水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律_李婷婷.pdf

断块油气田2023年1月水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律李婷婷1，2，许文俊1，2，3，王雷1，2，江枫1，2，张健鹏1，2（1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100；2.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉430100；3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验，四川 成都610500）基金项目：油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金项目“陆相页岩气水平井密切割暂堵均衡压裂控制机理与优化研究”（PLN202109）；国家自然科学基金联合基金重点项目“四川深层页岩气水平井缝网压裂填砂暂堵物理”（U19A2043）摘要投球暂堵转向技术是水平井分段多簇压裂实现多簇裂缝均衡扩展的主要技术之一，由于暂堵球在水平井筒内的运移封堵规律尚不明确，该技术应用效果并不佳。基于此，文中采用CFD+DEM耦合方法建立暂堵球水平井筒运移封堵模型，分析暂堵球密度、施工排量、压裂液黏度、投球数、暂堵球直径和孔眼出口应力分布状态对暂堵球井筒运移封堵行为的影响规律，并结合室内实验结果验证模型的准确性。模拟结果表明：增大暂堵球密度与压裂液黏度，封堵效率先减小后增大，密度与黏度的转折点分别为1 300 kg/m3，20 mPas；增加施工排量与投球数，封堵效率持续增大，但增大幅度渐缓，排量达到16 m3/min后，封堵效率基本稳定，投球数为24个时暂堵球有效利用率最高；暂堵球直径越小，封堵效率越高，使用1.25倍孔眼直径的暂堵球坐封效果最佳；压裂段内应力非均匀分布导致各簇孔眼出口流速不同，合理的施工参数方案有利于增强单簇孔眼封堵效果与出口流速的正相关性。基于上述模型优选出的施工参数方案，现场应用效果良好，验证了模型的工程应用价值。关键词非常规油气；分段多簇压裂；暂堵球；运移封堵；CFD+DEM耦合中图分类号：TE357.1文献标志码：A引用格式：李婷婷，许文俊，王雷，等.水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律J.断块油气田，2023，30（1）：168176.LI Tingting，XU Wenjun，WANG Lei，et al.Temporary plugging ball migration and plugging law of staged multi-cluster fracturing in horizontalwellsJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（1）：168176.Temporary plugging ball migration and plugging law of staged multi-clusterfracturing in horizontal wellsLI Tingting1，2,XU Wenjun1，2，3,WANG Lei1，2,JIANG Feng1，2,ZHANG Jianpeng1，2（1.School of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.Key Laboratory of Drilling and ProductionEngineering for Oil and Gas,Wuhan 430100,China;3.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)Abstract:Theball-droptemporarypluggingandsteeringmethodisoneofthemaintechnicalmeanstorealizethebalancedexpansionofmultiplefracturesofstagedmulti-clusterfracturinginhorizontalwells.Becausethemigrationandplugginglawofthetemporarypluggingball in horizontal wells is not clear,the application effect of this technology is not good.Based on this,this paper adopts CFD+DEMcoupling method to establish the migration and plugging modeloftemporary plugging ballin horizontalwellbore,analyzes the influencelaw of temporary plugging ball density,construction displacement,fracturing fluid viscosity,ball quantity,ball diameter and stressdistributionstateatholeoutletonthemigrationandpluggingbehavioroftemporarypluggingballinwellbore,andverifiestheaccuracyofthemodelcombinedwithlaboratoryexperimentalresults.Thesimulationresultsshowthatthepluggingefficiencyfirstdecreasesandthenincreases with the increase of temporary plugging ball density and fracturing viscosity,and