基于缝网沟通的页岩气井压裂实验装置及参数优化方法与流程

本发明涉及页岩气地质-工程一体化开发，具体是基于缝网沟通的页岩气井压裂实验装置及参数优化方法。

背景技术：

1、我国页岩气资源丰富，总可采资源量达36×1012m3，居世界首位。页岩气作为清洁化石能源之一，自2008年以来，中国通过十余年页岩气勘探开发攻关，已实现海相页岩气的效益开发，2022年全国页岩气产量达到240×108m3。但前期受地质认识的不充分性，页岩气藏开发具有井距较大(＞500m)、储量动用程度低、采收率较低的特点，为此国内外学者纷纷提出利用立体开发调整或小井距布井模式以提高页岩气采收率。但在实施过程中，受储层动用和空间距离的影响，压裂干扰不可避免。当储层天然裂缝发育、空间距离较小时，新老井的人工压裂缝与天然裂缝共同构成的裂缝系统可能存在沟通，对气井生产造成负面影响，称之压窜现象。压窜后具体的表现有：老井复产后新井井口压力明显下降、老井积液严重难恢复、水淹后制约气井产能，严重时还会导致老井井喷出砂、套管变形报废等等。故基于缝网沟通的页岩气井压窜诊断及施工优化研究，既十分必要又具有积极的实际意义。

2、调研国内外研究学者多通过可压性评价、压裂模拟、四维应力耦合等方法开展压裂参数优化；常常采用机理分析、现代试井解释法开展页岩气井组的缝网沟通诊断。无论是哪种方法，均存在一定的局限性。比如老井各段动用程度刻画不够精细，无法指导待评价井段簇间压裂规模的差异化；在压裂过程中不能准确识别缝网沟通，无法及时调整压裂规模以避免进一步的压窜。并且目前为避免压窜提出各种优化手段，并没有提及压窜具体响应特征和不同程度压窜所需的压裂优化措施。

3、随矿场压窜矛盾凸显和压裂干扰机理逐渐明晰，因此，有必要提供基于缝网沟通的页岩气井压裂实验装置及参数优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对储量动用不均衡性、地应力分布不均等问题，精准高效地改造老井井控范围外储层；并根据井间裂缝系统沟通性，在避免压窜的前提下，尽可能地增加待评价井井控范围，最大限度地提高储量动用水平。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于缝网沟通的页岩气井压裂参数优化方法，包括如下步骤：

3、步骤一：基于测井、地震、实验数据，获取页岩气压窜井组构造特征、地质参数、天然裂缝发育情况，获取新老井压裂工艺及压裂施工参数、老井动态响应数据；

4、步骤二：根据研究工区天然裂缝发育程度，按照裂缝导流能力的大小，将裂缝系统的沟通类型简化为老井低导流裂缝-新井低导流裂缝沟通、老井低导流裂缝-新井高导流裂缝沟通、老井高导流裂缝-新井低导流裂缝沟通、老井高导流裂缝-新井高导流裂缝沟通；将新井压裂期间老井压力波动类型、压力涨幅及复产后生产特征的变化进行归类，匹配到不同的裂缝系统的沟通类型，建立不同缝网沟通类型下老井压力波动特征及压力涨幅规律图版；

5、步骤三：基于机器学习，采用lightgbm回归算法，建立待评价井压裂期间老井压力涨幅预测模型和新井产能预测模型；

6、步骤四：利用微地震监测数据、示踪剂监测资料、产剖测试资料，开展剩余储量精细刻画，针对不同剩余气分布规律，提出待评价井差异化压裂改造工艺；

7、步骤五：基于四维耦合模型，开展待评价井压裂缝网模拟，优化待评价井压裂施工参数；

8、步骤六：观察新实施井施工过程中，老井压力波动类型及涨幅，根据不同缝网沟通类型下老井压力波动特征及压力涨幅规律图版，诊断新老井缝网沟通水平，实时优化新实施井压裂段的压裂工艺及施工参数。

9、进一步地，步骤三中基于机器学习，采用lightgbm回归算法，建立待评价井压裂期间老井压力涨幅预测模型和新井产能预测模型包括：采用lightgbm回归算法，将新井压裂施工参数作为模型输入项，将老井压力涨幅、新井产能作为预测目标，分析新井压裂施工参数与老井压力涨幅、新井产能之间的非线性关系，利用递归特征消除法，开展多次训练，逐步剔除排序准则较小的压裂施工参数，确定最优回归模型评估指标，以模型精度为拟合目标，采用样本集数据进行训练，确定各评价参数的权重，建立基于lightgbm回归算法的老井压力涨幅预测模型和新井产能预测模型。

10、进一步地，步骤四中，针对不同剩余气分布规律，提出待评价井差异化压裂改造工艺包括：当相邻老井各压裂段改造中压裂缝长的标准差均＜1时，未动用地质储量视为连续型剩余气，待评价井采用密切割均匀改造工艺；当相邻老井各压裂段改造中压裂缝长的标准差均＞1，立体加密井间剩余气为离散型时，待评价井采用避射+控液提砂的精准改造工艺；当一口老井各压裂段改造中压裂缝长的标准差＞1&另外一口老井各压裂段改造中压裂缝长的标准差＜1，井间剩余气仍为连续型时，待评价井采用交错部缝+段簇差异化改造工艺。

11、进一步地，步骤五中，基于四维耦合模型，开展待评价井压裂缝网模拟，优化待评价井压裂施工参数包括：以当前井距、老井井控条件下的最大裂缝长度作为待评价井裂缝长度上限，确定各压裂施工参数上限值，利用老井压力涨幅预测模型、新井产能预测模型和开展的待评价井压裂缝网模拟，以预测产能最优、60％×(井距-老井裂缝半长)<模拟压裂段裂缝半长<90％×(井距-老井裂缝半长)、老井压力涨幅≤5mpa为原则，优化待评价井各压裂段在不同动用程度下的最佳压裂施工参数。

