CN103052761B - 使用裂缝高度和原地应力的水力裂缝处理的自动阶段设计 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方案涉及一种用于处理地下岩层的方法，所述方法包括：测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；基于所述力学性质确定岩层裂缝高度；基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；基于所述估计标识水力压裂处理阶段；以及在所述阶段中执行水力压裂处理。本发明的实施方案还涉及一种用于处理地下岩层的方法，所述方法包括：测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；基于所述力学性质确定目标区带；基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；基于所述估计标识水力压裂处理阶段；以及在所述阶段中执行水力压裂处理。
Description
领域
本申请的实施方案涉及模型化地下岩层中的裂缝及使用来自所述模型的信息处理岩层的方法和装置。
背景
在致密气层中，当在井中的大井深井段存在许多含气层(产油带)时，常常在多个阶段中进行水力压裂处理。最小水平原地应力对水力裂缝高度具有很强影响，且水力裂缝高度是在设计处理时要考虑的重要因素。当产油带的数量很大(超过100)时，人工设计致密气层的分阶段水力压裂处理很费时。压裂处理的设计取决于许多因素，如岩层的岩石物理性质和地质力学性质。算法可用于基于岩石物理性质的分阶段设计，但这种算法未考虑原地应力。最小水平原地应力对水力裂缝高度具有很强影响(图1现有技术)，且水力裂缝高度是在设计处理时要考虑的重要因素。裂缝高度可确定一个裂缝激发出多少产油带，及多少裂缝被组合为一个阶段。设计目标在于由许多水力裂缝激发出全部产油带，且没有或仅有最小的裂缝高度重叠。可以根据裂缝高度模型和最小水平原地应力分布与深度的关系来估计每个裂缝高度。理想地，使用考虑了原地应力和裂缝高度的计算机程序来自动设计这种分阶段处理。
附图
图1(现有技术)是层状岩层中的垂直裂缝的剖视图。
图2是使用应力和算法精化的阶段确定的代表图。
图3是产油带应力差的代表图：(a)需要一个裂缝；(b)需要两个裂缝。
图4是三个重叠高度的代表图，其中中间高度具有最小应力。
图5是裂缝高度和裂缝单元确定和所得阶段设计的示例性屏幕快照。
图6是力学性质和模型输出的示意图。
概述
本发明的实施方案涉及一种用于处理地下岩层的方法，包括：测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；基于所述力学性质确定岩层裂缝高度；基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；基于所述估计辨别水力压裂处理阶段；以及在所述阶段中执行水力压裂处理。本发明的实施方案也涉及一种用于处理地下岩层的方法，包括：测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；基于所述力学性质确定目标区带；基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；基于所述估计辨别水力压裂处理阶段；以及在所述阶段中执行水力压裂处理。
描述
