CN106948800B - 一种水平井分段压裂施工工况诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田勘探开发水力压裂领域，涉及一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，包括以下步骤：A、判别压裂段中压裂缝的延伸模式；B、计算水平井分段压裂时已压裂段裂缝对当前实施段压裂缝的干扰应力；C、计算水平井分段压裂已压裂段裂缝对当前实施段裂缝在干扰应力作用下的地层实际水平最小主应力；D、计算当前实施段压裂缝实际净压力；E、计算施工时压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率；F、计算当前压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限，确定延伸指数的变化范围；G、判断双对数斜率与延伸指数上下界限的关系。考虑水平井分段压裂时多裂缝间的应力干扰，结合裂缝穿越/滑移判别准则能有效诊断水平井分段压裂施工工况。

Description

一种水平井分段压裂施工工况诊断方法

技术领域

本发明涉及一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，属于油气田勘探开发中的水力压裂技术领域。

背景技术

水平井分段压裂是低渗、特低渗乃至非常规储层压裂改造的核心技术。一般都是通过在目的层中钻水平井，然后再在水平井中实施分段压裂以形成多条裂缝，由于前序压裂已形成裂缝会对当前压裂裂缝产生应力干扰而改变当前压裂段的原地应力分布，导致水平井分段压裂当前施工段裂缝延伸净压力变化规律和常规单裂缝压裂施工净压力变化规律不同，所以水平井分段压裂施工工况诊断方法和常规单裂缝压裂施工诊断方法(标准)也不同。

但是，目前我国油田现场水平井分段压裂施工工况诊断方法仍然采用常规单裂缝压裂施工的Nolte-Smith诊断方法，这样不仅使得诊断误差大，而且甚至会导致水平井分段压裂施工失败，所以，我们迫切需要研发出一种适用于水平井分段压裂施工的诊断方法。

发明内容

本发明提供了一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，其目的在于，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案如下：

一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，包括以下几个步骤：

A、根据原地应力数值和岩石强度参数判别压裂段中压裂缝的延伸模式：其中原地应力数值可通过室内岩心应力实验、现场测井资料或矿场测试得到；岩石强度参数可通过室内岩心三轴实验或由现场测井资料计算得到，然后根据下列公式判断压裂缝延伸模式为穿越模式或滑移模式：

临界穿越应力比：

临界应力比：

内摩擦系数：μ＝tgφ

式中：μ—内摩擦系数；Φ—岩石内摩擦角；Co—岩石内聚力(MPa)；To—岩石抗拉强度(MPa)；σ_y—地层水平最小主应力(MPa)；σ_Z—地层垂向主应力(MPa)。

当λ＞λ_cr，压裂缝为穿越模式；当λ＜λ_cr，压裂缝为滑移模式。

B、根据岩石弹性参数(泊松比)、无压裂缝干扰的施工净压力、压裂施工设计的压裂缝间距和前序相邻的已压裂缝高度计算水平井分段压裂时压裂缝间的干扰应力，干扰应力计算公式如下：

Δσ_V＝ν(Δσ_x+Δσ_y)

式中：Δσ_h—水平最小主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；Δσ_H—水平最大主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；Δσ_V—垂向主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；p_neto—无压裂缝干扰的施工净压力(MPa)；h_f—前序相邻的已压裂缝高度(m)；x—压裂施工设计的压裂缝间距(m)；ν—泊松比。

C、计算水平井分段压裂的压裂段在干扰应力作用下的地层实际水平最小主应力，实际水平最小主应力计算公式如下：

p_c'＝σ_h+Δσ_h

式中：p_c'—实际水平最小主应力(MPa)；σ_h—水平最小主应力(MPa)；Δσ_h—沿最小水平主应力方向的干扰应力(MPa)。

D、根据水平井分段压裂施工时的井底压力计算压裂缝实际净压力，实际净压力的计算公式如下：

p_net＝p_wh-p_c'

