CN105201484A - 一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，该方法包括下列步骤：(1)建立渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；(2)根据油气藏的地层分层和储层物性，初选压裂层段；(3)建立储层水力压裂模型，以水力裂缝在储层内部扩展为判据，优选第一层压裂参数；(4)采用第一层压裂参数，计算上部层段裂缝形态；(5)以上下层裂缝不串通为判断标准，计算不同隔层厚度下上部层段的裂缝形态，确定可阻挡上下层裂缝串通的隔层厚度；(6)确定最终的压裂层段，优化上部层段的施工参数。该方法考虑直井分层压裂时先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰，避免上下层段水力裂缝的串通，可最大化发挥各层段的生产能力。

Description

一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，适用于石油天然气开发的技术领域。

背景技术

随着非常规油气资源的大力开发，油气储层层间差异大的矛盾越来越制约油气藏纵向层间的平衡。针对小层多，易串层，物性、厚度差异大等特征储层，笼统压裂极易压开两相邻储层间的隔层，使得支撑剂颗粒主要铺置在下层储层和隔层内，而上层储层则难以得到有效支撑，从而不能充分发挥上层储层的生产能力，不能很好地达到压裂的预期目的。为了缓解层间矛盾，实现油气田长期稳产、高效开发，提高最终采收率，必须实施分层压裂工艺，分层治理。分层压裂能否取得良好效果的关键在于压裂施工时水力裂缝延伸高度能否得到有效的控制，防止串到相邻的储隔层，提高支撑剂在储层内部更为有效的铺置，分层压裂施工才能达到预期的效果。分层压裂层间距较小或施工排量较大，都易导致隔层被压穿，因此，分层压裂层间距及施工参数的优化对缝高的控制显得尤为重要，也是分层压裂选井选层及优化设计的难点和关键(郭彪,侯吉瑞,赵凤兰.分层压裂工艺应用现状[J].江汉石油科技,2009,02:36-38)。

分层压裂时，先起裂裂缝对后起裂裂缝存在明显的应力干扰，相关学者对裂缝间应力干扰的问题进行了大量的研究，杨丽娜、陈勉将复变函数理论与位错理论相结合，在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下，建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型，得到裂尖强度因子及转角，并对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。张劲等人运用有限元方法，建立二维直井多水平裂缝有限元模型，对水平多缝间的相互干扰进行了研究，得出了水平缝之间相互干扰的规律，认为裂缝间距越小、层数越多则相互干扰越大，为油田薄差油层的改造提供了一定理论依据。汪玉梅对低渗透薄互储层水平缝缝间干扰规律进行了研究，给出了3～7条水平缝相互影响时的扩展规律。西南石油大学路千里等运用有限元方法，分析水平井分段压裂时，每簇裂缝间的应力干扰，优化水平井射孔间距。王伯军、张士诚等运用位移不连续法，建立二维斜井缝间干扰数学模型，在裂缝扩展准则上运用了修正的能量释放率准则(G准则)——F准则，分析不同裂缝缝长和不同裂缝分布等对裂缝扩展的影响规律。连志龙在前人基础上，运用流固耦合非线性有限元方法，建立油井水平裂缝分层压裂二维模型，模拟了薄差油层水平多缝扩展过程的相互干扰规律，考虑缝内压降及渗流场应力场耦合作用，重点研究了隔层厚度和裂缝条数对裂缝扩展的干扰，提出了控制缝间干扰的方法。彪仿俊用流固耦合非线性有限元方法，建立了油井水平裂缝分层压裂的三维计算模型，直接按照实际施工的泵注程序施加流体荷载，计算得到了分层压裂的压力、裂缝形态以及压后的产能，对分层压裂以及水平裂缝的干扰问题进行了研究(彪仿俊.水力压裂水平裂缝扩展的数值模拟研究[D].中国科学技术大学,2011)。

目前，对于裂缝间多缝干扰的研究主要集中在水平井垂直缝的缝间干扰研究以及直井水平缝的缝间干扰研究，然而对于直井或斜井垂直缝的多缝干扰研究较少，比如对于直井分层压裂，前次压裂垂直缝对后压裂垂直缝缝高增长的影响等尚未见文章对其进行分析。

