水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法与流程

1.本发明涉及石油天然气增产技术领域，特别是涉及到一种水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法。


背景技术：

[0002]“密切割、立体式、超长水平井”是现代体积改造技术与应用的新突破，其核心是进一步缩短基质中的流体向裂缝渗流的距离，大幅降低驱动压差，增大基质与裂缝的接触面积。水平井密切割分段压裂工艺有利于增加簇间应力干扰，提高裂缝复杂程度，提升簇间资源动用效率。以获取最大储集层改造体积为目标，利用裂缝附近形成的诱导应力克服两向水平主应力差值，通过裂缝扩展方向发生偏转或沟通天然裂缝以提高裂缝复杂程度是储层压裂改造行之有效的技术手段。优化簇间距和施工工艺参数，增强缝间应力干扰程度，提高裂缝复杂程度和储层增透改造程度是密切割压裂技术的关键。
[0003]
分簇射孔是体积改造技术应用的关键，每一个压裂段采用多簇射孔(3簇或更多)时，在恒定排量下确保每簇开启的关键是限制压裂段内的射孔数，如果总孔数能够确保每簇开启有足够的节流阻力，就可实现射孔簇的全部开启，而不必采用段内暂堵技术打开未能开启的簇。由于储集层非均质性和射孔孔眼相位等因素的影响，对于如何实现各簇均衡改造问题，需要从多裂缝扩展方面进行分析。无论是分段同时压裂、分段顺序压裂，还是交替压裂和拉链式同步压裂，裂缝间的相互干扰及其对裂缝形态的控制，是现场压裂效果理想与否的关键。通过对页岩油气储层水平井分段多簇水力压裂过程中单压裂段内的多个压裂簇之间存在的相互干扰规律的大量实践认知，认为簇间距是影响缝间干扰的最主要因素，随着压裂簇间距的增大，簇间应力干扰会逐渐减小，且各裂缝的扩展变得趋于均匀；地层弹性模量的增大会促进各射孔簇裂缝的纵向延伸，但却会阻碍裂缝的横向张开；另外，压裂过程中适当增大压裂液排量对于得到长宽缝较为有利。虽然认识到了裂缝间的这种干扰行为，但对干扰强度，目前尚无有效、便捷的量化方法。
[0004]
从地质力学角度看，单裂缝平面扩展时始终沿最大水平主应力方向延伸，产生的裂缝诱导应力场影响范围主要受到缝长和缝高的最小值控制；而当单裂缝非平面扩展时，其延伸方向逐渐偏向最大水平主应力方向，当初始裂缝方位角和主应力差越小时其裂缝形态越弯曲。
[0005]
在申请号：202010035516.5的中国专利申请中，涉及到利用干扰试井理论评价压裂裂缝方法。该方法包括调查压驱井与周围邻井的连通情况，采集压驱井固井质量、压驱目的层位、动态生产信息以及沉积相带图；确定压驱压力实时监测井；确定压力实时监测井油藏中部深度、监测井与压驱井之间的距离、动态生产情况、生产管柱、井口及井场情况，确定测试方式为压力计实时监测；制定实时监测方案，确定测试施工步骤及要求；压驱过程中邻井压力实时监测原始资料验收；监测井压力曲线，进行压驱干扰时滞分析；根据压驱干扰时滞解释结果进行压驱裂缝评价。该专利技术无法计算裂缝干扰强度，因此无法对水平井压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数进行优化。
[0006]
在申请号：201711483019.6的中国专利申请中，涉及到一种致密储层体积压裂缝网扩展模拟及表征方法，包括以下步骤：步骤一、致密储层多裂缝应力干扰组合地应力场计算，利用位移不连续方法、力学机理分析和起裂与扩展准则，建立考虑多裂缝应力干扰的致密储层组合地应力场计算模型，在求解各新增裂缝微元的应力和几何参数的过程中，必须在每一时间步重新计算附加应力场，包括正应力和剪应力作用产生的叠加应力场，该附加应力场必须叠加在最后一个时间步长的应力场，以最终确定在全局坐标系xoy中新的组合应力场分布；步骤二、致密储层体积压裂水平井缝网扩展模拟，针对体积压裂多裂缝扩展过程中存在应力干扰问题，建立压裂液在主、次裂缝内部流动压降分布模型，结合步骤一中建立的体积压裂裂缝扩展组合地应力场计算模型，形成致密储层体积压裂水平井缝网扩展理论模型，模拟致密储层水平井体积压裂缝网形成过程；步骤三、复杂缝网多重孔隙空间结构描述及属性表征，综合分析不同因素对体积压裂缝网结构形态的影响，通过定义多个特征参数来表征裂缝网络结构形态及属性特征。该专利技术虽然考虑了多裂缝扩展过程中的应力干扰问题，但未定义裂缝干扰强度，更未阐述水平井压裂工艺关键参数的优化方法，因此无法对水平井压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数进行优化。
[0007]
