石油工程

基于分布式光纤测温的分段多簇压裂过程裂缝参数诊断方法

  • 魏操 , 1 ,
  • 李海涛 1 ,
  • 祝效华 1 ,
  • 张楠 1 ,
  • 罗红文 1 ,
  • 屠坤 2 ,
  • 程时清 3
展开
  • 1 西南石油大学石油与天然气工程学院,成都 610500
  • 2 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
  • 3 中国石油大学(北京)石油工程学院,北京 102249

魏操(1996-),男,四川简阳人,博士,西南石油大学石油与天然气工程学院讲师,主要从事油气井分布式光纤监测解释方面的教学和科研工作。地址:四川省成都市新都区西南石油大学,油气藏地质及开发工程全国重点实验室,邮政编码:610500。E-mail:

Copy editor: 唐俊伟

收稿日期: 2024-11-05

  修回日期: 2025-03-12

  网络出版日期: 2025-03-13

基金资助

国家重大装备研发项目课题(GJSCB-HFGDY-2024-004)

国家自然科学基金青年基金(12402305)

国家资助博士后研究人员计划(GZC20232200)

博士后基金面上项目(2024M762703)

四川省自然科学基金(2025ZNSFSC1352)

Fracture parameter diagnostic method during staged multi-cluster fracturing based on distributed temperature sensing

  • WEI Cao , 1 ,
  • LI Haitao 1 ,
  • ZHU Xiaohua 1 ,
  • ZHANG Nan 1 ,
  • LUO Hongwen 1 ,
  • TU Kun 2 ,
  • CHENG Shiqing 3
Expand
  • 1 School of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
  • 2 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
  • 3 College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

Received date: 2024-11-05

  Revised date: 2025-03-12

  Online published: 2025-03-13

摘要

选用Carter模型表征裂缝扩展和压裂液滤失动态行为,同时考虑压裂液在井筒、裂缝和油藏间的流动传热,建立水平井分段多簇压裂过程热-流耦合温度响应正演模型,分析压裂参数、裂缝参数对分布式光纤(DTS)温度响应的影响规律,提出基于模拟退火算法的裂缝参数诊断方法,并通过矿场实例应用验证模型可靠性。研究表明:多簇压裂过程中温度响应曲线具有“V形”典型特征,其位置与压裂裂缝对应;压裂液排量越大、压裂与停泵时间越长,“V形”深度越小;缝面滤失系数越大、压裂时间越长、裂缝宽度越小,“V形”宽度越大;压裂过程中短暂停泵阶段,近井筒周围低温仍向地层扩散,DTS温度不升反降;对DTS数据进行实时解释监测,可了解压裂过程中裂缝的扩展情况,便于及时采取相应措施,提高压裂效果。

本文引用格式

魏操 , 李海涛 , 祝效华 , 张楠 , 罗红文 , 屠坤 , 程时清 . 基于分布式光纤测温的分段多簇压裂过程裂缝参数诊断方法[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(2) : 441 -450 . DOI: 10.11698/PED.20240704

Abstract

The Carter model is used to characterize the dynamic behaviors of fracture growth and fracturing fluid leakoff. A thermo-fluid coupling temperature response forward model is built considering the fluid flow and heat transfer in wellbore, fracture and reservoir. The influences of fracturing parameters and fracture parameters on the responses of distributed temperature sensing (DTS) are analyzed, and a diagnosis method of fracture parameters is presented based on the simulated annealing algorithm. A field case study is introduced to verify the model’s reliability. Typical V-shaped characteristics can be observed from the DTS responses in the multi-cluster fracturing process, with locations corresponding to the hydraulic fractures. The V-shape depth is shallower for a higher injection rate and longer fracturing and shut-in time. Also, the V-shape is wider for a higher fracture-surface leakoff coefficient, longer fracturing time and smaller fracture width. Additionally, the cooling effect near the wellbore continues to spread into the reservoir during the shut-in period, causing the DTS temperature to decrease instead of rise. Real-time monitoring and interpretation of DTS temperature data can help understand the fracture propagation during fracturing operation, so that immediate measures can be taken to improve the fracturing performance.