开始时应注意，在开发任何这种实际实施方案时，必须做出许多实施特有的决定以实现开发者的具体目标，如遵守依不同实施而不同的系统相关及商业相关约束。此外，将了解，这种开发努力可能是复杂和费时的，但对于受益于本公开的本领域技术人员来说仍将是例行任务。此外，本文使用/公开的组合物还可能包含除引用的部件之外的一些部件。在发明摘要和此详细描述中，除非在上下文中另行指出，否则每个数值应理解一次为由术语“大约”修饰(除非已明确如此修饰)，然后再次理解为不如此修饰。此外，在发明摘要和此详细描述中，应理解，列举或描述为有用的、适合的或类似物的浓度范围旨在认为已经陈述在范围之内的包括端点的全部浓度。例如，“从1至10的范围”将被理解为指示沿在约1与约10之间的连续统的每个可能的数。因此，即使仅明确标识或提及一些在范围之内的具体数据点，乃至未明确标识或提及在范围之内的数据点，也将理解为发明人了解与理解认为已经说明了在所述范围之内的全部数据点，而且发明人拥有关于整个范围和在所述范围之内的全部点的知识。本文做出的陈述仅提供与本公开有关的信息，而不能构成现有技术，并且可以描述说明本发明的一些实施例。
本发明的实施方案包括一种用于基于最小水平原地应力自动设计多产油带岩层中的多阶段水力压裂处理的方法。开发所述方法以选择激发全部产油带所需要的水力裂缝的数量和位置，而同时没有或仅有最小裂缝重叠。然后基于每个处理阶段可用的泵送能力将水力裂缝组合在一起，以确定处理整个井所需要的阶段数。
所述方法适用于致密气层中的垂直或略斜井。对于这种岩层，需要长裂缝以实现增产。致密气层常常由页岩与砂岩层段组成，且气体生产主要来自砂岩层。所述方法的适用性取决于将裂缝高度限制到实际量的应力差。当不存在足够大以限制裂缝高度生长的应力差时，处理阶段设计需要其它法则。
如以上简述和由图1(现有技术)所图示，岩层之间的应力差可能形成抑制裂缝高度生长的障碍。取决于岩石性质和裂缝处理压力，应力障碍的效果取决于应力差的量和应力层的厚度(图1现有技术)。为了确定跨越多个层的水力裂缝的垂直覆盖范围，我们需要知道一个或多个层中的应力是否足够大以形成抑制高度生长的障碍。应力量和层厚度都影响垂直方向的裂缝的生长。很难使用经验法则定量确定应力差是否为有效障碍。另一方面，可以使用P3D(拟3D)或平面3D水力裂缝模拟器来确定裂缝高度生长和应力差是否能限制裂缝高度。然而，全P3D或平面3D模拟需要包括流体性质和泵送调度在内的详细处理设计。使用本发明的实施方案的最佳实践提供在不进行全水力裂缝模拟的情况下对裂缝高度覆盖范围的快速和定量估计。
本发明的实施方案涉及基于裂缝高度和原地应力自动设计分阶段水力压裂处理的方法。开发所述方法以选择激发全部产油带所需要的水力裂缝的数量和位置，而同时没有或仅有最小裂缝重叠。然后基于每个处理阶段可用的泵送能力将水力裂缝组合在一起，以确定处理整个井所需要的阶段数。以下描述在分阶段设计中考虑了原地应力和裂缝高度作用的详细逐步方法。
1.岩层区带
假定具有岩石物理性质、力学性质和原地应力的区带是从钻井日志产生。每个区带具有任何性质的单一值，且区带是分阶段设计算法中的最小单元。例如，图2在气体与应力标题下示出基于岩石物理性质的区带(产气带)与基于应力的区带。此外，具有不同岩石物理性质的若干产油带可以彼此接近存在。很方便将这些产油带组合成一个单元并将其定义为连续产油带(CP)。CP可以具有一个或多个产油带。图2中，连续产油带由红色填充图案标记且编号为CP1-CP7。由于具有岩石物理性质与应力的区带是根据不同钻井日志确定，所以这些区带很可能具有在不同深度的区带边界。为了应用算法，需要将这些区带组合成使得每个区带具有一个任何性质的值。图2在“组合区带”的标题下示出组合区带的实例。
2.井底处理压力
可根据相同或类似岩层中的补偿井的前述处理来确定或估计井底处理压力(BHTP)。如果已知特定深度(TVD)处的BHTP，那么可以通过使用压力梯度来获取作为深度函数的BHTP。压力梯度的一个估计是全部CP的应力梯度的平均值。还可以说明多个深度处的多个BHTP，在这种情况下，BHTP与深度的关系表提供作为深度函数的BHTP。图2中，BHTP0示出一个深度处的已知BHTP，并在BHTP的标题下示出作为TVD的函数的BHTP。
3.裂缝开始井段