为此我们发明了一种新的水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法，解决了以上技术问题。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是提供一种从裂缝缝长及弯曲度的联合控制角度出发，简易实施、成本低、可重复性操作的水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法。
[0009]
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法，该水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法包括：步骤1、根据开发区块地质资料、开发井测井数据，建立含水平井井段的地质力学模型；步骤2、进行单段相邻两簇射孔的压裂裂缝的起裂与扩展过程的数值模拟；步骤3、截取沿水平井井迹的垂直剖面；步骤4、将相邻两簇裂缝的近场应力辐射半径相加，并与压裂设计簇间距对比；步骤5、将测得的裂缝转向角度与设计阈值对比；步骤6、将测得的裂缝发育半径与设计阈值对比。
[0010]
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
[0011]
在步骤1中，根据开发区块地质资料、开发井测井数据，建立含水平井井段的地质力学模型，包含设置几何参数、地质力学参数、模型内外边界条件。
[0012]
在步骤1中，在确定几何尺寸时，选定模型在最大水平主应力方向及最小水平主应力方向的几何尺寸分别为1000m，垂直地应力方向的尺寸是以水平井井迹为中心、上下各增加500m。
[0013]
在步骤1中，在确定地质力学参数时，根据油藏地质资料、连续测井数据以及实际取芯的岩心岩石力学试验测试数据，获得待储层及隔层的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、孔隙度、渗透率。
[0014]
在步骤1中，在确定模型边界条件时，根据实际区块的原始地应力数据，获得包括最大水平主应力σ
h
、最小水平主应力σ
h
、最大垂直主应力σ
v
，将σ
h
、σ
h
和σ
v
分别施加在模型的六个面；在模型中沿水平井井迹、选择任意一段的各簇射孔的设计位置，施加定流量边界条件，流量大小取值为压裂施工设计参数。
[0015]
在步骤2中，基于上述地质力学模型，依据压裂工艺设计参数，进行单段相邻两簇射孔的压裂裂缝的起裂与扩展过程的数值模拟，计算时长为压裂施工设计参数，总的注入液量为压裂施工设计参数；在模拟的过程中，模拟会得到各簇裂缝的起裂、延伸过程、以及延伸过程中的应力演化，在压裂裂缝起裂之前，裂缝尖端有高度的应力集中，一旦裂缝起裂，则应力即刻释放，并转移至裂缝近场区域。
[0016]
在步骤3中，在模拟得到压裂裂缝的扩展过程及应力场演化图之后，截取沿水平井井迹的垂直剖面，首先分别度量两簇压裂裂缝轨迹各自与水平井井迹法线的夹角，得到非平面裂缝的转向角度a1和a2；接着分别度量该剖面上、相邻两簇压裂裂缝各自的近场应力辐射半径r1和r2，该辐射半径的大小由裂缝近场区域应力值与初始地应力值对比判断，裂缝近场区域内的应力值均大于等于初始地应力值。
[0017]
在步骤4中，将相邻两簇裂缝的近场应力辐射半径相加，如果二者之和小于压裂设计簇间距，则进一步优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模这些工艺参数，流程返回到步骤1；如果二者之和大于等于压裂设计簇间距，流程进入到步骤5。
[0018]
在步骤5中，将测得的裂缝转向角度与设计阈值对比，如果大于设计阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模这些工艺参数，流程返回到步骤1；如果测得的裂缝转向角度小于等于设计阈值，流程进入到步骤6。
[0019]
在步骤6中，将测得的裂缝发育半径与设计阈值对比，如果小于设计阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模这些工艺参数，流程返回到步骤1；如果测得的裂缝发育半径大于等于设计阈值，流程结束。
[0020]
本发明中的水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法，可以以优化水平井压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数。本发明通过对压裂裂缝转向角度、裂缝发育半径、应力阴影区辐射半径三参量的联合控制，实现了对水平井分段压裂裂缝干扰强度的量化分析，本发明可来用以优化水平井压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数，为提高油田有效开发提供技术保障。
