CN106555575A - 一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法，属于勘探技术领域，以计算深层页岩的地层起裂压力。该深层页岩的地层起裂压力的计算方法包括：获取套管、水泥环和井眼尺寸，结合射孔参数，构建地层-井筒-射孔三维模型；基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为所述地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性，其中，所述地层岩石力学参数具有横观各向同性特征和非线性变形；在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力。

Description

一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法

技术领域

本发明涉及勘探技术领域，具体地说，涉及一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法。

背景技术

深层页岩油气藏的特点是储量丰度低、物性差、自然产能低、生产成本高、增产难度大，大多属于难动用油气藏。水力压裂技术已经在低渗地层的石油天然气开采中得到广泛的应用，螺旋射孔是该技术中的常用措施，在此条件下的地层破裂压力是影响施工成功率和效果的重要因素之一。

在储集层改造过程中，某些地层破裂压力异常高，超过了管柱及设备的承受能力，直接导致压裂改造措施失败。因此急需在清楚了解深层页岩力学特征的基础上，建立准确的破裂压力预测模型，并采用该模型分析总结出适用于深层页岩开发的水力压裂降压措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法，以计算深层页岩的地层起裂压力。

本发明提供了一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法，其特征在于，包括：

获取套管、水泥环和井眼尺寸，结合射孔参数，构建地层-井筒-射孔三维模型；

基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为所述地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性，其中，所述地层岩石力学参数具有横观各向同性特征和非线性变形。

在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力。

可选的，在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力之前，还包括：

将所述地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格。

可选的，将所述地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格之后，还包括：

针对各六面体网格对应的材料属性，构建套管单元集合、水泥环单元集合和地层单元集合，其中，所述套管单元集合包括所有对应套管的六面体网格，所述水泥环单元集合包括所有对应水泥环的六面体网格，所述地层单元集合包括所有对应地层的六面体网格。

可选的，在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力包括：

在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加三向地应力；

在所述地层-井筒-射孔三维模型的边界上施加孔压载荷；

在所述套管内壁和射孔孔壁上施加液压载荷，得到射孔孔壁周围的应力分布情况随液压载荷变化的情况；

针对所述地层单元集合中的六面体网格，以岩石抗拉强度为破裂标准，获得所述地层单元集合中的六面体网格对应的岩石达到破裂时的液压大小，获得其中的最小值作为地层起裂压力。

可选的，基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为所述地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性之后，还包括：

检验赋予了材料属性的所述地层-井筒-射孔三维模型的准确程度。

可选的，该计算方法还包括：

调整射孔参数，获得最小的地层起裂压力。

可选的，所述射孔参数包括射孔孔径、射孔长度和射孔密度。

可选的，所述地层岩石力学参数包括横向/纵向弹性模量、横向/纵向泊松比和横向/纵向剪切模量，以及表征岩石非线性特征的摩擦角、剪胀角和硬化参数。

本发明带来了以下有益效果：本发明通过采用三维有限元方法，对射孔条件下地层的破裂压力进行了研究，建立了套管完井情况下井筒及地层的三维计算模型，且考虑水泥环及套管的存在。该三维计算模型考虑了页岩的横观各向同性、非线性变形的力学特征以及压裂液渗滤的影响，实现了对深层页岩破裂压力的准确预测。采用该模型可分析不同井眼走向、射孔参数、压裂液粘度对破裂压力的影响，进而总结出页岩水力压裂的降压方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的深层页岩的地层起裂压力的计算方法的流程图；

图2至图4是本发明实施例提供的地层-井筒-射孔三维模型的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法，如图1所示，包括：

步骤S101、获取套管、水泥环和井眼尺寸，结合射孔参数，构建地层-井筒-射孔三维模型。

首先建立有限元模型，基于ABAQUS CAE平台，参考现场套管1、水泥环2和井眼尺寸，以及射孔3参数(具体包括射孔3孔径、射孔3长度和射孔3密度)，建立起全尺寸的地层-井筒-射孔三维几何模型。

其中，该地层-井筒-射孔三维模型如图3所示，图2为方便观察起见，而从3中取出的井筒-射孔模型。从图2中可看出，井筒包括套管1以及包围在套管1外的水泥环2，射孔3从套管1的中心轴，沿套管1的径向均匀分布。具体的，射孔3为利用高温、高压冲击波，穿透套管1、水泥环2进入地层4，形成的一个管道。射孔3的存在，使得地层4至套管1内可以连通起来。

步骤S102、基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性，其中，地层岩石力学参数具有横观各向同性特征和非线性变形。

在构建地层-井筒-射孔三维模型之后，为了使得该构建的地层-井筒-射孔三维模型更符合实际情况，便于工作人员利用该地层-井筒-射孔三维模型获得与实际相符的地层起裂压力，需要将地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性。赋予的材料属性是依据也是真实的地层岩石力学参数，其中，深部页岩地层的力学性质可通过岩石的非线性变形和横观各向同性特征参数进行表征。该类参数可通过对井底岩心进行岩石力学进行获取。

本发明实施例中，地层岩石力学参数包括横向/纵向弹性模量、横向/纵向泊松比和横向/纵向剪切模量，以及表征岩石非线性特征的摩擦角、剪胀角和硬化参数。

则本发明实施例中赋予了材料属性的地层-井筒-射孔三维模型赋予了地层横观各向同性和非线性变形特征，适用于深部地层。

之后，为了获得更为精确的底层起裂压力，本发明实施例中，将地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格5。其中，如图4所示，对于结构复杂(如射孔3部位)和精度要求高的部位(如井筒附近)，六面体网格5的密度较高，即六面体网格5的尺寸较小。