在使用软件程序(如可从Sugar Land，TX的SchlumbergerTechnology Corporation购得的程序FRACHITETM)的每个模拟中，需要裂缝开始井段以确定裂缝高度。我们需要确定裂缝沿整个岩层的TVD开始的位置。通常，裂缝开始井段是CP，例如，图2中，井段由双箭头示出且用I1、I2、I3、I8与I9编号，每个编号代表每个CP。然而，当CP中存在不同应力时，需要多个裂缝开始井段以使得每个井段具有一个应力值。对于图2中的实例，CP4具有两个开始井段I4与I5，且CP5具有两个开始井段I6与I7。图2中总共存在九个裂缝开始井段。可对软件有益的算法方程可以从历史数学模型教科书中获取。例如，由Michael Economides和Kenneth Nolte所著的ReservoirStimulation第三版(2000)中，包括方程6-47至6-50的第6章第6-16至6-18页提供了有效方程。
4.软件
软件程序FRACHITETM用于针对基于岩层力学性质、应力和BHTP的每个裂缝开始井段计算裂缝高度H。用于FRACHITETM计算的每个开始井段的深度处的BHTP是来自BHTP与深度函数的内插值。FRACHITETM计算的结果是来自全部开始井段的裂缝高度，每个高度与一个开始井段相关联，如图2在标题“高度”下来自I1-I9的H1-H9所示。此步骤的结果示出哪些应力障碍强到足以限制裂缝高度生长，以及哪些应力障碍未有效抑制裂缝高度生长。这提供了对垂直方向上的裂缝覆盖范围的定量确定。值得注意的是，高度H用于确定应力障碍的有效性，且在全水力裂缝模拟或最终处理设计中可能不是实际裂缝高度。
5.裂缝
因为在步骤4中确定的高度可能重叠，所以许多CP可由一个裂缝处理或激发。我们需要确定处理全部CP所需要的没有或仅有最小重叠的裂缝的最小数量。这个步骤是基于借助以下法则从步骤4获得的高度确定裂缝的过程：
a.当应力障碍有效时，高度被周围层抑制，即，在来自不同开始井段的裂缝高度间不存在重叠。在这种情况下，对于一个CP使用一个高度作为裂缝。例如，一个裂缝(裂缝单元2)与受抑制高度H3相关联，且此裂缝用于处理CP3(图2)。
b.当应力障碍不足够强时，两个或更多个高度可能重叠。这里我们认为两个高度重叠。对于来自具有不同应力的两个裂缝开始井段的两个高度来说，存在两个可能性：
b1)如果来自低应力开始井段的高度覆盖高应力井段，那么对此高度指定一个裂缝，并使用此裂缝来处理与所述两个井段相关联的两个CP。对于图2的实施例来说，来自低应力井段I1的高度H1覆盖高应力井段I2和相关联的CP2。我们使用一个裂缝单元1来处理CP1和CP2。
b2)如果来自较低应力开始井段的高度不覆盖高应力井段，那么使用两个裂缝(裂缝单元)，即，每个高度使用一个，以处理与这两个井段相关联的两个CP。例如，来自开始井段I9的高度H9不覆盖开始井段I8。对于所述两个开始井段I8和I9，我们分别使用两个裂缝，裂缝单元5和裂缝单元6。每个裂缝将处理与其开始井段相关联的一个CP(裂缝单元5用于CP6，且裂缝单元6用于CP7)。
c.当CP内存在应力差时，使用多个开始井段，并且来自这些开始井段的裂缝很可能重叠。我们将CP内的两个裂缝开始井段的情况当作实施例(图3)。与两个井段相关联的两个高度因为在一个CP内而通常将具有一些重叠。如图3所示，从高应力井段开始的高度将总是生长进入低应力区带，并与从低应力井段开始的高度重叠。两个可能性作为(a)和(b)存在于图3中，且如下考虑：
c1)如果低应力井段的高度生长进入并覆盖高应力井段，那么对于整个产油带使用一个裂缝。如图3(a)所示，高度H2覆盖整个产油带，且与H2相关联的一个裂缝(裂缝单元1)用于处理整个CP。
c2)如果来自低应力井段的高度不覆盖高应力产油带，那么使用两个裂缝来处理CP，其中一个裂缝来自低应力井段，另一个裂缝来自高应力井段。如图3(b)所示，与H1和H2相关联的两个裂缝(裂缝单元1和裂缝单元2)用于处理产油带。(注意：将一个CP划分两个裂缝单元是用于受限入口设计。对于具有两个射孔井段的整个CP，裂缝模拟仍将使用一个裂缝)。
类似地，对于图2中的实施例来说，来自低应力井段I5的高度H5覆盖高应力井段I4；且来自低应力井段I7的高度H7生长进入高应力井段I6。两种情况都是图3(a)中所述情况的情形，因此在每种情况下仅使用一个裂缝：裂缝单元3用于CP4，且裂缝单元4用于CP5。