0 引言

国内外开发经验表明,长水平井分段多簇压裂是实现页岩、致密油气商业开发的技术核心[1-2],但受储层地应力分布、岩石各向异性和人工裂缝相互干扰等因素影响[3-5],分段多簇压裂过程中实际形成的裂缝与设计方案相比,其分布位置、裂缝长度和滤失情况往往存在巨大差异[6],影响压裂效果和开发效益,准确监测和表征压裂过程中的裂缝参数变化,从而进行压裂设计优化并实时调整压裂操作是提高压裂效果的关键,也是目前面临的技术瓶颈。
受监测成本、监测精度和监测方式的影响,示踪剂、微地震、压力曲线分析、井下成像等常规监测手段均难以实现压裂过程中多簇裂缝扩展动态参数的精细诊断[7-10]。近年来出现了一种全新的裂缝扩展诊断技术,已在美国压裂监测中展现出重要作用[11],其原理是通过分布式光纤(DTS)监测压裂过程中沿水平井筒的温度响应数据,配合压裂过程中温度响应正演模型和反演算法实时诊断压裂过程中的裂缝参数[12]
前期学者建立了压裂过程中的温度响应正演模型。Kamphuis等[13]考虑热传导和热对流建立了直井压裂过程中的温度响应数学模型,预测了裂缝及其周围地层的温度分布。Seth等[14]利用有限差分和Carter滤失模型建立了直井压裂过程中的温度响应数值模型。Hoang等[15]建立了多层油藏限流压裂温度响应数值模型。Li和Zhu[16]建立了水平井单簇裂缝压裂过程温度响应预测模型。可以看到,目前压裂过程中的温度响应正演模型多针对单条压裂裂缝,而水平井多簇压裂过程中的温度响应模型鲜见报道。近年来,中国在多个油田开展了水平井分段多簇压裂DTS监测矿场试验,测试了大量温度响应数据[17-18],但对应的温度分析技术却落后于测试技术,限制了分布式光纤测温新技术在压裂过程裂缝扩展实时诊断中的应用,同时上述模型未考虑压裂过程中的短暂停泵情况,难以适应现场实际需求。
针对水平井多簇压裂温度响应模型研究的不足,本文建立水平井分段多簇压裂过程中热-流耦合温度响应数值模型,分析压裂参数、裂缝参数对温度响应的影响规律,提出基于模拟退火算法的裂缝参数诊断方法,并通过矿场实例应用验证模型可靠性。

1 水平井分段多簇压裂过程中的热-流耦合温度响应理论模型

1.1 分段多簇压裂过程中的温度响应物理模型

水平井分段多簇压裂从第1段开始,沿水平井筒依次压裂所有压裂段,每段储层压裂期间压开多簇裂缝,封隔器阻止压裂液进入其他段。泵注阶段,压裂液不断进入井筒压开裂缝,并从裂缝滤失进入储层,流动过程中伴随热传导和热对流效应持续冷却井筒、裂缝及周围地层;停泵阶段,压裂液停止流动,在热传导效应作用下,储层开始回温。安装在套管外的分布式光纤实时监测整个过程中水平井筒温度的响应剖面(见图1)。
图1 水平井分段多簇压裂过程DTS温度响应监测示意图
选取单段压裂储层作为重复单元建立水平井分段多簇压裂过程中的温度响应物理模型。单段多簇压裂考虑压裂液在井筒、裂缝和地层中的流动传热以及裂缝扩展、压裂液滤失等耦合过程(见图2),基本假设包括:①储层为原始温度为Ti、厚度为h、有效孔隙度为ϕ的多孔介质,顶底边界视为封闭边界;②压裂液视为不可压缩流体,压裂时总泵注排量为Q(t),压开N簇裂缝,每一簇裂缝的泵注排量为qn(t);③压裂裂缝完全打开储层且沿井筒对称,裂缝宽度和半长分别为wnxf,n;④考虑压裂过程中短暂停泵情况,停泵持续时间为tc;⑤考虑垂直于裂缝壁面的压裂液线性滤失,使用Carter模型[19]表征裂缝扩展和压裂液滤失,滤失系数为Clk,n;⑥多簇裂缝考虑为二维等高扩展。
图2 压裂液流动和滤失示意图

1.2 热-流耦合温度响应数学模型

考虑压裂液在井筒、裂缝和地层中的流动传热,分别建立泵注和停泵阶段的热-流耦合温度响应数学模型,模拟分段多簇压裂过程中的温度响应特征。

1.2.1 井筒流动模型

根据质量守恒定律,不可压缩压裂液在井筒中流动的控制方程为:
$\frac{\partial v}{\partial y}=\frac{\gamma h}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{w}}^{2}}{{v}_{\text{i},n}}$
初始条件为:
$\left\{ \begin{align} & v(x,y,t=0)=0 \\ & {{v}_{\text{i},n}}(t=0)=0 \\ \end{align} \right.$
边界条件为:
$\left\{ \begin{align} & v(x=0,y=0,t)=\frac{Q(t)}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{w}}^{2}} \\ & {{v}_{\text{i},n}}(\gamma =1,t)=\frac{{{q}_{n}}(t)}{{{w}_{n}}h} \\ \end{align} \right.$