发明目的

本发明的目的在于提供一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法。针对小层多，易串层，物性、厚度差异大等特征储层，解决笼统压裂极易压开两相邻储层间的隔层的问题，避免上下相邻储层水力裂缝的串通使得支撑剂颗粒均匀的铺置在上下相邻储层内，以提高压裂效果，最大化地发挥各层段的生产能力。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，它包括以下步骤：

(1)考虑压裂液在水力裂缝内的径向流动和法向滤失，建立一种渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；

(2)以油气藏地质特征为基础，钻井、录井、测井、测试及地震资料为重要依据，结合储层砂体展布、地层分层、储层物性、电性、地应力等特征，初步确定压裂选层方案；

(3)结合地层分层特征和所述步骤(2)中初步确定的压裂选层方案，建立储层水力压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合模型，采用所述步骤(1)中建立的裂缝起裂及动态扩展计算方法，计算不同施工参数下第一层压裂时(分层压裂采用从下到上的压裂顺序，从下到上的压裂层段分别为第一层，第二层，第三层等)裂缝扩展形态，根据裂缝最佳形态优选施工参数；

(4)考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝存在的应力干扰，限制第一层水力裂缝两裂缝面的位移，采用所述步骤(3)第一层压裂时优选的施工参数，计算第二层压裂时裂缝扩展形态；

(5)根据所述步骤(3)、(4)的方法，采用所述步骤(3)优化的施工参数，计算不同隔层厚度下，下层和上层裂缝先后起裂时裂缝的扩展形态；以上下层裂缝不串通为判断标准，确定直井分层压裂隔层起有效阻挡作用的最小厚度；

(6)根据储层实际情况，确定最终的压裂层段，结合现场施工条件和施工工艺特征，各层段采用相同的压裂液粘度，进一步优化第二层压裂施工参数，以确保第二层中水力裂缝主要在其内部扩展。

进一步地，所述步骤(1)包括：

考虑储层岩石在水力压裂过程中的渗流-应力耦合，以及压裂液在裂缝内的径向流动和法向滤失，再根据断裂与损伤力学理论确定裂缝的起裂及动态扩展准则，采用有限元、离散元、边界元或位移不连续等方法，建立基于渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；

进一步地，所述步骤(2)包括：

根据油气藏地质特征资料，评价含油气砂体平面展布情况以及含油气层段储层厚度，通过层间资料，分析地层小层划分情况以及层间地应力分布情况，确定地层分层特征，依据钻井、录井资料以及测井获得的储层特征及含油气性相关评价资料，分析储层段岩性、厚度及泥质含量、含油气性，同时获得储层的孔隙度、渗透率、含水饱和度等参数，考虑分层压裂水力裂缝动态扩展以及分层压裂施工工艺特征，初步确定压裂选层方案；

进一步地，所述步骤(3)包括：

根据地层的分层特征和所述步骤(2)中初步确定的压裂选层方案，建立储层水力压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合模型，采用所述步骤(1)中建立的裂缝起裂及动态扩展计算方法，计算不同施工参数下分层压裂第一层压裂时水力裂缝扩展形态，以水力裂缝主要在储层内部扩展为判断依据，优选第一层压裂施工参数；

进一步地，所述步骤(4)包括：

考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰和第一层水力裂缝支撑缝宽，限制第一层水力裂缝两裂缝面的位移，采用所述步骤(3)优选的施工参数对第二层进行施工，计算第二层压裂时裂缝扩展形态；

进一步地，所述步骤(5)包括：

根据所述步骤(3)、(4)的方法，采用所述步骤(3)优化的施工参数，计算不同隔层厚度下，分层压裂时隔层上下层裂缝扩展形态，以上下层裂缝不串通为判断标准，确定直井分层压裂隔层的最小有效厚度；

进一步地，所述步骤(6)包括：

根据储层基本地质特征、测试资料、储层物性特征、隔层厚度、地应力特征及所述步骤(4)和所述步骤(5)的计算结果，确定最终的压裂层段，结合压裂现场施工条件以及施工特点，各层段采用相同的压裂液粘度，进一步优化第二层压裂施工参数，以确保第二层中水力裂缝主要在其内部扩展，以提高压裂效果。

