一种基于多维裂缝特征的二次压裂转向效果评价方法

本技术涉及油气田开发与储层改造，特别是涉及一种基于多维裂缝特征的二次压裂转向效果评价方法。

背景技术：

1、1 二次压裂必要性。

2、水力压裂技术是致密油藏高效开发的核心手段，通过人工造缝改善储层导流能力，实现油气高效产出。然而，油井长期生产过程中，受储层岩石压实、支撑剂嵌入、地层流体冲刷等因素影响，初次压裂形成的裂缝易发生闭合或失效，导致储层导流能力下降，单井产量持续递减。与此同时，压裂裂缝具有显著的几何各向异性，沿裂缝方向的压力扩散与渗流能力显著高于垂直方向，因此裂缝周围形成的压力传播与渗流控制范围呈典型的椭圆形。椭圆渗流区意味着裂缝之间存在未改造区域，容易形成缝间剩余油。为恢复并提升产能，重复压裂技术应运而生，其通过重新张开失效裂缝或压开新缝，成为页岩油藏稳产增产的重要技术保障。

3、2 二次压裂裂缝转向形成机理。

4、地应力变化是影响重复压裂后裂缝形态变化的主要因素之一，由于受到各种地质构造的影响，地层中的地应力分布的规律十分复杂。重复压裂过程中，裂缝扩展方向可能会发生变化，甚至产生更复杂的裂缝网。因此，在重复压裂过程中，裂缝的重定向问题是重要的考虑因素。

5、在重复压裂裂缝张开前，存在多种诱导应力场。这些诱导应力场会在原方向上进行叠加，最大水平主应力和最小水平主应力的方向会发生改变。因此，在人工裂缝附近存在1个应力重定向区，重复压裂裂缝扩展方向可能会改变。

6、研究表明：油气储层中存在人工裂缝时，裂缝周围的应力场主要可以分为远场地应力引起的生产井及裂缝附近的应力场，油气井长期的生产活动导致的储层中孔隙压力改变而引起的应力场。假设岩石处于弹性状态，由弹性力学理论以及岩石破裂准则可知，裂缝的起裂总是沿着垂直于最小水平主应力的方向。由此，应力场分布对于重复压裂井中产生新裂缝的时机和新裂缝的延伸方向有着决定性作用。

7、二维垂直裂缝所诱导的应力场为：

8、；

9、式中：为x方向上的诱导应力，mpa；为y方向上的诱导应力，mpa；p为重复压裂时在裂缝面上的作用力，mpa；r、、分别为空间任意1点到裂缝中心、下端、上端的距离，m；、、分别为任意1点与裂缝中心、下端、上端的连线与z轴的夹角，（°）；c为裂缝高度的二分之一，m。

10、初次人工裂缝形成后，随着油气井生产活动的进行，该裂缝的附近会形成1个椭圆形的区域，该区域内的孔隙压力会重新分布，从而影响裂缝走向。研究表明，油气生产过程中，初次人工裂缝的延伸方向（最大水平主应力方向）的变化较快，而与该方向垂直的水平应力分量（最小水平应力）变化较慢，且二者均呈现下降趋势，与时间和空间2个变量相关。因此，若重复压裂井生产过程中形成的诱导应力差能够与地层中的初始应力差相当，在椭圆区域内就会发生应力的重定向，即最小水平应力方向和最大水平应力方向相互转换，在此过程中，由弹性力学理论可知，重复压裂就可以产生与初始人工裂缝方向垂直的新裂缝，连通地层中更多区域，提高老油气井产量。

11、3 二次压裂裂缝转向效果评价必要性。

12、国内重复压裂技术主要应用于特低渗、超低渗油藏。由于此类储层物性差、渗透率低，长期开发过程中难以形成有效驱替通道。随着生产时间延长，初次压裂形成的人工裂缝附近区域优先动用，裂缝壁面附近原油不断采出，而裂缝侧向区域由于压力传播与渗流控制范围有限，剩余油逐渐富集。因此，通过重复压裂形成新的裂缝扩展路径，扩大原有裂缝控制范围，进一步动用裂缝侧向剩余油，是提高老井开发效果的重要途径。

13、然而，二次压裂改造效果不仅取决于压裂规模和新增裂缝体积，更关键在于新形成裂缝是否能够避开原有裂缝控制区域并发生有效转向。若二次压裂裂缝仍沿原始裂缝方向延伸，虽然能够增加一定改造体积，但对侧向剩余油区域的动用能力有限；而裂缝发生有效转向并形成新的分支裂缝网络时，才能扩大储层波及范围，提高剩余油动用程度。因此，评价二次压裂裂缝转向效果对于判断重复压裂改造有效性具有重要意义。

