CN105134156B - 一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法。该方法包括下列步骤：S1、建立内摩擦角、I型和II型裂缝断裂韧性与砂岩岩石力学特征参数之间的关系式；S2、建立综合考虑弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型；S3、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；S4、应用聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立基于岩心‑井眼‑储层多尺度的致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。该方法可得到致密砂岩储层内任意空间位置的可压裂性，使致密砂岩气井总是钻遇高可压裂性的甜点区，避免井位选择的盲目性，提高压裂改造效果和压后产量。

Description

一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法

技术领域

本发明属于致密砂岩油气开发技术领域，尤其涉及一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法。

背景技术

我国致密砂岩油气藏储量巨大，在苏格里气田和川西须五等致密砂岩储层采用水平井分段体积压裂改造的方法，已实现商业化生产。与国外相比，我国致密砂岩储层物性差、孔渗性极低，储层致密，岩性复杂，砂岩和泥岩交互混层。由于我国致密砂岩储层内部物性和非均质性差异较大，而井眼轨迹设计主要以钻遇甜点区为主，而地质甜点区并不一定就是理想的工程甜点，致使现场体积压裂的效果时好时坏，压后产量难以保证，导致前期钻井和大规模水力压裂的巨额投资难以得到回报。因此，井眼轨迹的设计必须同时考虑地质甜点和工程甜点两个方面的因素。

目前工程甜点的预测通常采用岩石脆性评价的方法，包括基于岩石弹性参数的经验公式和应力-应变实验测量。基于弹性参数的脆性评价模型具有一定的适用性，然而部分岩石的杨氏模量和泊松比相近而脆性却相差较大，比如脆性指数高的层段可能是隔层或夹层；同时，由于致密砂岩的微裂缝、层理发育和非均质性等内在因素和加载条件等外在因素将导致简单的力学测试难以准确地反映致密砂岩的真实可压裂性，单独采用应力-应变曲线方法评价致密砂岩脆性可靠性不高。这就需要采用岩石可压裂性评价的方法，从能量的角度来分析“脆性”和“裂缝扩展”的根本原因。

现有的脆性和可压裂性评价方法只能提供钻井位置储层的脆性评价，而无法提供整个三维储层的脆性评价，为保证井眼轨迹总是钻遇储层物性和可压裂性较好的位置，必须建立整个储层的三维可压裂性模型。

发明内容

发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，建立致密砂岩储层的三维可压裂性模型。利用所建立的模型，将地质甜点和工程甜点结合起来，进行井眼轨迹的设计，以及射孔簇位置和压裂层段的优化，以形成最大化的裂缝改造体积，提高压裂效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现，一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，其特征在于，它包括下列步骤：

S1、通过岩石力学特征试验，建立内摩擦角Ⅰ型和Ⅱ型裂缝断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式；

S2、建立综合考虑弹性参数、内摩擦角临界应变能释放率G_c和断裂韧性的致密砂岩可压裂性评价模型，计算钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线；

S3、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析关系，并采用钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；

S4、应用聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立基于岩心-井眼-储层多尺度的致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。

进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21、采用弹性参数脆性指数评价经验公式，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EE_n；

S22、建立综合考虑弹性参数脆性指数EE_n和所述步骤S1中的内摩擦角临界应变能释放率G_C、断裂韧性的致密砂岩可压裂性评价模型：

式中，FI₁、FI₂分别为考虑致密砂岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；

w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；

为临界应变能释放率权重表达式，G_{C_n}为砂岩储层的应变能释放率权重，无量纲；G_C、G_{C_max}、G_{C_min}分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；

为临界应变能释放率权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；

为Ⅰ型断裂韧性权重表达式，K_{IC_n}为砂岩储层的Ⅰ型断裂韧性权重，无量纲；K_IC、K_{IC_max}、K_{IC_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅰ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅰ型断裂韧性和最小Ⅰ型断裂韧，单位为MPa·m^1/2；