本发明的有益效果

本发明具有以下优点：(1)根据直井分层压裂施工工艺特征，本设计可以实现分层压裂时下层和上层裂缝的先后起裂，并可以计算先后起裂裂缝的几何形态；(2)考虑岩石渗流-应力耦合，以及流体在裂缝内的法向滤失和径向流动，并可考虑分层压裂时先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰；(3)结合现场设备以及施工的实际情况，根据计算得到的不同隔层厚度下裂缝的扩展形态，优选压裂层段，避免上下层段水力裂缝的串通，实现上下层段裂缝的有效支撑；(4)考虑上下层裂缝间的应力干扰，结合分层压裂施工工艺特征，可以优化上下层施工参数，获得最好的压裂效果，最大化发挥各层段的生产能力。

附图说明

以下附图旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是本发明中发明步骤示意图；

图2是本发明中直井几何模型示意图；

图3是本发明中有限元模型示意图；

图4是本发明中不同施工排量下裂缝形态示意图；

图5是本发明中不同流体粘度下裂缝形态示意图；

图6是本发明中分层压裂不同时间下最小水平骨架应力云图；

图7是本发明中分层压裂时不同压裂时间下储层2中裂缝扩展形态图；

图8是本发明中隔层厚度为1.6m不同时间下裂缝扩展形态图；

图9是本发明中隔层厚度为3.6m不同时间下裂缝扩展形态图；

图10是本发明中隔层厚度为5.6m不同时间下裂缝扩展形态图；

图11是本发明中隔层厚度为7.6m不同时间下裂缝扩展形态图；

图12是本发明中隔层厚度5.6m时储层2不同施工排量下裂缝扩展形态图；

图13是本发明中隔层厚度7.6m时储层2不同施工排量下裂缝扩展形态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，它包括以下步骤：

(1)考虑压裂液在水力裂缝内的径向流动和法向滤失，建立一种渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；

(2)以油气藏地质特征为基础，钻井、录井、测井、测试及地震资料为重要依据，结合储层砂体展布、地层分层、储层物性、电性、地应力等特征，初步确定压裂选层方案；

(3)结合地层分层特征和所述步骤(2)中初步确定的压裂选层方案，建立储层水力压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合模型，采用所述步骤(1)中建立的裂缝起裂及动态扩展计算方法，计算不同施工参数下第一层压裂时(分层压裂采用从下到上的压裂顺序，从下到上的压裂层段分别为第一层，第二层，第三层等)裂缝扩展形态，根据裂缝最佳形态优选施工参数；

(4)考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝存在的应力干扰，限制第一层水力裂缝两裂缝面的位移，采用所述步骤(3)第一层压裂时优选的施工参数，计算第二层压裂时裂缝扩展形态；

(5)根据所述步骤(3)、(4)的方法，采用所述步骤(3)优化的施工参数，计算不同隔层厚度下，下层和上层裂缝先后起裂时裂缝的扩展形态；以上下层裂缝不串通为判断标准，确定直井分层压裂隔层起有效阻挡作用的最小厚度；

(6)根据储层实际情况，确定最终的压裂层段，结合现场施工条件和施工工艺特征，各层段采用相同的压裂液粘度，进一步优化第二层压裂施工参数，以确保第二层中水力裂缝主要在其内部扩展。

所述步骤(1)包括：

考虑储层岩石在水力压裂过程中的渗流-应力耦合，以及压裂液在裂缝内的径向流动和法向滤失，再根据断裂与损伤力学理论确定裂缝的起裂及动态扩展准则，采用有限元、离散元、边界元或位移不连续等方法，建立基于渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；

水力压裂过程中，泵压随排量增加不断增大，作用于裂缝面上流体渗流压力也不断增大，使得流体向地层的滤失增加，导致岩石孔隙中的应力状态发生改变。而岩石中应力的变化必然引起储层孔隙度、流体渗流速度等参数的改变，反过来又会影响到裂缝面上渗流场孔隙压力的变化，储层岩石中这种流体渗流与岩石变形的相互制约，相互作用关系即称为渗流-应力耦合。以均质，各向同性的二维平面应变模型为基础，建立渗流-应力-断裂损伤流固耦合模型，水力裂缝的起裂与扩展采用粘弹性损伤cohesive单元描述。本实施例中，建立页岩储层水平井分段压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合数学模型过程如下(其中公式(1)～公式(4)为渗流-应力耦合模型的系列方程，公式(5)～公式(9)为裂缝动态扩展损伤模型的系列方程，公式(1)～公式(9)综合起来即为裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合数学模型)：