12、进一步地，步骤六中，实时优化新实施井压裂段的压裂工艺及施工参数包括：实时监测新实施井压裂施工过程中，老井压力波动类型及涨幅，当预测井间形成缝网沟通，或新实施井的高导流能力缝与老井缝网系统形成沟通时，调整待评价井压裂工艺及施工参数；

13、新实施井施工参数调整准则为：①当老井压力超出压裂前关井压力的20-50％或涨幅超出预测值5-10％，主要压裂参数取值下调5％；②当老井压力超出压裂前关井压力的50-100％，或涨幅超过预测值10-20％，主要压裂参数取值下调5-10％；③当老井压力超出压裂前关井压力的100％及以上，或涨幅超过预测值20％及以上，主要压裂参数取值下调10-15％；④当老井压力较压裂前关井压力基本不变，主要压裂参数取值上调0-10％且每次调整幅度为1-2％，直至老井压力较压裂关井前压力最高不超过3mpa。

14、基于缝网沟通的页岩气井压裂实验装置，用于以实验的方式观察新实施井施工过程中，老井压力波动类型及涨幅，以及根据不同缝网沟通类型下老井压力波动特征及压力涨幅规律图版，诊断新老井缝网沟通水平，以便验证新实施井压裂段的压裂工艺的有效性，包括：

15、至少两个第一模拟装置，用于模拟老井；

16、第二模拟装置，用于模拟新实施井；

17、将两个第一模拟装置进行沟通连接、第一模拟装置和第二模拟装置进行沟通连接的连通装置；以及

18、计算机断层扫描，用于分别扫描第一模拟装置、第二模拟装置，从而获取缝网沟通类型。

19、进一步地，所述第一模拟装置、第二模拟装置均包括：

20、上盖；

21、下盖，所述下盖和上盖之间套设有套筒，所述套筒内部放置有第一岩样；

22、轴套，其设置于所述下盖和上盖之间，且与所述套筒之间存在环隙；以及

23、加压座，其滑动贯穿所述上盖，所述加压座中设置有井筒和复合管，其中，所述复合管用于对第一岩样进行真空抽吸处理以及供给流体并对流体进行保压处理；

24、其中，所述第一模拟装置中的井筒中还设置有压力传感器，用于获得老井压力波动类型及涨幅。

25、进一步地，所述第一岩样为完整柱状结构，所述套筒和轴套之间的环隙中充入有液压油，用于对第一岩样施加围压，所述加压座通过移动能够对第一岩样施加轴压。

26、进一步地，所述连通装置包括：

27、外筒，其一端嵌入有第一呼吸座，另一端为第一开口；

28、内筒，其一端嵌入有第二呼吸座，另一端嵌入有密封筒，所述密封筒能够密封伸入所述第一开口中；以及

29、位于所述密封筒中的第二岩样，所述第二岩样为颗粒状；

30、所述第一呼吸座和第二呼吸座允许流体经过并能够拦截第二岩样。

31、进一步地，所述连通装置采用管体与所述套筒相连，所述外筒与所述密封筒之间的距离可调。

32、与现有技术相比，本发明提供了基于缝网沟通的页岩气井压裂实验装置及参数优化方法，具备以下有益效果：

33、本发明，基于缝网沟通制定页岩气井压裂工艺及参数优化方法，可有效指导待评价井差异化压裂分段分簇设计，实时诊断压裂过程中缝网沟通类型，并提出新实施井压裂段的压裂工艺及参数优化调整建议，为全力保障页岩气井产能提供科学指导，对页岩气合理、高效开发具有重要意义；

34、本发明，从页岩气井组压窜评价、缝网沟通诊断图版建立、老井压力响应预测、新井产能预测等四个方面开展页岩气待评价井压裂工艺及施工参数差异化设计及动态优化研究。明确井间缝网沟通类型分为四类，老井关井期间压力也呈现4种不同的波动类型，其中新井压裂缝与老井天然裂缝、压裂缝沟通时，老井产能明显下降，实际施工过程中需避免。

35、本发明，基于机器学习，筛选出新井产能主控因素为新井加砂强度、中粗砂占比、簇间距、注液强度、压裂段长等；明确老井压力涨幅过高时，主要优化参数为施工排量、单段注液量、注液强度、中粗砂占比、砂液比等，指导矿场页岩气老井表现出压窜迹象时压裂工艺及参数优化调整方向。评价参数全面综合、方法简洁快速，可以准确开展页岩气井压窜前的缝网沟通趋势预测，指导压裂施工优化以实现气井产能最大化。

36、本发明，应用于渝东南地区南川页岩气田奥陶系五峰组-志留系龙马溪组页岩气水平井水力压裂优化工作，新实施井均已达到预期产能，且相邻老井也取得不同程度的增能提产效果。平均单段压裂成本降低至80-90万元/段，节约压裂成本10.2％，实施后稳定初产5.8-6.5万方/天，产能较方案提升15.7％。待评价井压裂实施过程中，通过动态优化施工排量、单段液量、砂型、砂液比等参数，老井套压波动类型中平稳上涨型占比74％，无明显压窜案例；占比90％的老井复产后的产量恢复至或高于邻井压裂前水平，20口老井压裂受效累计提产0.75亿方。

37、本发明，可广泛应用于不同盆地、不同层系、不同类型页岩气藏开发领域，针对页岩气田利用立体开发调整或小井距布井模式挖掘剩余气、提高储量动用率及采收率有广阔的应用前景，将有力支撑我国天然气供给和绿色低碳能源转型。