为Ⅱ型断裂韧性权重表达式，K_{IIC_n}为砂岩储层的Ⅱ型断裂韧性权重，无量纲；K_IIC、K_{IIC_max}、K_{II_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅱ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅱ型断裂韧性和最小Ⅱ型断裂韧，单位为MPa·m^1/2；

S23、利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合致密砂岩油气井的测井数据和所述步骤S1内摩擦角、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式，计算致密砂岩油气井钻井位置储层的可压裂性纵向曲线特征。

进一步地，所述步骤S3包括：

采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗，横波阻抗，泊松比，拉梅参数与剪切模量之比作为聚类分析训练的弹性参数，训练砂岩储层可压裂性与砂岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式，并采用所述步骤S2中单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式。

进一步地，所述步骤S4包括：

对叠前地震数据体进行预处理以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所述步骤S2所建立的钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线，通过应用所述步骤S3中的聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。

本发明具有以下优点

1、建立了致密砂岩油气储层的三维可压裂性评价模型，此模型可真实准确地量化储层不同空间位置的可压裂性，结合地质甜点，使致密砂岩油气井总是钻遇高产、高可压裂性层位，在一定程度上弥补地质条件认识不清楚的不足，提高致密砂岩储层体积压裂的效果，缩短投资成本的回收时间；

2、运用所建立的模型，可以评价单井钻井位置处的可压裂性，优选射孔簇位置和压裂层段；

3、运用所建立的模型，可使井眼轨迹总是位于可压裂性高的储层内部，钻头在高可压裂性储层钻进时钻速得到提高，缩短钻井周期，节约钻井成本。

本发明具有以下优点：。

附图说明

图1是本发明一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法的流程图；

图2是本发明中井眼钻井位置处储层的弹性参数脆性指数曲线图；

图3是本发明中综合考虑弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率的钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线图；

图4是本发明中基于储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式的纵向剖面图；

图5是本发明中所建立的致密砂岩储层三维可压裂性垂向截面图；

图6是本发明中所建立的致密砂岩储层三维可压裂性横向截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

S1、采用高温高压三轴岩石力学测试系统，测试砂岩岩心的单轴和三轴岩石力学强度参数，包括弹性模量E、泊松比v、内摩擦角等，采用巴西圆盘实验测定致密砂岩试样的抗拉强度、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性K_IC和K_IIC，建立内摩擦角、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式：

K_IC＝0.271+0.107σ_t

K_IIC＝0.0956σ_n+0.1383σ_t+0.027 (1)

式中，σ_t为致密砂岩的抗拉强度，单位为MPa；σ_n为裂缝面法向围压，单位为MPa；ρ为致密砂岩密度，单位为Kg/m³。

S2、采用Rickman的弹性参数脆性指数评价经验公式(Rickman R,Mullen M,PetreE,et al.A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation DesignOptimization:All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale.SPE 115258,SPE Annual Technical Conference and Exhibition,21-24September,Denver,Colorado,USA,2008)，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EE_n，无量纲；

式中，E_n为弹性参数脆性指数，无量纲；E、E_max和E_min分别是致密砂岩储层的弹性模量、致密砂岩储层内最大弹性模量和最小弹性模量，单位为GPa，

v_n为泊松比脆性指数，无量纲；v、E_max和E_min分别是致密砂岩储层的泊松比、致密砂岩储层的最大泊松比和最小泊松比，无量纲，结合测井资料，计算出井眼钻井位置处储层的弹性参数脆性指数曲线见图2所示；

建立综合考虑弹性参数脆性指数EE_n和所述步骤S1中的内摩擦角临界应变能释放率G_C断裂韧性的致密砂岩可压裂性评价模型：

式中，PI₁、PI₂分别为考虑致密砂岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；

w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；

为临界应变能释放率权重表达式，G_{C_n}为砂岩储层的应变能释放率权重，无量纲；G_C、G_{C_max}、G_{C_min}分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；

为临界应变能释放率权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；

为Ⅰ型断裂韧性权重表达式，K_{IC_n}为砂岩储层的Ⅰ型断裂韧性权重，无量纲；K_IC、K_{IC_max}、K_{IC_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅰ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅰ型断裂韧性和最小Ⅰ型断裂韧，单位为MPa·m^1/2；