1.2.2 井筒传热模型

根据质量、能量和动量守恒定律,考虑压裂射孔位置分布建立泵注阶段井筒传热方程[20]
$\begin{align} & \frac{1}{v}\frac{\partial {{T}_{\text{w}}}}{\partial t}=-\frac{\partial {{T}_{\text{w}}}}{\partial y}+\frac{2\gamma {{\rho }_{\text{i}}}{{v}_{\text{i},n}}}{{{r}_{\text{w}}}{{\rho }_{\text{l}}}v}\left( {{\left. {{T}_{\text{r}}} \right|}_{x={{r}_{\text{w}}}}}-{{T}_{\text{w}}} \right)+ \\ & \frac{2\left( 1-\gamma \right)}{{{r}_{\text{w}}}{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}v}{{U}_{\text{T}}}\left( {{\left. {{T}_{\text{r}}} \right|}_{x={{r}_{\text{w}}}}}-{{T}_{\text{w}}} \right)-\frac{g\sin \theta }{{{c}_{\text{pl}}}} \\ \end{align}$
初始、边界条件为:
$\left\{ \begin{align} & {{T}_{\text{w}}}\left( t=0 \right)={{T}_{\text{i}}} \\ & {{T}_{\text{w}}}\left( x=0,y=0 \right)={{T}_{\text{inj}}} \\ \end{align} \right.$
停泵阶段的主控传热机理为热传导[21],基于能量守恒定律建立井筒传热方程。
${{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}\frac{\partial {{T}_{\text{w}}}}{\partial t}=\frac{1}{{{r}_{\text{w}}}}{{U}_{\text{T}}}\left( {{T}_{\text{r}}}-{{T}_{\text{w}}} \right)-{{\lambda }_{\text{l}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{w}}}}{\partial {{y}^{2}}}$
停泵时刻的井筒温度分布为(6)式的初始条件,内外边界为封闭边界,即边界处不考虑流动和传热。

1.2.3 裂缝扩展模型

使用Carter模型[19]表征裂缝动态扩展,考虑裂缝的对称性,基于质量守恒定律建立裂缝扩展模型。
${{w}_{n}}h\frac{\text{d}{{x}_{\text{f},n}}}{\text{d}t}={{q}_{n}}-2h\int_{0}^{{{x}_{\text{f},n}}}{{{v}_{\text{lk},n}}}\text{d}x$
考虑压裂过程短暂停泵情况,压裂液滤失速度定义为:
${{v}_{\text{lk},n}}=\frac{{{C}_{\text{lk},n}}}{\sqrt{t-{{t}_{\text{c}}}\left( x \right)-\tau \left( x \right)}}$

1.2.4 裂缝传热模型

考虑x方向压裂液流动和y方向压裂液滤失发生的热传导和热对流,基于能量守恒和牛顿冷却定律[22]建立泵注阶段裂缝传热方程。
${{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}\frac{\partial {{T}_{\text{f}}}}{\partial t}=-\frac{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}{{v}_{x,n}}\partial {{T}_{\text{f}}}}{\partial x}-\frac{2{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}{{v}_{\text{lk},n}}{{T}_{\text{f}}}}{w}+\frac{2{{h}_{\text{l},n}}\left( {{T}_{\text{r}}}-{{T}_{\text{f}}} \right)}{w}$
初始、边界条件为:
$\left\{ \begin{align} & {{T}_{\text{f}}}\left( t=0 \right)={{T}_{\text{i}}} \\ & {{T}_{\text{f}}}\left( x={{r}_{\text{w}}},t \right)={{T}_{\text{w}}}\left( x={{r}_{\text{w}}},t \right) \\ \end{align} \right.$
停泵阶段,压裂液流速为0,基于傅里叶定律建立裂缝传热方程。
${{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}\frac{\partial {{T}_{\text{f}}}}{\partial t}={{\lambda }_{\text{l}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{f}}}}{\partial {{x}^{2}}}+{{\lambda }_{\text{l}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{f}}}}{\partial {{y}^{2}}}$
停泵时刻的缝内温度分布为(11)式的初始条件。

1.2.5 油藏流动模型

油藏流动主要考虑压裂液从裂缝向油藏的线性滤失,考虑到油藏为孔隙度为ϕ的多孔介质,油藏实际流动方程为:
${{L}_{\text{lk},n}}=\int_{\tau (x)}^{t}{\frac{{{v}_{\text{lk},n}}}{\phi }}\text{d}t$