渗流和应力耦合通过有效应力与总应力的关系进行耦合，有效应力与总应力的关系为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\mathrm{\σ}+p_w\stackrel{\‾}{I}---\left(1\right)$

式中，为有效应力向量矩阵；σ为总应力矩阵，应力单位为MPa；p_w是压力的绝对值，单位为MPa；I为二阶单位张量，无量纲；

取控制体微元为V，单位为m³，其表面为S，单位为㎡，岩石骨架的应力平衡方程：

式中，σ和分别为应力矩阵和虚应变率矩阵，t、和δv分别为表面力向量、体积力向量和虚速度向量；

将应力平衡方程式离散化得到固相材料的有限元网格，同时使流体可以流经这些网格，流体渗流需要满足连续性方程：

$s_o\left(m^T-\frac{m^T{D}_{ep}}{3K_S}\right)\frac{d\mathrm{\ϵ}}{dt}-{\▿}^T\[k_o{k}_r\left(\frac{\▿p}{{\mathrm{\ρ}}_o}-g\right)\]+\{\mathrm{\ξ}\mathrm{\φ}+\mathrm{\φ}\frac{s_o}{K_o}+s_o\[\frac{1-\mathrm{\φ}}{3K_S}-\frac{m^T{D}_{ep}m}{{\left(3K_S\right)}^2}\](s_o+p\mathrm{\ξ})\}\frac{dp}{dt}=0---\left(3\right)$

式中，S_o为初始饱和度，无量纲；

m^T为单位矩阵；m^T＝[1,1,1,0,0,0]^T

D_ep为弹塑性矩阵；

K_S为岩石骨架颗粒的压缩模量，单位GPa；

k_o为初始渗透率张量与流体密度的乘积矩阵；

k_r为比例渗透率，单位为m/s²；

ρ_o为流体密度，单位为Kg/m³；

g为重力加速度，单位为m/s²；

ξ为饱和度变化率，无量纲；

φ为孔隙度，无量纲；

K_o为流体体积模量，单位为GPa；

p为流体压力，单位为MPa；

运用粘弹性损伤cohesive单元模拟裂缝动态扩展，cohesive单元能够模拟裂缝中流体流动和流体向基质中渗流。渗流系数与体积应变的关系为：

$k/k_0={\[\left(\frac{1}{n_0}\right){(1+{\mathrm{\ϵ}}_V)}^3-\left(\frac{1-n_0}{n_0}\right){(1+{\mathrm{\ϵ}}_V)}^{-1/}\]}^3---\left(4\right)$

式中，k为流体渗透系数，单位m/s；

k₀为初始渗透系数，单位m/s；

n₀为初始孔隙度，无量纲；

ε_V为体积应变，无量纲；

计算过程中，岩石的渗透性演化方程通过有限元软件的子程序二次开发功能予以实现。

本实施例采用二次应力起裂准则作为水力裂缝是否起裂的判断依据，即当cohesive孔压单元的三向应力与其对应的强度极限的比值的平方和达到1时，Cohesive孔压单元起裂，公式如下：

${\left\{\frac{<t_n>}{t_n^0}\right\}}^2+{\left\{\frac{t_s}{t_s^0}\right\}}^2+{\left\{\frac{t_t}{t_t^0}\right\}}^2=1---\left(5\right)$

式中，t_n、t_s、t_t分别为cohesive单元沿着法向(垂直于cohesive单元上下表面的方向)和两个切向的应力分量(二维情况下t_t不存在)，单位为MPa；为cohesive单元的抗拉强度，单位为MPa；和(二维情况下不存在)为两个切向方向的抗剪强度，单位为MPa；