附图说明
[0021]
图1为本发明的一具体实施例中含水平井单压裂段的三维地质力学模型的示意图；
[0022]
图2为本发明的一具体实施例中相邻两簇压裂裂缝各自的近场应力辐射半径；
[0023]
图3为本发明的一具体实施例中两簇非平面压裂裂缝轨迹与水平井井迹法线的夹角以及裂缝发育半径；
[0024]
图4为本发明的一具体实施例中基于近场应力辐射半径、裂缝发育半径和转向角度的裂缝干扰强度量化计算结果；
[0025]
图5为本发明的水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
[0026]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0027]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
[0028]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
[0029]
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
[0030]
如果只单一地进行水平井分段压裂裂缝应力阴影区这一单一因素的计算分析，应力阴影区的辐射区域很难准确反映相邻两簇裂缝之间实际相互干扰强度的大小；如果只单一地进行压裂裂缝发育高度(半径)的计算，则不足以对裂缝的起裂延伸路径的有效性做出准确判断。所以，可充分考虑三维地质力学模型的应力场、裂缝形成时空坐标的内因影响和联系，裂缝偏转角、裂缝发育半径、应力阴影辐射半径三个测量指标从不同角度有机结合，互为补充：应力阴影区可以帮助理解、推演所观测到的裂缝起裂与扩展的成因和模式；三维裂缝的起裂扩展路径可以帮助解释区域应力集中、释放和迁移的规律。
[0031]
本发明正是基于这一思路，通过对压裂裂缝转向角度、裂缝发育半径、应力阴影区辐射半径三参量的联合控制，实现了对水平井分段压裂裂缝干扰强度的量化分析，如图5所示，图5为本发明的水平井压裂裂缝干扰强度的计算方法的流程图。
[0032]
步骤101、根据开发区块地质资料、开发井测井数据，建立含水平井井段的地质力学模型，包含设置几何参数、地质力学参数、模型内外边界条件；
[0033]
含水平井井段的地质力学模型包括几何尺寸、地质力学参数、模型内外边界条件三个方面。几何尺寸确定：选定模型在最大水平主应力方向及最小水平主应力方向的几何尺寸分别为1000m，垂直地应力方向(z方向)的尺寸是以水平井井迹为中心、上下各增加500m。地质力学参数确定：根据油藏地质资料、连续测井数据以及实际取芯的岩心岩石力学试验测试数据，获得包括：待储层及隔层的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、孔隙度、渗透率。模型边界条件：根据实际区块的原始地应力数据，获得包括最大水平主应力σ
h
、最小水平主应力σ
h
、最大垂直主应力σ
v
，将σ
h
、σ
h
和σ
v
分别施加在模型的六个面(z、x、y三个方向)；在模型中沿水平井井迹、选择任意一段的各簇射孔的设计位置，施加定流量边界条件，流量大小取值为压裂施工设计参数。
[0034]
步骤102、基于上述地质力学模型，依据压裂工艺设计参数，利用数值模拟软件，进行单段相邻两簇射孔的压裂裂缝的起裂与扩展过程的数值模拟；
[0035]
可利用任何能够模拟水力压裂裂缝扩展的数值计算软件上，进行该水平井地质力学模型压裂过程的模拟，计算时长为压裂施工设计参数，总的注入液量为压裂施工设计参数。在模拟的过程中，模拟会得到各簇裂缝的起裂、延伸过程、以及延伸过程中的应力演化，在压裂裂缝起裂之前，裂缝尖端有高度的应力集中，一旦裂缝起裂，则应力即刻释放，并转移至裂缝近场区域。
[0036]
步骤103、截取沿水平井井迹的垂直剖面，首先分别度量两簇压裂裂缝轨迹各自与水平井井迹法线的夹角，得到非平面裂缝的转向角度；接着分别度量两簇压裂裂缝各自的
平均发育半径；再进一步分别度量该剖面上、相邻两簇压裂裂缝各自的近场应力辐射半径；
[0037]
在模拟得到压裂裂缝的扩展过程及应力场演化图之后，截取沿水平井井迹的垂直剖面，首先分别度量两簇压裂裂缝轨迹各自与水平井井迹法线的夹角，得到非平面裂缝的转向角度a1和a2；接着分别度量该剖面上、相邻两簇压裂裂缝各自的近场应力辐射半径r1和r2，该辐射半径的大小由裂缝近场区域应力值与初始地应力值对比判断，裂缝近场区域内的应力值均大于等于初始地应力值。