1.2.6 油藏传热模型

根据压裂液是否侵入将油藏分为压裂液侵入区和未侵入区,压裂液侵入区考虑热传导和热对流效应,基于能量守恒定律建立传热方程。
$\overline{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}\frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial t}=-\frac{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}{{v}_{\text{lk},n}}\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial x}+{{\lambda }_{\text{el}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{r}}}}{\partial {{x}^{2}}}+{{\lambda }_{\text{el}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{r}}}}{\partial {{y}^{2}}}$
其中 $\overline{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}=\phi {{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}+\left( 1-\phi \right){{\rho }_{\text{s}}}{{c}_{\text{ps}}}$
初始条件为:
${{T}_{\text{r}}}\left( t=0 \right)={{T}_{\text{i}}}$
边界条件为:
$\left\{ \begin{align} & {{\left. {{\lambda }_{\text{el}}}\frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial x} \right|}_{x={{r}_{\text{w}}}}}={{U}_{\text{T}}}\left( {{T}_{\text{r}}}-{{T}_{\text{w}}} \right) \\ & {{\left. \frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial y} \right|}_{y={{y}_{\text{f-r}}}}}=\frac{{{h}_{\text{l},n}}}{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}{{v}_{\text{lk},n}}{{w}_{n}}}\left( {{T}_{\text{r}}}-{{T}_{\text{f}}} \right) \\ \end{align} \right.$
压裂液未侵入区主要考虑热传导效应建立传热方程,该方程也可作为停泵阶段的油藏传热方程。
$\overline{{{\rho }_{\text{f}}}{{c}_{\text{pf}}}}\frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial t}={{\lambda }_{\text{ef}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{r}}}}{\partial {{x}^{2}}}+{{\lambda }_{\text{ef}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{r}}}}{\partial {{y}^{2}}}$
其中 $\overline{{{\rho }_{\text{f}}}{{c}_{\text{pf}}}}=\phi {{\rho }_{\text{f}}}{{c}_{\text{pf}}}+\left( 1-\phi \right){{\rho }_{\text{s}}}{{c}_{\text{ps}}}$
初始条件为:
${{T}_{\text{r}}}\left( t=0 \right)={{T}_{\text{i}}}$
边界条件为:
$\left\{ \begin{align} & {{\left. \frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial x} \right|}_{x={{x}_{\text{e}}}}}=0 \\ & {{\left. \frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial y} \right|}_{y={{y}_{\text{e}}}}}=0 \\ & {{\left. {{\lambda }_{\text{ef}}}\frac{\partial {{T}_{\text{r}}}}{\partial x} \right|}_{x={{r}_{\text{w}}}}}={{U}_{\text{T}}}\left( {{T}_{\text{r}}}-{{T}_{\text{w}}} \right) \\ \end{align} \right.$

1.3 模型数值解法

考虑到温度响应数学模型的复杂性和强非线性,采用离散法进行数值求解(见图3),井筒位于第1行网格,时间离散采用定时间步长,使用ijk分别代表x方向、y方向和时间域的离散节点编号。此外,仍需考虑2个难点:①压裂过程中裂缝动态扩展和压裂液动态滤失,为表征压裂过程中的动态行为,在每个时间步均更新裂缝网格和压裂液侵入区网格;②多簇压裂时每簇裂缝泵注排量和压裂液滤失系数均不同,每个时间步裂缝扩展长度也不相同,为了统一网格尺寸进行数值计算,根据不同簇裂缝的扩展长度重新划分网格尺寸,如图3中第3簇裂缝网格尺寸根据第1簇、第2簇裂缝长度进行了重新划分。
图3 井筒、裂缝和油藏网格剖分示意图

1.3.1 网格尺寸

离散(7)式和(12)式得到xy方向网格尺寸。
$\begin{align} & \Delta x_{n}^{k}= \\ & \frac{q_{n}^{k}\Delta {{t}_{k}}-4{{C}_{\text{lk},n}}h\sum\limits_{i=1}^{k-1}{\Delta x_{n}^{i}\left[ \sqrt{{{t}_{k}}-{{t}_{\text{c}}}(x)-{{t}_{i-1/2}}}-\sqrt{{{t}_{k-1}}-{{t}_{\text{c}}}(x)-{{t}_{i-1/2}}} \right]}}{{{w}_{n}}h+4{{C}_{\text{lk},n}}h\sqrt{\Delta {{t}_{k}}}} \\ \end{align}$
$\Delta y_{i,j}^{k}=\frac{2{{C}_{\text{lk},n}}}{\phi }\left[ \sqrt{t-{{t}_{\text{c}}}(x)-{{t}_{i-1/2}}} \right]_{{{t}_{j-1}}}^{{{t}_{j}}}\left( j\le k \right)$
注意(19)式仅确定了各簇裂缝每个时间步的扩展长度,为了统一网格进行数值计算,每个时间步需重新划分网格尺寸,最终x方向的网格尺寸△xn,i需由每簇裂缝的扩展长度决定。