Cohesive单元采用刚度退化描述单元损伤演化过程，其损伤演化模型为：

式中，和分别为cohesive孔压单元三个方向按照未损伤阶段线弹性变形时计算得到的应力，单位为MPa；t_n、t_s、t_t为三个对应方向实际承受的压力，单位为MPa；D为无量纲损伤因子，取值0-1，D＝0时材料未损伤，D＝1时材料完全损伤。当裂缝中积累的能量达到岩石的临界破裂能量时单元起裂。可以采用下式计算裂缝起裂临界能量：

$G_{IC}=\frac{K_{IC}^2(1-{\mathrm{\&nu;}}^2)}{E}---\left(7\right)$

式中，G_IC为裂缝起裂临界能量，单位为J；K_IC为断裂韧性，单位为MPa·m^1/2；ν为泊松比，无量纲；E为杨氏模量，单位为GPa。

对复合型裂缝起裂后的扩展，应用B-K准则，即由Benzeggagh和Kenane提出的裂缝扩展临界能量释放率准则，即：

$G^c=G_n^c+(G_s^c-G_n^c){\left\{\frac{G_s+G_t}{G_n+G_s+G_t}\right\}}^{\mathrm{\&eta;}}---\left(8\right)$

式中，G^c为复合型裂缝临界断裂能量释放率，单位为N/mm；

为法向断裂临界应变能释放率，单位为N/mm；

为切向断裂临界能量释放率，单位为N/mm；

G_n、G_s、G_t分别为法向、第一切向和第二切向断裂能释放率，单位为N/mm；

B-K准则认为

η为与材料本身特性有关的常数，无量纲；

当裂缝尖端节点处计算的能量释放率大于B-K临界能量释放率是，Cohesive单元当前裂尖节点对绑定部分将解开，裂缝向前扩展。

裂缝内流体流动模型如下：

Cohesive单元内的流体沿法向(垂直于上、下表面)和切向流动，切向流动促使裂缝扩展，法向流动表示的是一部分压裂液渗透到地层中。本实施例中模拟压裂液为牛顿流体，裂缝中的一部分流体通过cohesive单元的两个表面渗透进入地层。流体通过cohesive单元两个表面的法向流动计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_t=c_t(p_i-p_t)\\ q_b=c_b(p_i-p_b)\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，q_t和q_b分别为流体流入cohesive单元上、下表面的流速，单位m/s；c_t和c_b分别为两个表面的滤失系数，无量纲；p_t、p_b、p_i分别为cohesive单元两个表面的流体压力以及cohesive单元中面的流体压力，单位为MPa。

所述步骤(2)包括：

根据油气藏地质特征资料，评价含油气砂体平面展布情况以及含油气层段储层厚度，通过层间资料，分析地层小层划分情况以及层间地应力分布情况，确定地层分层特征，依据钻井、录井资料以及测井获得的储层特征及含油气性相关评价资料，分析储层段岩性、厚度及泥质含量、含油气性，同时获得储层的孔隙度、渗透率、含水饱和度等参数，考虑分层压裂水力裂缝动态扩展以及分层压裂施工工艺特征，初步确定压裂选层方案；

某一直井完钻井深4032m，压裂井段位于3824～3874m，根据钻井、录井、测井等资料的综合分析，并根据储层的物性参数、岩石力学参数及地应力等资料(如表1)，结合分层压裂施工工艺特征，初步将该压裂井段分为2个储层和3个隔层，其几何模型如图2所示。

表1储层及隔层基本物性参数

层位	岩性	E/GPa	υ/	K/mD	φ/％	Pα/MPa	σv/MPa	σH/MPa	σh/MPa
										隔层3	泥岩	13	0.24	0.85	9	38.5	90.4	64	58
储层2	砂岩	17	0.23	1	14	38.5	91.2	61	53
										隔层2	泥岩	13	0.24	0.85	9	38.5	92.5	63	60.1
储层1	砂岩	17	0.23	1	14	38.5	93.8	60	55
										隔层1	泥岩	13	0.24	0.85	9	38.5	94.2	64.5	58.5

所述步骤(3)包括：

根据地层的分层特征和所述步骤(2)中初步确定的压裂选层方案，建立储层水力压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合模型，采用所述步骤(1)中建立的裂缝起裂及动态扩展计算方法，计算不同施工参数下分层压裂第一层压裂时水力裂缝扩展形态，以水力裂缝主要在储层内部扩展为判断依据，优选第一层压裂施工参数；