14、4 现有技术及存在不足。

15、现有技术中，针对二次压裂裂缝转向及效果评价已经开展了大量研究。例如，专利cn114592849a《非常规储层暂堵转向压裂实验方法》公开了一种通过模拟再现暂堵转向压裂现场的方法。该方法获取初始裂缝、一次压裂缝及二次压裂缝的特征信息，确定裂缝的转向特征，进而优化暂堵转向压裂技术。该方法能够通过实验手段分析暂堵转向过程中裂缝形态变化规律，但主要依赖物理模拟实验，对实际储层条件下复杂裂缝网络转向程度的连续量化评价能力有限。

16、专利cn120688268a《一种致密砾岩水力裂缝的起裂与扩展模拟优化方法及系统》公开了一种基于致密砾岩物理模型和水力裂缝扩展流固耦合控制方程建立数值模型的方法。该方法通过分析水力裂缝在考虑界面特征的致密砾岩中的起裂与扩展特征，为压裂方案优化提供理论依据。该方法能够预测水力裂缝起裂及扩展过程，但主要关注裂缝扩展路径及几何参数变化，未针对二次压裂过程中多裂缝竞争作用下形成的复杂裂缝网络建立转向程度评价方法。

17、专利cn120847850a《一种压裂缝控改造体积的评价方法》公开了一种通过模拟裂缝基础参数、确定压裂液效率、定量评价半缝长及评价井控半径等方法。该方法通过综合地质与工程评价效果落实剩余储量分布规律。然而，该方法能够通过改造体积等参数评价压裂改造效果，但主要反映储层改造规模，无法进一步识别新增改造区域形成机制，也难以区分裂缝沿原扩展方向延伸与发生转向形成复杂裂缝网络之间的差异。

18、专利cn106869892b《一种重复压裂井缝内暂堵起裂的判断方法》公开了一种通过分析水力裂缝延伸产生的诱导应力场、地层孔隙流体压力变化产生的诱导应力场及暂堵剂性能参数。该方法建立裂缝壁面暂堵起裂转向的判断准则，能够有效预测重复压裂井缝内暂堵裂缝的起裂位置和方位。该方法能够判断暂堵条件下裂缝重新起裂位置及方向，但主要针对裂缝起裂判据建立，未进一步考虑裂缝扩展过程中多分支、多方向裂缝网络形成后的整体转向效果评价。

19、综上，现有技术主要集中于转向机理分析、裂缝扩展模拟以及压裂改造效果评价等方面，但仍存在以下不足：（1）现有评价方法多采用裂缝长度、改造体积或转向角度等单一参数，难以全面表征复杂裂缝网络的转向特征；（2）传统转向角度评价方法主要适用于规则裂缝模型，对于实际压裂形成的非规则、多分支裂缝网络适用性不足；（3）现有方法缺少同时考虑裂缝方向变化、网络复杂程度及新增有效改造范围的综合评价体系；（4）部分评价方法缺少与生产响应的结合，无法有效判断裂缝转向形成的新改造区域是否能够带来实际产能提升。

20、因此，亟需提出一种能够针对复杂裂缝网络特征，从多个维度对二次压裂裂缝转向效果进行定量评价的方法。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于多维裂缝特征的二次压裂转向效果评价方法，旨在解决现有技术中评价指标单一、难以适用于非规则复杂裂缝网络，且缺少同时考虑裂缝方向变化、网络复杂程度及新增有效改造范围的综合评价体系，以及部分方法未与生产响应相结合的问题。

2、本技术提供了一种基于多维裂缝特征的二次压裂转向效果评价方法，所述方法包括：

3、获取目标储层地质力学参数、储层物性参数、初始裂缝特征参数及压裂施工参数，建立二次压裂裂缝扩展模拟模型；

4、基于所述二次压裂裂缝扩展模拟模型，开展不同施工方式、施工参数及地质参数条件下的裂缝扩展模拟，获取二次压裂形成的裂缝网络空间分布特征，并提取裂缝单元的空间坐标、裂缝长度、裂缝方位角及有效改造区域分布信息；

5、基于裂缝扩展模拟结果，从裂缝方向特征、裂缝网络结构特征及储层改造范围三个维度建立裂缝转向评价指标，分别计算裂缝方位圆方差、三维分形维数及新增有效改造体积率；

6、对所述裂缝方向指标、裂缝复杂性指标及改造范围指标进行无量纲化处理，根据各指标对裂缝转向效果的贡献程度确定指标权重，计算综合裂缝转向评价指数，并根据所述综合评价指数确定不同工况条件下二次压裂裂缝转向效果。

7、上述方案中，可选地，计算所述裂缝方位圆方差具体包括：

8、采用圆形统计方法，将每个裂缝单元视为方向向量，同时采用长度加权方式，基于裂缝单元走向方位角及裂缝长度数据，计算长度加权圆方差，用于描述裂缝方向分布的离散程度；

9、所述圆方差值越大，表明裂缝方位分布越分散，裂缝转向及多方向扩展特征越明显。

10、上述方案中，可选地，计算所述三维分形维数具体包括：

11、提取裂缝单元空间坐标信息，形成三维离散点集，对三个方向坐标分别进行归一化处理以消除裂缝几何尺度差异；

12、采用基于盒维数的网格覆盖法，将归一化后的裂缝空间划分为不同边长的立方盒，统计非空盒数量，在双对数坐标中拟合直线，所得直线斜率的绝对值即为裂缝的三维分形维数，用于描述裂缝网络的空间复杂程度；