1.3.2 井筒模型离散(以泵注阶段为例)

离散泵注阶段井筒传热模型(4)式:
$\begin{array}{l} \frac{\rho_{1} c_{\mathrm{pl}} v_{i, j}^{k}}{\Delta y_{j}} T_{i, j-1}^{k}+ \\ {\left[-\frac{\rho_{1} c_{\mathrm{pl}} v_{i, j}^{k}}{\Delta y_{j}}+\frac{\rho_{1} c_{\mathrm{pl}}}{\Delta t_{k}}+\frac{2 \gamma \rho_{\mathrm{i}} c_{\mathrm{pl}}\left(v_{\mathrm{i}, n}\right)_{i, j}^{k}}{r_{\mathrm{w}}}+\frac{2(1-\gamma)}{r_{\mathrm{w}}} U_{\mathrm{T}}\right] T_{i, j}^{k}-} \\ {\left[\frac{2 \gamma \rho_{\mathrm{i}} c_{\mathrm{pl}}\left(v_{\mathrm{i}, n}\right)_{i, j}^{k}}{r_{\mathrm{w}}}+\frac{2(1-\gamma)}{r_{\mathrm{w}}} U_{\mathrm{T}}\right] T_{i+1, j}^{k}=\frac{\rho_{1} c_{\mathrm{pl}}}{\Delta t_{k}} T_{i, j}^{k-1} \quad} \end{array}$
压裂液在井筒的流动速度和进入裂缝的速度通过离散(1)和(3)式获得。

1.3.3 裂缝模型离散

离散裂缝传热模型(9)式:
$\begin{align} & -\frac{\left( {{v}_{x,n}} \right)_{i-1,j}^{k}}{\Delta {{x}_{i}}}T_{i-1,j}^{k}-\frac{{{h}_{\text{l},n}}}{{{w}_{n}}{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}T_{i,j-1}^{k}+\left[ \frac{\left( {{v}_{x,n}} \right)_{i-1,j}^{k}}{\Delta {{x}_{i}}}+\frac{2\left( {{v}_{\text{lk},n}} \right)_{i,j}^{k}}{{{w}_{n}}} \right.+ \\ & \left. \frac{2{{h}_{\text{l},n}}}{{{w}_{n}}{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}+\frac{1}{\Delta {{t}_{k}}} \right]T_{i,j}^{k}-\frac{2{{h}_{\text{l},n}}}{{{w}_{n}}{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}T_{i,j+1}^{k}=\frac{1}{\Delta {{t}_{k}}}T_{i,j}^{k-1} \\ \end{align}$
压裂液在裂缝内流动速度和滤失速度通过离散公(7)和(8)式得到。

1.3.4 油藏模型离散

离散压裂液侵入区传热模型(13)式有:
$\begin{align} & \frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{x}_{i}}\left( \Delta {{x}_{i}}+\Delta {{x}_{i-1}} \right)}T_{i-1,j}^{k}+\left[ \frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{y}_{j}}\left( \Delta {{y}_{j}}+\Delta {{y}_{j-1}} \right)} \right.+\left. \frac{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}\left( {{v}_{\text{lk},n}} \right)_{i}^{k}}{\Delta {{y}_{j}}} \right]T_{i,j-1}^{k}- \\ & \left[ \frac{\overline{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}}{\Delta {{t}_{k}}} \right.+\frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{x}_{i}}\left( \Delta {{x}_{i}}+\Delta {{x}_{i+1}} \right)}+\frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{x}_{i}}\left( \Delta {{x}_{i}}+\Delta {{x}_{i-1}} \right)}+\frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{y}_{j}}\left( \Delta {{y}_{j}}+\Delta {{y}_{j+1}} \right)}+ \\ & \frac{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}\left( {{v}_{\text{lk},n}} \right)_{i}^{k}}{\Delta {{y}_{j}}}\left. +\frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{y}_{j}}\left( \Delta {{y}_{j}}+\Delta {{y}_{j-1}} \right)} \right]T_{i,j}^{k}+\frac{2{{\lambda }_{\text{el}}}}{\Delta {{x}_{i}}\left( \Delta {{x}_{i}}+\Delta {{x}_{i+1}} \right)}T_{i+1,j}^{k}= \\ & -\frac{\overline{{{\rho }_{\text{l}}}{{c}_{\text{pl}}}}}{\Delta {{t}_{k}}}T_{i,j}^{k-1} \\ \end{align}$
使用相同的方法离散公式(16)得到压裂液未侵入区传热模型和停泵阶段油藏传热模型的离散形式。
最终,通过牛顿迭代法求解离散方程即可得到水平井分段多簇压裂过程中的温度响应。牛顿迭代法为矩阵求解常用算法,可采用MATLAB、Python等工具箱程序实现。