[0038]
步骤104、将相邻两簇裂缝的近场应力辐射半径相加，如果二者之和小于压裂设计簇间距，则进一步优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数，重复上述步骤；
[0039]
将测得的相邻两簇裂缝的近场应力辐射半径r1和r2相加，如果二者之和小于压裂设计簇间距，则进一步优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数。
[0040]
步骤105、将测得的裂缝转向角度与设计阈值对比，如果大于设计阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数，重复上述步骤；将测得的裂缝转向角a与设计阈值对比，该设计阈值一般在15～30
°
之间，如果转向角大于设定阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数。
[0041]
步骤106、将测得的裂缝发育半径与设计阈值对比，如果小于设计阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数，重复上述步骤；
[0042]
将测得的裂缝发育半径h与设计阈值对比，该设计阈值一般在100～200m之间，如果小于设计阈值，则优化压裂工艺的簇间距、施工排量、施工规模等工艺参数，重复上述步骤。
[0043]
在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤：
[0044]
步骤一，建立含水平井井段的地质力学模型，如图1所示，模型几何尺寸：选定模型在最大水平主应力方向及最小水平主应力方向的几何尺寸分别为1000m，垂直地应力方向(z方向)的尺寸是以水平井井迹为中心、上下各增加500m。地质力学参数确定：根据油藏地质资料、连续测井数据以及实际取芯的岩心岩石力学试验测试数据，具体地质力学参数：储层的弹性模量25gpa、泊松比0.22、内聚力19mpa、内摩擦角30
°
、抗拉强度3mpa、孔隙度12％、渗透率1md。隔层的弹性模量35gpa、泊松比0.20、内聚力25mpa、内摩擦角35
°
、抗拉强度4mpa、孔隙度7％、渗透率0.6md。模型外边界条件：最大水平主应力σ
h
＝55mpa、最小水平主应力σ
h
＝48mpa、垂直主应力σ
v
＝65mpa，将σ
h
、σ
h
和σ
v
分别施加在模型的六个面(z、x、y三个方向)；在模型中沿水平井井迹、选择其中一段的两簇射孔为对象，施加定流量边界条件，流量大小取值为8m3/min，簇间距30m。
[0045]
步骤二，本实施例利用数值模拟软件rfpa，进行该水平井地质力学模型压裂过程的模拟，计算时长70min，总的注入液量为压裂施工设计参数。在模拟的过程中，模拟会得到各簇裂缝的起裂、延伸过程、以及延伸过程中的应力演化，在压裂裂缝起裂之前，裂缝尖端有高度的应力集中，一旦裂缝起裂，则应力即刻释放，并转移至裂缝近场区域。
[0046]
步骤三，在模拟得到压裂裂缝的扩展过程及应力场演化图之后，截取沿水平井井迹的垂直剖面，首先分别度量两簇压裂裂缝轨迹各自与水平井井迹法线的夹角，得到非平面裂缝的转向角度a1＝15
°
和a2＝32
°
，如图2所示，灰度的亮度高低代表应力大小；接着度量两簇裂缝的各自发育半径h1＝120m、h2＝100m；进一步分别度量该剖面上、相邻两簇压裂裂缝各自的近场应力辐射半径r1＝10m和r2＝12m，该辐射半径的大小由裂缝近场区域应力
值与初始地应力值对比判断，裂缝近场区域内的应力值均大于等于初始地应力值，如图3所示。
[0047]
步骤四，将测得的相邻两簇裂缝的近场应力辐射半径r1和r2相加，如果二者之和为22m，小于压裂设计簇间距，则进一步优化压裂工艺的簇间距，簇间距缩小至10m，重复步骤一至步骤三，裂缝近场应力辐射半径和裂缝转向角均符合设计阈值，最终确定合理簇间距，如图4。
[0048]
步骤五，将测得的裂缝转向角a与设计阈值对比，该设计阈值在实施例中取值15
°
，转向角大于设定阈值，所以优化压裂工艺的簇间距，簇间距增大至15m，重复上述步骤一至步骤四。
[0049]
步骤六，将测得的裂缝发育半径h与设计阈值对比，该设计阈值在实施例中取值100m，两个裂缝发育半径均大于设定阈值，所以优化后的压裂工艺的簇间距15m合理。
[0050]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。