根据该压裂井段几何模型，建立有限元模型如图3所示，模型长80m，宽60m，高50m,共两个储层，分别夹在三个隔层之间。

表2储层及隔层裂缝力学参数

结合分层压裂施工工艺特征，分层压裂时先对下部储层1压裂，裂缝力学参数如表2所示，计算不同施工排量下裂缝在储层1中的扩展形态(图4)。

从图4可以看出，裂缝在储层1中扩展，施工排量越小，裂缝高度和宽度越小，缝长越大，故较小的施工排量能够有效的控制裂缝在逢高方向的延伸，有利于在储层中形成长直缝。当施工排量为4.8m3/min，储层1上部隔层能够有效的阻止裂缝在逢高方向的延伸，所以优选储层1施工排量为4.8m3/min。

选取储层1的施工排量为4.8m3/min，计算储层1不同施工流体粘度下裂缝扩展形态。图5为不同流体粘度下裂缝在储层1中的扩展形态，施工流体粘度越小，裂缝高度越小，缝长越大，故较小的施工流体粘度能够有效的控制裂缝在逢高方向的延伸，有利于在储层中形成长直缝。当施工流体粘度为0.07Pa·s，储层1上部隔层能够有效的阻止裂缝在逢高方向的延伸，所以优选储层1施工流体粘度为0.07Pa·s。所以分层压裂时，优化第一层施工参数为：施工流体粘度0.07Pa·s和施工排量4.8m3/min。

进一步地，所述步骤(4)包括：

考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰和第一层水力裂缝支撑缝宽，限制第一层水力裂缝两裂缝面的位移，采用所述步骤(3)优选的施工参数对第二层进行施工，计算第二层压裂时裂缝扩展形态；

储层1压裂施工结束后，用与储层1相同的施工参数，计算分层压裂时储层2中裂缝扩展形态。从图6和图7分别为分层压裂时，储层2中裂缝扩展时不同时间下最小水平骨架云图和对应的裂缝形态图，可以看出压裂10min左右时裂缝尖端存在明显的应力集中，两缝间应力干扰明显，储层2中裂缝起裂受到储层1中裂缝的应力干扰，导致储层2中裂缝扩展时主要向下部紧邻的隔层2中扩展。

从裂缝周围应力场分析可以知道，分层压裂时先起裂裂缝对后起裂裂缝存在明显的应力干扰，导致后起裂裂缝容易向先起裂裂缝方向扩展。

所述步骤(5)包括：

根据所述步骤(3)、(4)的方法，采用所述步骤(3)优化的施工参数，计算不同隔层厚度下，分层压裂时隔层上下层裂缝扩展形态，以上下层裂缝不串通为判断标准，确定直井分层压裂隔层的最小有效厚度；

现考虑储层1水力裂缝支撑缝宽和先起裂裂缝对后起裂裂缝存在的应力干扰，并限制储层1中裂缝位移，再计算不同隔层厚度下，分层压裂时储层2中裂缝扩展形态。由图8、图9、图10、图11可以看出，隔层厚度为1.6m和3.6m时分层压裂时隔层上下裂缝最终串通；而当隔层厚度为5.6m和7.6m时，分层压裂时隔层上下层裂缝未串通。根据现场井场情况以及现场设备的具体情况，优选层段，并以分层压裂上下层裂缝不串通为判断标准，优选分层压裂层间距大于5.6m。

所述步骤(6)包括：

根据储层基本地质特征、测试资料、储层物性特征、隔层厚度、地应力特征及所述步骤(4)和所述步骤(5)的计算结果，确定最终的压裂层段，结合压裂现场施工条件以及施工特点，各层段采用相同的压裂液粘度，进一步优化第二层压裂施工参数，以确保第二层中水力裂缝主要在其内部扩展，以提高压裂效果。

