[发明专利]一种计算二氧化碳压裂裂缝动态滤失的方法及装置

权利要求书

1.一种计算二氧化碳压裂裂缝动态滤失的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1.获取目标井的参数信息；所述参数信息包括：井身结构参数、目标井所在地的地质参数以及目标井的施工参数；

S2.基于所述参数信息，分别建立井筒温度场模型、井筒压力场模型、裂缝温度场模型以及裂缝压力场模型；

S3.耦合所述井筒温度场模型、所述井筒压力场模型、所述裂缝温度场模型以及所述裂缝压力场模型，得到裂缝温度场和裂缝压力场；

S4.基于所述参数信息，分别建立二氧化碳压裂应力场模型、支撑剂在裂缝中的运移模型以及二氧化碳从裂缝向基质的滤失模型；

S5.根据所述裂缝温度场和裂缝压力场，耦合求解所述二氧化碳压裂应力场模型、所述支撑剂在裂缝中的运移模型以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失模型，得到二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度；

S6.基于所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度，计算二氧化碳从裂缝向基质的累计滤失量；

所述井筒温度场模型通过以下方式建立：

将井筒附近的区域细分为以下网格区域：油管内、油管、油套环空、套管、水泥环以及地层；

分别建立油管内、油管壁、油套环空、套管、水泥环以及地层的温度场方程；

油管内、油管壁、油套环空、套管、水泥环以及地层的温度场方程共同构成所述井筒温度场模型；

油管内的温度场方程为以下公式：

式中，Q₁为单位长度上二氧化碳的摩擦生热量；r₁为油管内半径；ρ₁为井筒内二氧化碳密度；v₁为井筒内二氧化碳流速；c₁为二氧化碳比热容；T₁、T₂分别为二氧化碳、油管壁温度；z为长度；α_J为二氧化碳焦汤系数；p₁为井筒内二氧化碳压力；h₁为油管内壁对流换热系数；t为时间；

油管壁的温度场方程为以下公式：

式中，λ₂、λ₃分别为油管、环空流体导热系数；T₃为环空流体温度；r₂、r₃分别为油管外半径、套管内半径；Q₂为单位长度上油管吸收的摩擦生热量；ρ₂为井筒内油管密度；c₂为油管比热容；

油套环空、套管、水泥环以及地层的温度场方程为以下公式：

式中，λ_i-1、λ_i、λ_i+1分别为径向第i-1个单元、i个单元、i+1个单元的导热系数；T_i-1、T_i、T_i+1分别为径向第i-1个单元、i个单元、i+1个单元的温度；r_i-1、r_i、r_i+1分别为径向第i-1个单元、i个单元、i+1个单元距井筒中心的距离；ρ_i为第i个单元的密度；c_i为第i个单元的比热容；

所述井筒压力场模型为以下公式：

式中，f为摩阻系数；

所述裂缝温度场模型通过以下方式建立：

将裂缝附近的区域细分为以下区域：裂缝内、滤失区域以及近缝地层；

分别建立裂缝内、滤失区域以及近缝地层的温度场方程；

裂缝内、滤失区域以及近缝地层的温度场方程共同构成所述裂缝温度场模型；

裂缝内的温度场方程为以下公式：

式中，T_f为裂缝内二氧化碳温度；q_L为二氧化碳的滤失速度；x为裂缝长度方向上距离；α_fr为二氧化碳与壁面的换热系数；ρ_f裂缝内二氧化碳密度；C_f为裂缝内二氧化碳比热容；w为裂缝宽度；T_rw为地层滤失带温度；