1.4 裂缝参数反演模型

利用正演模型计算的温度响应理论值和DTS实测温度构建反演目标函数。
$G(\mathbf{A})=\left| {{T}_{\text{p}}}(\mathbf{A})-{{T}_{\text{m}}} \right|<\varepsilon $
反演实际是一个不断迭代更新反演目标参数A,直至计算结果满足(24)式的过程,采用模拟退火算法进行反演迭代,其步骤(见图4)包括:①初始化退火温度T0,初始化待求参数,初始化Markov链长LN;②在当前退火温度${{T}_{m}}$下进行第z次反演迭代时,采用(25)式对待求参数$\mathbf{A}_{0}^{0}$施加随机扰动生成新的待求参数$\mathbf{A}_{m}^{z}$,代入温度响应正演模型计算理论值Tp;③如果$G\left( \mathbf{A}_{m}^{z} \right)<G\left( \mathbf{A}_{m}^{z-1} \right)$,则接受$\mathbf{A}_{m}^{z}$作为当前解,否则采用(26)式重新计算Metropolis接受概率P,并在$\left[ 0,\text{ }1 \right]$区间生成一个均匀分布的随机数λ,若λ<P,则接受$\mathbf{A}_{m}^{z}$作为当前解,否则拒绝接受;④在当前退火温度${{T}_{m}}$下转步骤②,重复Z次,直至生成1个完整的Markov链;⑤如果满足$G\left( \mathbf{A}_{m}^{z} \right)<\varepsilon $,表明反演收敛,则算法结束;否则根据退火函数(27)式产生新的退火温度及链长,转步骤②,直到$G\left( \mathbf{A}_{m}^{z} \right)<\varepsilon $,输出结果。
图4 基于模拟退火算法的反演流程图
$\mathbf{A}_{m}^{z+1}\ =\mathbf{A}_{m}^{z}\ +\zeta \mathbf{A}_{m}^{z}\left( 0.5-\lambda \right)$
$P=\exp \left[ \frac{G\left( \mathbf{A}_{m}^{z} \right)-G\left( \mathbf{A}_{m}^{z-1} \right)}{{{k}_{\text{b}}}{{T}_{m}}} \right]$
${{T}_{m}}={{T}_{0}}{{\alpha }^{m}}$

2 压裂过程温度响应主控因素分析

利用建立的数值模型进行温度响应模拟,分析压裂参数(压裂液排量、压裂时间和短暂停泵时间)和裂缝参数(裂缝宽度和缝面滤失系数)等主要因素对温度响应规律的影响,模拟使用基础参数如表1所示。模拟中簇间距设置为10 m,同时考虑压裂泵注(120 min)和短暂停泵。考虑到时间步长会影响离散网格数量,为了确定合理的时间步长并确保数值模型的计算结果与网格数量无关,进行温度响应计算结果与时间步长(5,10,15 min)的敏感性分析(见图5)。由图可以看到在给定参数条件下,温度响应计算结果与网格数量和时间步长无关,因此温度响应模拟的时间步长设置为10 min。
表1 分段多簇压裂过程温度响应模拟基础参数
参数 取值 参数 取值
初始温度 90 ℃ 裂缝宽度 0.006 m
孔隙度 5% 裂缝高度 30 m
厚度 30 m 牛顿冷却系数 50 W/(m2·K)
岩石密度 2 381 kg/m3 滤失系数 5×10−4 m/s0.5
岩石热容 844 J/(kg·K) 井筒半径 0.1 m
岩石热传导系数 2.596 W/(m·K) 综合传热系数 30 W/(m2·K)
储层流体密度 913 kg/m3 压裂液排量 0.2 m3/s
储层流体比热容 4 136 J/(kg·K) 压裂液温度 10 ℃
储层流体热导率 0.156 W/(m·K) 压裂液密度 986 kg/m3
压裂液热导率 0.606 W/(m·K) 压裂液比热容 4 136 J/(kg·K)
图5 不同时间步长、网格数量条件下温度模拟结果对比