概括起来，下表示出针对图2中的实施例的全部CP的裂缝、高度与产油带之间的关系：
a.当存在超过两个高度重叠时，我们可以扩展在如下b和c中描述的法则。从与最低应力开始井段相关联的高度开始，定位被此高度覆盖的全部产油带并为全部覆盖的产油带指定一个裂缝。接下来，考虑与不被所述第一高度覆盖的剩余井段中的最低应力开始井段相关联的高度，并定位被此高度覆盖的全部产油带，并为全部覆盖的产油带指定一个裂缝。继续这个过程直到全部产油带都被裂缝覆盖。
我们使用图4说明三个高度重叠的这个过程。首先考虑与最低应力井段(I3)相关联的高度(H3)。因为高度H3覆盖较高应力的另一个井段(I2)，所以对这两个相关联CP(CP2和CP3)使用具有高度(H3)的一个裂缝(裂缝单元1)。接下来，考虑剩余未覆盖CP(CP1)。在这种情况下，仅剩余一个CP(CP1)。对CP1使用具有此高度(H1)的一个裂缝(裂缝单元2)。如果剩余超过一个CP(图4未示出)，那么通过检查来自剩余CP中具有最低应力的井段的高度来重复上述过程，直到全部CP被裂缝覆盖。
图5示出三个高度重叠的另一个情形。与最低应力井段I2相关联的高度是H2，且H2仅覆盖CP2。根据上述法则，一个裂缝(裂缝单元1)用于CP2。在剩余高度(H1和H3)中，H1来自于最低应力井段I1。虽然H1覆盖CP1和CP3，但在CP1与CP3之间存在裂缝单元1。在这种情况下，开始于I1的裂缝不太可能经过开始于较低应力井段的并行裂缝(裂缝单元1)到达CP3。因此，我们对于CP1使用裂缝单元2，并且对于CP3使用分开的裂缝单元3。这种情形的一般法则是：当搜索可能的被覆盖CP时，搜索的范围在已选择的裂缝单元之间。
b.当没有足够的应力障碍来限制裂缝高度生长时，需要其它法则以选择裂缝。例如，用户可以指定如300英尺的高度限制作为最大总高度，且仅被覆盖在此高度限制内的CP由一个裂缝处理。
在完成此步骤之后，裂缝单元可能需要倒序重新编号。
6.阶段
下一个步骤是确定将多少裂缝(裂缝单元)组合成一个处理阶段。从井底开始，基于特定岩层中的可用泵送率Q(bbl)和压裂所需要的每单位高度泵送率q(bbl/ft)来确定在一个阶段中可处理的裂缝单元的数量。可用泵送率Q和每单位高度泵送率q由用户规定。每个裂缝单元的泵送率是每单位高度泵送率q乘以裂缝高度或产油带高度的积。当来自许多裂缝单元的所需要的泵送率的和达到可用泵送率时，这些裂缝单元组合成一个阶段。
如果使用裂缝高度来确定泵送率，那么我们需要考虑重叠高度。当裂缝单元具有重叠高度时，在流速计算中仅使用重叠部分中的一个。对于图2中的实施例来说，高度H8(裂缝单元5)与高度H9(裂缝单元6)重叠。在流速计算中使用H8在H9以下的部分。原因是在实际处理中，在垂直井或略斜井中，一个裂缝的高度生长很可能受到所述裂缝的直接下方或直接上方的裂缝的高度生长防碍。当两个裂缝由于其间的力学相互作用而同时生长时，重叠量将很小。如果在流速计算中使用产油带的高度，那么不存在重叠问题。沿井眼向上重复此过程直到全部裂缝单元组合成阶段。
也可以基于其它标准进行阶段确定，如基于最大总高度、阶段之间的最小距离及最小净高度。
当在一个阶段中存在超过一个裂缝时，当裂缝之间的应力差很大时，可能需要受限入口射孔。对于每个阶段，如果裂缝单元之间的应力差大于用户规定值，那么对于每个裂缝使用受限入口设计算法来确定射孔洞的数量。所述受限入口设计算法是基于裂缝单元的应力。裂缝单元的应力是其开始井段的应力。在图2的实施例中，对于阶段1，裂缝单元1的应力是井段I1中的应力，裂缝单元2的应力是井段I3的应力。如果差小于规定值，那么不需要受限入口，且射孔洞的数量由可用于最大限度地减小处理期间的射孔压降或生产期间的射孔表层的其它法则来确定。
实施例