滤失区域的温度场方程为以下公式：

式中，δ为地层滤失带厚度；(ρC)_ef为地层密度与比热容的有效乘积；α_ef为地层有效热传导系数；T_r为储层温度；y为垂直裂缝长度方向上的距离；

近缝地层的温度场方程为以下公式：

所述裂缝压力场模型为以下公式：

式中，μ_slurry为混砂液的粘度；

所述二氧化碳压裂应力场模型为以下公式：

式中，分别为第i个裂缝单元上的法向应力、切向应力；为第i个裂缝单元上的流体压力；σ_H、σ_h分别为远场最大主应力、最小主应力；β_i为裂缝第i个裂缝单元与远场最大主应力之间的夹角；为第j个裂缝单元对第i个裂缝单元的边界应力影响系数；分别为第i个裂缝单元的切向、法向位移不连续量，即裂缝宽度；

所述支撑剂在裂缝中的运移模型为以下公式：

其中，通过以下公式计算支撑剂的水平运移速度v_px：

v_px＝v_fx·f_h

通过以下公式计算支撑剂的垂向沉降速度v_py：

通过以下公式计算惯性效应修正系数

通过以下公式计算支撑剂浓度修正系数f_c：

通过以下公式计算裂缝壁面效应修正系数f_w：

式中，c_p为支撑剂的体积浓度；w为裂缝宽度；v_px为支撑剂的水平运移速度；v_fx为裂缝内二氧化碳的水平流动速度；v_py为支撑剂的垂向沉降速度；v_s为支撑的自由沉降速度；f_h为支撑剂水平运移速度修正系数；为惯性效应修正系数；f_c为支撑剂浓度修正系数；f_w为裂缝壁面效应修正系数；μ_f为裂缝中二氧化碳的粘度；ρ_f为裂缝中二氧化碳的密度；ρ_p为支撑剂的密度；d_p为支撑剂的直径；

所述根据所述裂缝温度场和裂缝压力场，耦合求解所述二氧化碳压裂应力场模型、所述支撑剂在裂缝中的运移模型以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失模型，得到二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度，包括：

S3a.基于预设的初始参数求解所述裂缝温度场和所述裂缝压力场，得到裂缝内二氧化碳的水平流速、裂缝内二氧化碳的物性参数以及裂缝内的压力分布；所述初始参数包括：裂缝宽度、混砂液粘度以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度；

S3b.基于所述裂缝内的压力分布，求解所述二氧化碳压裂应力场模型，得到所述裂缝宽度；

S3c.基于所述裂缝内二氧化碳的水平流速、所述二氧化碳的物性参数、所述裂缝内的压力分布以及所述裂缝宽度，求解支撑剂在裂缝中的运移模型，得到混砂液粘度；

S3d.根据所述裂缝内二氧化碳的物性参数和所述裂缝内的压力分布，通过二氧化碳从裂缝向基质的滤失模型，得到二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度；

S3e.将所述裂缝宽度、所述混砂液粘度、所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度作为初始参数代入步骤S3a，重复步骤S3a-S3d，直至所述裂缝宽度、所述混砂液粘度以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度同时满足收敛条件；

其中，通过相邻两次迭代计算的计算结果，判断所述裂缝宽度、所述混砂液粘度以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度是否满足收敛条件；

所述通过相邻两次迭代计算的计算结果，判断所述裂缝宽度、所述混砂液粘度以及所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度是否满足收敛条件的方式包括：

计算最新得到的裂缝宽度与上一次迭代计算得到的裂缝宽度的差值，得到裂缝宽度差值，将所述裂缝宽度差值与预设的裂缝宽度误差阈值进行比较，当所述裂缝宽度差值小于预设的裂缝宽度误差阈值时，判定裂缝宽度满足收敛条件；

计算最新得到的混砂液粘度与上一次迭代计算得到的混砂液粘度的差值，得到混砂液粘度差值，将所述混砂液粘度差值与预设的混砂液粘度误差阈值进行比较，当所述混砂液粘度差值小于预设的混砂液粘度误差阈值时，判定混砂液粘度满足收敛条件；

计算最新得到的二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度与上一次迭代计算得到的二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度的差值，得到所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度差值，将所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度差值与预设的二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度误差阈值进行比较，当所述二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度差值小于预设的二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度误差阈值时，判定二氧化碳从裂缝向基质的滤失速度满足收敛条件。