式中：p_net—压裂过程实际净压力(MPa)；p_wh—压裂施工时井底压力(MPa)。

E、采用最小二乘法拟合计算施工时压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率。

F、应用压裂液流态指数计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限，确定延伸指数的变化范围。

G、判断压裂施工过程实际净压力和施工时间的双对数斜率与水平井分段压裂压裂缝延伸指数的变化范围之间的关系。

在本发明提供的实施例中，上述步骤G包括两种情况：

(1)、若压裂施工过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围内，则压裂施工工况正常；

(2)、若压裂施工过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围外，则压裂施工工况异常。

在本发明提供的实施例中，上述压裂施工异常包括两种情况：

(1)、若压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率大于压裂段压裂缝延伸模式的上界限，则施工工况趋于砂堵，要降低压裂液的含砂量；

(2)、若压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率小于压裂段压裂缝延伸模式的下界限，则施工工况趋于滤失增加，要增大压裂液的排量。

本发明的有益效果为：本发明提供了了一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，即考虑水平井分段压裂时前序裂缝对当前压裂缝的应力干扰，结合裂缝穿越/滑移判别准则以有效识别滑移模式和穿越模式，基于不同裂缝延伸模式下的实际施工净压力-时间双对数斜率与应用压裂液流态指数计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限之间的关系，研发出了一种适用于水平井分段压裂时对施工工况的诊断方法，通过油田现场的实际应用，证明了该诊断方法能够有效、准确地判别出水平井分段压裂施工的实时工况，为油田现场水平井分段压裂的施工提供了理论依据，填补了国内水平井分段压裂施工工况诊断方法的空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本发明提供的实际净压力曲线和实际净压力-施工时间拟合的双对数曲线。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，包括以下几个步骤：

A、根据原地应力数值和岩石强度参数判别压裂段中压裂缝的延伸模式：其中原地应力数值可通过室内岩心应力实验、现场测井资料或矿场测试得到；岩石强度参数可通过室内岩心三轴实验或由现场测井资料计算得到，然后根据下列公式判断压裂缝延伸模式为穿越模式或滑移模式：

临界穿越应力比：

临界应力比：

内摩擦系数：μ＝tgφ

式中：μ—内摩擦系数；Φ—岩石内摩擦角；Co—岩石内聚力(MPa)；To—岩石抗拉强度(MPa)；σ_y—地层水平最小主应力(MPa)；σ_Z—地层垂向主应力(MPa)。

当λ＞λ_cr，压裂缝为穿越模式；当λ＜λ_cr，压裂缝为滑移模式。

B、根据岩石弹性参数(泊松比)、无压裂缝干扰的施工净压力、压裂施工设计的压裂缝间距和前序相邻的已压裂缝高度计算水平井分段压裂时压裂缝间的干扰应力，干扰应力计算公式如下：

Δσ_V＝ν(Δσ_x+Δσ_y)

式中：Δσ_h—水平最小主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；Δσ_H—水平最大主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；Δσ_V—垂向主应力方向压裂缝干扰应力(MPa)；p_neto—无压裂缝干扰的施工净压力(MPa)；h_f—前序相邻的已压裂缝高度(m)；x—压裂施工设计的压裂缝间距(m)；ν—泊松比。

C、计算水平井分段压裂的压裂段在干扰应力作用下的地层实际水平最小主应力，实际水平最小主应力计算公式如下：

p_c'＝σ_h+Δσ_h

式中：p_c'—实际水平最小主应力(MPa)；σ_h—水平最小主应力(MPa)；Δσ_h—沿最小水平主应力方向的干扰应力(MPa)。

D、根据水平井分段压裂施工时的井底压力计算压裂缝实际净压力，实际净压力的计算公式如下：

p_net＝p_wh-p_c'