结合现场施工工艺特征和现场施工要求，单井压裂时所使用的压裂液粘度往往是一致的，但可以通过调整设备实现不同压裂层段的施工排量的变化，此时分层压裂储层1选用前面优化的施工参数，现优化储层2的施工排量，让裂缝主要在储层2内部扩展，提高分层压裂效果。从图12、图13可以看出，隔层厚度为5.6m和7.6m时，储层2的排量≤4.8m3/min时，裂缝1、2未串通，且此时排量越小，裂缝越不易往隔层中扩展，当排量为3.6m3/min时，第二层中裂缝主要在储层内部扩展，所以当隔层厚度大于5.6m时，优化储层2施工排量4.8m3/min以内。

所以，结合第一层压裂时粘度对裂缝扩展形态的影响以及分层压裂时粘度对上下层裂缝扩展形态的影响，优选施工流体粘度为0.07Pa·s，通过第一层压裂时排量对裂缝扩展形态的影响优化第一层压裂施工排量为4.8m3/min。通过考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰，并计算分层压裂时上下层裂缝的扩展形态，优选分层压裂层间距大于5.6m，并优化第二层施工排量为4.8m3/min以内。

本实施例中所用软件为ABAQUS软件，但实际应用中亦可使用其他模拟软件。

Claims (7)

1.一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)建立渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法；(2)根据油气藏的地层分层和储层物性，初选压裂层段；(3)建立储层水力压裂模型，以水力裂缝在储层内部扩展为判据，优选第一层压裂参数；(4)采用第一层压裂参数，计算上部层段裂缝形态；(5)以上下层裂缝不串通为判断标准，计算不同隔层厚度下上部层段的裂缝形态，确定可阻挡上下层裂缝串通的隔层厚度；(6)确定最终的压裂层段，优化上部层段的施工参数。该方法考虑直井分层压裂时先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰，避免上下层段水力裂缝的串通，可最大化发挥各层段的生产能力。

2.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

考虑储层岩石在水力压裂过程中的渗流-应力耦合，以及压裂液在裂缝内的径向流动和法向滤失，再根据断裂与损伤力学理论确定裂缝的起裂及动态扩展准则，采用有限元、离散元、边界元或位移不连续等方法，建立基于渗流-应力-断裂损伤耦合的裂缝起裂及动态扩展计算方法。

3.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

根据油气藏地质特征资料，评价含油气砂体平面展布情况以及含油气层段储层厚度，通过层间资料，分析地层小层划分情况以及层间地应力分布情况，确定地层分层特征，依据钻井、录井资料以及测井获得的储层特征及含油气性相关评价资料，分析储层段岩性、厚度及泥质含量、含油气性，同时获得储层的孔隙度、渗透率、含水饱和度等参数，考虑分层压裂水力裂缝动态扩展以及分层压裂施工工艺特征，初步确定压裂选层方案。

4.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

根据地层的分层特征和所述步骤(2)中初步确定的压裂选层方案，建立储层水力压裂裂缝起裂与动态扩展的渗流-应力-断裂损伤耦合模型，采用所述步骤(1)中建立的裂缝起裂及动态扩展计算方法，计算不同施工参数下分层压裂第一层压裂时水力裂缝扩展形态，以水力裂缝主要在储层内部扩展为判断依据，优选第一层压裂施工参数。

5.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：

考虑先起裂裂缝对后起裂裂缝的应力干扰和第一层水力裂缝支撑缝宽，限制第一层水力裂缝两裂缝面的位移，采用所述步骤(3)优选的施工参数对第二层进行施工，计算第二层压裂时裂缝扩展形态。

6.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：

根据所述步骤(3)、(4)的方法，采用所述步骤(3)优化的施工参数，计算不同隔层厚度下，分层压裂时隔层上下层裂缝扩展形态，以上下层裂缝不串通为判断标准，确定直井分层压裂隔层的最小有效厚度。

7.根据权利要求1所述的一种直井分层压裂层段优选及施工参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤(6)包括：

根据储层基本地质特征、测试资料、储层物性特征、隔层厚度、地应力特征及所述步骤(4)和所述步骤(5)的计算结果，确定最终的压裂层段，结合压裂现场施工条件以及施工特点，各层段采用相同的压裂液粘度，进一步优化第二层压裂施工参数，以确保第二层中水力裂缝主要在其内部扩展，以提高压裂效果。