the turning points are 1,300 kg/m3and 20mPas,respectively.Whentheconstructiondisplacementandballcountwereincreased,thepluggingefficiencycontinuedtoincrease,butthe increase rate gradually slowed down.When the displacementreached 16 m3/min,the plugging efficiency was basically stable,and the utilization rate of temporary plugging balls was thehighest when 24 balls were thrown.The smaller the diameter oftemporary plugging ball is,the higher the plugging efficiency is.The best plugging effect is the temporary plugging ball with 1.25times the hole diameter.The non-uniform distribution of stress in收稿日期：20220907；改回日期：20221206。第一作者：李婷婷，女，1997年生，在读硕士研究生，主要从事非常规油气藏水力压裂数值模拟研究。E-mail：。通信作者：许文俊，男，1991年生，讲师，博士，主要从事油气藏增产改造理论与技术方面的研究与教学工作。E-mail：。doi:10.6056/dkyqt202301024断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD第30卷第1期第30卷第1期0引言水平井分段多簇压裂是非常规油气藏增产改造的主要技术。由于缝间应力干扰、储层非均质性和各簇裂缝近井扭曲程度差异等因素的影响，同一压裂段内各簇水力裂缝的非均衡扩展现象严重12。投球暂堵转向技术是实现多簇裂缝均衡扩展的主要技术之一，但目前暂堵球在水平井筒内的运移封堵规律尚不明确，该技术主要靠工程经验开展设计，应用效果不佳。因此，亟需开展水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律的研究。目前，针对暂堵球井筒运移封堵规律，国内外一些学者已采用室内实验36、理论分析710和数值模拟1113等方法开展了相关研究。部分学者采用暂堵球井筒运移物理模拟装置研究了不同工程参数条件下暂堵球的井筒运移规律。实验结果表明：注入排量、压裂液黏度、暂堵球密度是决定暂堵球封堵效率的关键因素；注入排量越大、压裂液黏度越高、暂堵球密度越大，越有利于暂堵球坐封孔眼36。室内实验初步揭示了暂堵球的运移规律，但只能提供一些定性认识，其受限于设备规模与承压能力，实验参数与现场差异较大，因此对实际工程应用的指导意义有限。在实验研究的基础上，学者们采用理论分析方法建立了一系列暂堵球井筒运移解析模型，采用暂堵球受到的拖曳力与惯性力的比值表征其封堵孔眼的能力，一定程度上揭示了暂堵球井筒运移封堵机理710。然而，由于暂堵球在水平井筒内的运移与封堵行为是一个较为复杂的流固耦合问题，上述解析模型对流体与暂堵球的复杂作用机制进行了大量的简化假设，降低了模型预测结果的准确度，导致一些潜在机理与规律无法被揭示。基于此，学者们开始采用颗粒流体两相流模拟方法研究暂堵球在水平井筒内的运移封堵行为，但目前尚处于探索阶段，仅有少量采用计算流体力学（CFD）+离散颗粒模型（DPM）和CFD+稠密离散颗粒模型（DDPM）流固耦合模拟方法的研究工作被报道1112。但是，DPM与DDPM方法难以准确刻画暂堵球间的相互作用过程，且针对暂堵球间相互作用力对其运移封堵过程的影响研究相对较少，无法准确揭示暂堵球水平井筒运移封堵规律13。为此，本文基于CFD+离散元模型（DEM）流固耦合方法，建立了水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵模型。该耦合算法可精准捕捉暂堵球在水平井筒内运移过程中的位置、运动速度、接触力及其他相互作用力等信息，分析暂堵球密度、施工排量、压裂液黏度、投球数、暂堵球直径和孔眼出口应力分布状态对暂堵球井筒运移封堵行为的影响规律，采用室内实验结果验证模型，并开展了影响因素与工程应用研究。该研究成果对投球暂堵转向工艺参数的优化设计具有一定的理论与指导意义。1数学模型暂堵球井筒运移封堵是一个复杂的力学问题，涉及多个物理过程的耦合作用，具体包括井筒内流体运动过程、暂堵球运动过程以及暂堵球间相互作用过程。1.1流体运动方程在实施水平井分段多簇压裂时，通常采用黏度较低的滑溜水压裂液，可将其视为不可压缩的牛顿型液体，井筒流动过程中其满足质量守恒和动量守恒定律1416：鄣鄣tllll+塄llvlll=0鄣鄣tllvlll+塄llvlll=-l塄p+塄llll+llg+Mpllllllllllllll（1）式中：t为时间，s；l为液体密度，kg/m3；l为液体体积系数；塄为哈密顿算子；vl为液体流速，m/s；p为流体压力，Pa；l为黏性应力，Pa；g为重力加速度，m/s2；Mpl为暂堵球与液相的动量交换源项，N/m3。动量交换源项计算公式为Mpl=1VNballi=1Fd，i（2）式中：V为计算单元的体积，m3；Nball为投球数，个；Fd，i为液体对暂堵球i的作用力（包括流体拖曳力、剪切升力和旋转升力等），N。1.2暂堵球运动方程在固液两相流动中，暂堵球的运动规律遵循牛顿第二定律，主要作平移和旋转运动。暂堵球井筒运移过程中主要受重力，浮力，流体对球的拖曳力、剪切升力和旋转升力，以及球与球之间的接触力，其他作用力相the fracturing stage leads to different exit velocity of each cluster hole.Reasonable construction parameter scheme is beneficial toenhance the positive