需要说明的是，为了便于将该地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格5，需要将整个地层-井筒-射孔三维模型进行合理的分割，然后经过设置全局网格尺寸和局部加密，最终完成网格划分。

步骤S103、在地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力。

将地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格5之后，如图4所示，针对模型的边界，分别施加边界载荷，即可得到射孔3孔壁周围的应力分布随液压加载条件的变化情况。

具体的，施加边界载荷可包括：在地层-井筒-射孔三维模型上施加三向地应力；之后，在地层-井筒-射孔三维模型的边界上施加孔压载荷；最后，在套管1内壁和射孔3孔壁上施加液压载荷(由作用在孔壁上的面力和孔压构成，两者大小相等)，得到射孔3孔壁周围的应力分布情况随液压载荷变化的情况。

需要说明的是，本发明实施例中，基于各六面体网格5对应的材料属性，地层-井筒-射孔三维模型的所有的六面体网格5一共被分为了三部分：“套管1单元集合”、“水泥环2单元集合”和“地层4单元集合”。对各六面体网格进行水力压裂处理，水力压裂的目的是要压开地层4。

本发明实施例中，以岩石抗拉强度为破裂标准，对射孔3加载荷是一步步加载的，每一步比上一步载荷增大一点，然后每算完一步会得到整个模型的应力云图，判断图中是否有任一地层4单元集合中的六面体网格可达到破裂条件。若无，则再看下一步的应力云图。如果有地层4单元集合中的六面体网格达到破裂条件，破裂压力即是这一步孔壁上加载的液压，即所需的地层起裂压力。

其中，本发明实施例中的射孔3为螺旋射孔。

显然，本发明通过采用三维有限元方法，对螺旋射孔3条件下地层4的破裂压力进行了研究，建立了套管1完井情况下井筒及地层4的三维计算模型，且考虑水泥环2及套管1的存在。该三维计算模型考虑了页岩的横观各向同性、非线性变形的力学特征以及压裂液渗滤的影响，实现了对深层页岩破裂压力的准确预测。采用该模型可分析不同井眼走向、射孔参数、压裂液粘度对破裂压力的影响，进而总结出页岩水力压裂的降压方法。

以上介绍了地层-井筒-射孔三维模型的建模过程和计算原理，该本发明实施例还可利用该地层-井筒-射孔三维模型来进行射孔参数优化，从而降低地层破裂压力。

具体的，在利用该地层-井筒-射孔三维模型进行射孔3参数优化，以达到降低破裂压力之前，还需要对该三维模型的准确性进行验证。要求该三维模型完全按照现场的井深结构参数、射孔3参数来设计三维模型尺寸，严格按照现场的岩石物性和力学参数来设置三维模型的材料参数。同时，三维模型的边界载荷的加载也要完全遵照现场地应力数据和压裂施工参数。然后对比模型结果与现场压裂结果，看误差是否在允许范围之内。如果误差较大，需要检查各参数的准确性，模型的尺寸是否合适。

如果该地层-井筒-射孔三维模型的准确性满足要求，则可以在该三维模型的基础上进行射孔3参数的优化。具体的优化方法可采用控制变量法，如要优化射孔3密度，则需要在保证其他参数不变的基础上，制作不同射孔3密度的三维模型并对比每个三维模型的计算结果，从多个计算结果中优选出最优的射孔3密度，该最优的射孔3密度对应最小的地层起裂压力。

显然，可以同样的方法可对井眼轨迹、射孔3长度、射孔3孔径、射孔3相位等参数进行优化。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明 而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种深层页岩的地层起裂压力的计算方法，其特征在于，包括：

获取套管、水泥环和井眼尺寸，结合射孔参数，构建地层-井筒-射孔三维模型；

基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为所述地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性，其中，所述地层岩石力学参数具有横观各向同性特征和非线性变形；

在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力之前，还包括：

将所述地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格。

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，将所述地层-井筒-射孔三维模型划分为多个六面体网格之后，还包括：

针对各六面体网格对应的材料属性，构建套管单元集合、水泥环单元集合和地层单元集合，其中，所述套管单元集合包括所有对应套管的六面体网格，所述水泥环单元集合包括所有对应水泥环的六面体网格，所述地层单元集合包括所有对应地层的六面体网格。

4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加边界载荷，获得地层起裂压力包括：

在所述地层-井筒-射孔三维模型上施加三向地应力；

在所述地层-井筒-射孔三维模型的边界上施加孔压载荷；

在所述套管内壁和射孔孔壁上施加液压载荷，得到射孔孔壁周围的应力分布情况随液压载荷变化的情况；

针对所述地层单元集合中的六面体网格，以岩石抗拉强度为破裂标准，获得所述地层单元集合中的六面体网格对应的岩石达到破裂时的液压大小，获得其中的最小值作为地层起裂压力。

5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，基于套管、水泥环的材料参数和地层岩石力学参数，为所述地层-井筒-射孔三维模型赋予材料属性之后，还包括：

检验赋予了材料属性的所述地层-井筒-射孔三维模型的准确程度。

6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，还包括：

调整射孔参数，获得最小的地层起裂压力。

7.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述射孔参数包括射孔孔径、射孔长度和射孔密度。

8.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述地层岩石力学参数包括横向/纵向弹性模量、横向/纵向泊松比和横向/纵向剪切模量，以及表征岩石非线性特征的摩擦角、剪胀角和硬化参数。