力狀態(tài)及巖石力學(xué)參數(shù)大小。煤層水平主應(yīng)力分別為29.5mpa、30.6mpa，彈性模量3.37gpa，泊松比0.30，斷裂韌性0.005mpa·m^1/2；頂部砂巖層水平主應(yīng)力分別為32.7mpa、38.1mpa，彈性模量17.34gpa，泊松比0.26，斷裂韌性0.5mpa·m^1/2。

3.煤層中的壓裂液濾失系數(shù)為0.6cm/min^1/2，頂部砂巖的壓裂液濾失系數(shù)為0.12cm/min^1/2。

4.建立合壓過程中的力學(xué)模型并進(jìn)行有限元數(shù)值求解，射孔層位選擇為頂部砂巖層。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)射孔段底端位置與煤層頂端位置的距離x1為1.7m，射孔段的長度x2為2.8m，即射孔位置為1995.8～1998.6m時(shí)，合壓裂縫縱向剖面上改造均勻，此時(shí)等效導(dǎo)流能力乘積(84.66d·m²)＝合壓裂縫支撐縫長(160.9m)×導(dǎo)流能力(526.16md·m)取得最大值(見圖4)。所以該射孔方案(射頂部砂巖層，1995.8～1998.6m)為最佳射孔方案(見圖5)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的目的是提供一種石油工程領(lǐng)域高效實(shí)現(xiàn)煤層及煤層頂部砂巖合壓的射孔方案。在對煤系地層進(jìn)行多儲(chǔ)層合壓中發(fā)現(xiàn)，合壓射孔方案選擇關(guān)系到煤系地層合壓的效果，甚至決定合壓的成敗。為此，本發(fā)明基于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和水力壓裂等理論，通過力學(xué)建模和有限元數(shù)值計(jì)算確定煤層?頂部砂巖層合壓裂縫的幾何形態(tài)及導(dǎo)流能力，進(jìn)而確定一種高效實(shí)現(xiàn)煤層?頂部砂巖合壓的射孔方案。提出煤層?頂部砂巖層合壓時(shí)射孔層位不能為煤層，只能選擇為頂部砂巖層及應(yīng)以“等效導(dǎo)流能力乘積”(等效導(dǎo)流能力乘積＝合壓裂縫支撐縫長×導(dǎo)流能力)取得最大值為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選高效實(shí)現(xiàn)煤層?頂部砂巖合壓的射孔方案。

技術(shù)研發(fā)人員：趙海峰;王小華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.05
技術(shù)公布日：2017.07.14