2.1 压裂时间的影响

设置各簇压裂液排量为0.1 m3/s,不考虑停泵,改变压裂时间为60,80,100,120 min,分析其对多簇压裂过程中温度响应规律的影响(见图6)。由图可知:随着压裂时间的延长,裂缝扩展长度和压裂液向储层的滤失距离增加,油藏、裂缝和裂缝周围的低温区域增大。压裂过程中DTS温度响应曲线出现“V形”典型特征(见图7),且随着压裂时间延长,“V形”深度减小,宽度增加。“V形”的位置和个数对应压裂裂缝的位置和数量。
图6 压裂时间对分段多簇压裂过程中温度场分布的影响
图7 压裂时间对分段多簇压裂过程DTS温度响应的影响

2.2 压裂过程短暂停泵时间的影响

设置各簇压裂液排量为0.1 m3/s,压裂时长为120 min,改变停泵时间为0,10,20,40 min,分析其对多簇压裂过程中温度场分布的影响(见图8)。由图可知:随着压裂过程中短暂停泵时间的延长,油藏温度场分布未显示明显差别,但从DTS温度响应曲线(见图9)上可以看出温度不断降低的现象,“V形”深度减小,这是由于压裂中途短暂停泵的时间太短,地层来不及加热近井筒区域,而井筒附近低温液体却在不断冷却周边地层,短暂停泵阶段低温仍在向地层扩散,近井筒区域温度不升反降,这与传统停泵升温的认识有所不同。
图8 停泵时间对分段多簇压裂过程温度场分布的影响
图9 停泵时间对分段多簇压裂过程温度场分布的影响

2.3 压裂液排量的影响

设置压裂时长为120 min,不考虑停泵,第1簇裂缝的压裂液排量为0.1 m3/s,改变第2簇裂缝的压裂液排量为0.10,0.05,0.03,0.01 m3/s,分析其对压裂过程中温度响应规律的影响(见图10图11)。由图可知:随压裂液排量的增加,裂缝长度增加,形成的低温区域增大,DTS温度响应曲线下移,“V形”深度减小,但压裂液排量对“V形”宽度没有影响。
图10 压裂液排量对分段多簇压裂过程温度场分布的影响
图11 压裂液排量对分段多簇压裂过程DTS温度响应影响

2.4 裂缝宽度的影响

设置各簇压裂液排量为0.1 m3/s,压裂时长为120 min,不考虑停泵,改变裂缝宽度为0.003,0.006,0.009,0.012 m,分析其对多簇压裂过程温度响应规律的影响(见图12图13)。由图可知:随着裂缝宽度增加,裂缝低温区域减小,裂缝周围低温区域减小,DTS温度响应曲线的“V形”宽度减小。
图12 裂缝宽度对分段多簇压裂过程温度场分布的影响
图13 裂缝宽度对分段多簇压裂过程DTS温度响应的影响

2.5 缝面滤失系数的影响

设置各簇压裂液排量为0.1 m3/s,压裂时长为120 min,不考虑停泵,改变缝面滤失系数为5×10−4,7×10−4,9×10−4,11×10−4 m/s0.5,分析其对多簇压裂过程中温度场分布的影响(见图14图15)。由图可知:随着缝面滤失系数的增大,裂缝低温区域减小,裂缝周围地层低温区域增大,温度场分布由“细长型”变为“短粗型”,DTS温度响应曲线“V形”宽度增大。
图14 滤失系数对分段多簇压裂过程温度场分布的影响
图15 滤失系数对分段多簇压裂过程DTS温度响应的影响

3 矿场实例应用

柴达木盆地页岩油水平井X15-4井深5 176 m,有效水平段长1 552 m,储层厚度10.3 m,孔隙度5.12%。采用“密切割+强改造+限流射孔+大排量”缝控压裂工艺进行分段压裂改造,压裂方案共设计27段裂缝,每段3~8簇裂缝,压裂液排量14~18 m3/min,压裂70 min时停泵16 min继续压裂,累计压裂时间100 min。使用套外分布式光纤监测压裂过程中温度响应剖面,光纤下深5 176 m,覆盖整个井筒,空间分辨率0.25 m,采样间隔30 s,压裂过程中DTS温度监测数据如图16a所示,由于压裂过程中的DTS温度响应数据含有大量噪音,故对原始数据进行了降噪处理(见图16b)。该井第26段共设计5簇裂缝,排量为0.268 m3/s。选取该段使用本文方法分别解释停泵(第70 min)和压裂结束(第116 min)时刻的DTS温度响应。
图16 实测压裂过程DTS温度数据瀑布图
图17展示了理论模型和实测DTS温度数据拟合结果,图18展示了停泵和压裂结束时刻裂缝参数解释结果。由图可知:①实测数据与本文模型解释数据拟合质量好,解释结果可信度较高。②第26段压裂后共形成了5簇裂缝,分别位于水平井筒3 682.1,3 689.5,3 696.9,3 704.1,3 711.1 m处。③最终形成的5簇裂缝半长分别为40.43,64.50,6.71,52.03,115.21 m。④停泵前后两次压裂的DTS温度数据解释结果表明,前70 min裂缝扩展较快,而后30 min裂缝扩展速度放缓,多簇压裂过程中裂缝扩展主要发生在前中期。⑤第3簇裂缝半长最小,基本未形成有效裂缝,压裂效果差,而第1簇裂缝最长,压裂效果好。⑥压裂过程中各簇裂缝宽度均随着时间的延长而增加。⑦缝面滤失系数数据显示第1簇裂缝压裂液滤失情况较严重,如果对DTS数据进行实时监测解释并采取暂堵措施,可进一步提高第3簇、第1簇裂缝的压裂效果。
图17 实测DTS温度响应曲线拟合图
图18 停泵和压裂结束时刻裂缝参数解释结果