所述方法已经在水力压裂处理设计软件包中实施。图5是来自所述软件的裂缝高度和裂缝单元确定以及阶段设计的示例性屏幕快照。具有应力、杨氏模量和泊松比的所需岩层力学性质是根据钻井日志确定，如图5的日志图表所示。区带是根据岩石物理性质和力学性质确定。产油带被标记为绿色。通过步骤3描述的过程使用来自钻井日志的力学性质和BHTP值计算每个产油带的裂缝高度，其中BHTP值被用户确定为产油带应力加500psi(水力压裂的净压力)。裂缝高度由垂直条示出。然后通过在所述方法的步骤4中描述的过程来确定裂缝单元。然后通过步骤5中描述的过程来确定阶段。如图5可见，一个裂缝单元可以包括一个或多个产油带，并且一个阶段可以包括一个或多个裂缝单元。这样，用最小数量的产生覆盖全部产油带的裂缝的阶段处理了整个岩层。
以上公开的特定实施方案仅为说明性的，因为本发明可以不同但等效的方式进行修改和实施，而这些方式对于受益于本文教示的本领域技术人员是显而易见的。此外，除非以上权利要求中进行描述，否则并不旨在限于本文示出的细节。因此显然，可以改变或修改以上公开的特定实施方案，并且全部这些变化都被认为在本发明的范围和精神内。因此，本文寻求的保护如以上权利要求书中所阐述。
Claims (15)
1.一种用于处理地下岩层的方法，其包括：
测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；
基于所述力学性质确定岩层裂缝高度；
基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；
基于所述估计标识水力压裂处理阶段；以及
在所述阶段中执行水力压裂处理。
2.如权利要求1所述的方法，其中对所述裂缝的所述估计与使用不包括杨氏模量、泊松比和原地应力的力学性质的估计相比包括较少的裂缝重叠。
3.如权利要求1所述的方法，其中对所述阶段的所述标识包括基于每个处理阶段的可用泵送能力来将所述裂缝组合在一起。
4.如权利要求1所述的方法，其中对所述阶段的所述标识包括确定处理所述整个井所需要的阶段的数量。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述执行水力压裂处理包括压裂所述岩层。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述压裂包括压裂所述处理阶段。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用计算机执行所述确定、估计以及标识。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述执行水力压裂处理包括以等于或高于压裂所述岩层需要的压力的压力将流体引入所述岩层。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述执行水力压裂处理包括引入流体，所述流体是选自由水、碳氢化合物、酸、气体或其组合组成的群组。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述流体进一步包含支撑剂。
11.一种用于处理地下岩层的方法，其包括：
测量包含杨氏模量、泊松比和原地应力在内的岩层的力学性质；
基于所述力学性质确定目标区带；
基于所述确定估计水力裂缝的数量和位置；
基于所述估计标识阶段；以及
在所述阶段中执行水力压裂处理。
12.如权利要求11所述的方法，其中对所述裂缝的所述估计与使用不包括杨氏模量、泊松比和原地应力的力学性质的估计相比包括较少的裂缝重叠。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述执行水力压裂处理包括压裂所述岩层。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述压裂包括压裂所述处理阶段。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括使用计算机执行所述确定、估计以及标识。
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