13、所述分形维数越大，表明裂缝网络结构越复杂，裂缝分支及非均匀扩展特征越明显。

14、上述方案中，可选地，所述新增有效改造体积率为二次压裂新增有效改造体积与原有效改造体积之间的比值，用于表征二次压裂裂缝转向形成的新改造区域范围。

15、上述方案中，可选地，所述方法还包括：

16、将所述圆方差与裂缝走向玫瑰图相结合，对二次压裂裂缝转向特征进行定性与定量评价；

17、所述裂缝走向玫瑰图的绘制方式为：将裂缝走向角度范围0°~360°按10°间隔划分为若干统计区间，统计各角度区间内裂缝单元的累计长度，以裂缝方位角为极角，以对应方位区间内的累计裂缝长度作为径向距离绘制于极坐标系中，并将180°~360°范围内的裂缝方向映射至0°~180°。

18、上述方案中，可选地，所述指标权重采用层次分析法，根据各指标对裂缝转向特征的贡献程度构造判断矩阵，并通过几何平均法计算获得。

19、上述方案中，可选地，所述方法还包括验证步骤：

20、建立二次压裂生产模拟模型，对不同裂缝转向方案进行产能响应分析，通过比较日产油、累计油及生产动态变化规律，验证所述综合评价指数与实际增产效果之间的一致性。

21、上述方案中，可选地，所述二次压裂裂缝扩展模拟模型基于ufm模型建立，以一次压裂形成的人工裂缝与天然裂缝网络、以及一次压裂生产后的储层应力场、压力场及含油饱和度场状态参数作为二次压裂模拟的初始条件。

22、上述方案中，可选地，对三个方向坐标进行归一化处理具体为分别对裂缝单元中心的x坐标、y坐标及深度坐标进行归一化，归一化后的裂缝空间坐标用于消除裂缝在长度、高度和宽度方向上尺度差异对盒维数计算结果的影响。

23、上述方案中，可选地，所述地质力学参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、应力差及储层压力；所述压裂施工参数包括压裂排量及射孔参数；

24、所述不同施工方式包括不暂堵、均匀暂堵及优势裂缝暂堵，其中暂堵作用通过等效流动阻力方法采用调整discharge coefficient参数进行表征。

25、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

26、本技术基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有技术中存在评价指标单一、难以适用于非规则复杂裂缝网络，且缺少同时考虑裂缝方向变化、网络复杂程度及新增有效改造范围的综合评价体系，以及部分方法未与生产响应相结合的问题，通过获取目标储层地质力学参数、储层物性参数、初始裂缝特征参数及压裂施工参数，建立二次压裂裂缝扩展模拟模型，并开展不同施工方式、施工参数及地质参数条件下的裂缝扩展模拟，以获取裂缝网络空间分布特征及裂缝单元的空间坐标、裂缝长度、裂缝方位角及有效改造区域分布信息，为后续多维评价提供数据基础，克服了物理模拟实验难以连续量化评价的不足；通过从裂缝方向特征、裂缝网络结构特征及储层改造范围三个维度分别计算裂缝方位圆方差、三维分形维数及新增有效改造体积率，分别从裂缝方向离散程度、裂缝网络空间复杂程度及新增改造范围三个角度定量表征裂缝转向特征，克服了传统单一参数难以全面表征复杂裂缝网络转向特征的缺陷，同时圆方差与分形维数的引入使得本方法能够适用于非规则、多分支裂缝网络的评价，避免了传统转向角度评价方法适用性不足的问题；通过对所述裂缝方向指标、裂缝复杂性指标及改造范围指标进行无量纲化处理，并根据各指标对裂缝转向效果的贡献程度确定指标权重，计算综合裂缝转向评价指数，实现了对多维度信息的有机融合与综合定量评价，为不同施工方式、施工参数及地质条件下二次压裂方案的对比评价提供了统一量化依据。

27、本技术还至少具有以下有益效果：

28、（1）本技术突破了传统基于单一裂缝角度、裂缝长度或改造体积评价裂缝转向效果的方法，建立了融合裂缝方向特征、裂缝网络结构特征及储层改造范围特征的多维评价体系，能够更加全面地表征二次压裂裂缝转向程度。

29、（2）本技术适用于实际压裂过程中形成的多分支、多方向及非规则裂缝网络，避免了传统转向角度评价方法依赖单一裂缝方向而导致的评价偏差，提高了复杂裂缝网络条件下裂缝转向评价的适用性。

30、（3）本技术将裂缝形态特征评价与生产响应分析相结合，能够判断裂缝转向形成的新有效改造区域是否能够实现产能提升，提高了评价结果的工程指导意义。

31、（4）本技术可用于不同施工方式、施工参数及地质条件下二次压裂方案的对比评价，为重复压裂施工优化提供依据。