为Ⅱ型断裂韧性权重表达式，K_{IIC_n}为砂岩储层的Ⅱ型断裂韧性权重，无量纲；K_IIC、K_{IIC_max}、K_{II_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅱ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅱ型断裂韧性和最小Ⅱ型断裂韧，单位为Mpa·m^1/2

利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合致密砂岩油气井的测井数据、弹性参数脆性指数EE_n、内摩擦角抗拉强度、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性、岩石力学特征参数之间的关系式(2)，计算致密砂岩油气钻井位置储层的可压裂性纵向曲线如图3所示。

S3、采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗Zp，单位为kg·m^-2·s^-1，横波阻抗Zs，单位为kg·m^-2·s^-1，泊松比ν，无量纲，拉梅参数与剪切模量比作为聚类分析训练的弹性参数，训练致密砂岩储层可压裂性与致密砂岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式，如图4所示，发现所得到的聚类分析模式与标准井计算结果有很好的吻合性。

S4、对叠前地震数据体进行预处理，以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所建立的钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线，如图3所示，通过应用聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立基于岩心-井眼-储层多尺度的致密砂岩三维可压裂性评价模型，如图5为致密砂岩储层三维可压裂性垂向截面图，图6为致密砂岩储层三维可压裂性横向截面图。从图5和图6中，可以比较直观的看到储层空间区域可压裂性较好的位置，致密砂岩油气井井位的布置应优选考虑该区域，使体积压裂形成最大化的裂缝改造体积，提高压裂的最终效果。

Claims (4)

1.一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，其特征在于，它包括下列步骤：

S1、通过岩石力学特征试验，建立内摩擦角Ⅰ型和Ⅱ型裂缝断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式；

S2、建立综合考虑弹性参数、内摩擦角临界应变能释放率G_C和断裂韧性的致密砂岩可压裂性评价模型，用于计算钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线；

S3、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析关系，并采用钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；

S4、应用聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立基于岩心-井眼-储层多尺度的致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。

2.根据权利要求1所述的一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21、采用弹性参数脆性指数评价经验公式，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EE_n；

S22、建立综合考虑弹性参数脆性指数EE_n和所述步骤S1中的内摩擦角临界应变能释放率G_C断裂韧性的致密砂岩可压裂性评价模型：

式中，FI₁、FI₂分别为考虑致密砂岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；

w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；

为临界应变能释放率权重表达式，G_{C_n}为砂岩储层的应变能释放率权重，无量纲；G_C、G_{C_max}、G_{C_min}分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；

为临界应变能释放率权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；

为Ⅰ型断裂韧性权重表达式，K_{IC_n}为砂岩储层的Ⅰ型断裂韧性权重，无量纲；K_IC、K_{IC_max}、K_{IC_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅰ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅰ型断裂韧性和最小Ⅰ型断裂韧，单位为MPa·m^1/2；

为Ⅱ型断裂韧性权重表达式，K_{IIC_n}为砂岩储层的Ⅱ型断裂韧性权重，无量纲；K_IIC、K_{IIC_max}、K_{II_min}分别为砂岩储层计算位置处的Ⅱ断裂韧性、砂岩储层的最大Ⅱ型断裂韧性和最小Ⅱ型断裂韧，单位为MPa·m^1/2；

S23、利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合致密砂岩油气井的测井数据和所述步骤S1内摩擦角、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式，计算致密砂岩油气井钻井位置储层的可压裂性纵向曲线特征。

3.根据权利要求1所述的一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗，横波阻抗，泊松比，拉梅参数与剪切模量之比作为聚类分析训练的弹性参数，训练砂岩储层可压裂性与砂岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式，并采用所述步骤S2中单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式。

4.根据权利要求1所述的一种用于致密砂岩储层三维可压裂性模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

对叠前地震数据体进行预处理以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所述步骤S2所建立的钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线，通过应用所述步骤S3中的聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立致密砂岩储层三维可压裂性评价模型。