4 结论

分段多簇压裂过程中DTS温度响应曲线具有“V形”典型特征,其位置与裂缝相对应,据此可直接识别形成裂缝的位置和数量。
压裂液排量越大、压裂时间越长、停泵时间越长,DTS温度响应曲线位置越低,“V形”深度越小;缝面滤失系数越大、压裂时间越长、裂缝宽度越小,“V形”宽度越大。压裂过程中短暂停泵阶段,井筒附近低温仍向地层扩散,DTS实测温度不增反减,短暂停泵时间越长,温度下降越多。
对DTS数据进行实时解释监测,可获取裂缝长度、宽度和滤失系数等参数的变化情况,了解压裂过程中裂缝的扩展情况,便于及时采取相应措施,提高压裂效果。
符号注释:
A——待反演参数向量;$\mathbf{A}_{0}^{0}$——待反演参数初值向量;Clk——压裂液滤失系数,m/s0.5Clk1Clk2——第1,2簇裂缝滤失系数,m/s0.5cpf——油藏流体比热容,J/(kg·K);cpl——压裂液比热容,J/(kg·K);cps——油藏岩石比热容,J/(kg·K);g——重力加速度,m/s2$G\left( \mathbf{A} \right)$——反演目标函数,K;h——裂缝高度,m;hl——牛顿冷却系数,W/(m2·K);i——x方向空间离散节点;j——y方向空间离散节点;k——时间离散节点;kb——Bolzamann常数,J/K;LN——Markov链长;Llk——滤失距离,m;m——第m次退火;n——裂缝簇编号;N——单段压裂裂缝总簇数;P——Metropolis接受概率,无因次;Q——压裂液总排量,m3/s;q——单簇裂缝压裂液排量,m3/s;q2——第2簇裂缝压裂液排量,m3/s;rw——水平井筒半径,m;t——压裂时间,s;tc(x)——停泵所持续的时间(裂缝扩展至x位置时开始停泵),s;T0——初始退火温度,K;Ti——油藏初始温度,K;Tinj——压裂液注入温度,K;Tw——井筒温度,K;Tf——裂缝温度,K;Tr——油藏温度,K;${{T}_{\text{p}}}(\mathbf{A})$——反演时理论计算温度,K;Tm——DTS实测温度,K;Tm——第m次退火温度,K;UT——综合传热系数,W/(m2·K);v——井筒压裂液流速,m/s;vi——压裂液注入裂缝速度,m/s;vlk——缝面滤失速度,m/s;vx——缝内压裂液流速,m/s;w——裂缝宽度,m;w1w2——第1,2簇裂缝宽度,m;xy——裂缝、井筒方向坐标,m;Δx——x方向网格尺寸,m;Δy——y方向网格尺寸,m;xf——裂缝半长,m;xeye——油藏边界,m;yf-r——裂缝和油藏交界位置坐标,m;z——第z次反演迭代;Z——反演迭代次数;α——温度衰减率,0.1;γ——井筒打开程度,裂缝位置γ=1,其他位置γ=0;Δt——时间步长,s;ε——容差极限,无因次;ζ——扰动系数,0.1;θ——水平井夹角,(°);λ——均匀分布的随机数,无因次;λ1——压裂液热导率,W/(m·K);λef——压裂液未侵入区平均热导率,W/(m·K);λel——压裂液侵入区平均热导率,W/(m·K);ρ1——压裂液密度,kg/m3ρi——进入裂缝的压裂液密度,kg/m3ρf——储层流体密度,kg/m3ρs——岩石密度,kg/m3τx)——裂缝x位置处压裂液开始滤失的时刻,s;ϕ——油藏有效孔隙度,%。
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