式中：p_net—压裂缝实际净压力(MPa)；p_wh—压裂施工时井底压力(MPa)。

E、采用最小二乘法拟合计算施工时压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率。

F、应用压裂液流态指数n计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数e的上下界限，确定延伸指数的变化范围，压裂液流态指数和延伸指数的关系如下表：

G、判断压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率与水平井分段压裂压裂缝延伸指数上下界限及变化范围之间的关系。

其中步骤G包括两种情况：

(1)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围内，则压裂施工工况正常；

(2)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围外，则压裂施工工况异常。

其中压裂施工过程异常包括两种情况：

(1)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率大于压裂段压裂缝延伸模式的上界限，则施工工况趋于砂堵；

(2)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率小于压裂段压裂缝延伸模式的下界限，则施工工况趋于滤失增加。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

四川盆地某水平井完井垂深4276m，水平段长800m，有效厚度32m，地层流体压力42MPa。根据岩心实验分析确定原地应力场为垂向主应力145MPa、水平最大最小主应力分别为121.6MPa和109.0MPa；岩石内聚力17.5MPa、内摩擦角25°；平均弹性模量32.32GPa，平均泊松比0.2，平均抗拉强度9.59MPa。现采用滑溜水压裂液(近似为牛顿流体，流型指数为1.0)分15段进行压裂，平均分段间距50m，在其中一个压裂段中前序相邻的已压裂缝高度50m，设计的压裂缝间距50m，测得该压裂段施工前无压裂缝干扰时的施工净压力为8MPa。则对于该压裂段压裂施工工况的诊断方法具体步骤如下：

A、根据原地应力数值和岩石强度参数判别压裂段中压裂缝的延伸模式：

临界穿越应力比：

临界应力比：

显然，λ＞λ_cr，因此该水平井压裂段的压裂缝为穿越模式。

B、根据泊松比、无压裂缝干扰的施工净压力、压裂施工设计的压裂缝间距、前序相邻的已压裂缝高度计算水平井该压裂段压裂缝之间的干扰应力：

Δσ_V＝ν(Δσ_x+Δσ_y)＝0.338MPa

式中：泊松比ν为平均泊松比。

C、计算水平井该压裂段在压裂缝干扰应力作用下的地层实际水平最小主应力：

p_c'＝σ_h+Δσ_h＝109.0+2.276＝111.276MPa

D、根据水平井分段压裂施工时的井底压力计算压裂缝实际净压力，结果如图1：

p_net＝p_wh-p_c'

式中：p_wh为间隔一秒的井底压力实时测量值(MPa)。

E、采用最小二乘法拟合计算施工时压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率，拟合曲线如图1所示，拟合曲线中包括六个直线段，各直线段斜率如下表所示：

阶段	I	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ
							斜率	0.2742	0.0056	0.4118	-1.302	-1.799	1.735

F、应用压裂液流态指数计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限，确定延伸指数的变化范围，结果如下表：

G、判断压裂缝实际净压力和施工时间的双对数斜率与延伸指数变化范围的关系，随着施工时间的延长，施工工况诊断结果如下表所示：

对于施工工况异常的诊断处理，因为第I段略大于穿越模式的上界限，进行观察，但后续过程恢复正常无需采取措施；第Ⅲ段和第Ⅵ段的双对数斜率大于穿越模式的上界限，则施工工况趋于砂堵，对压裂液进行降低砂比处理；第Ⅳ段和第Ⅴ段的双对数斜率小于穿越模式的下界限，则施工工况趋于滤失增加，要提高压裂液的排量。

本发明提供的水平井分段压裂施工工况诊断方法的有益效果为：本发明提供了了一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，即考虑水平井分段压裂时多裂缝间的应力干扰，结合裂缝穿越/滑移判别准则以有效识别滑移模式和穿越模式，基于不同裂缝延伸模式下的地层实际净压力-时间双对数斜率与应用压裂液流态指数计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限之间的关系，研发出了一种适用于水平井分段压裂时对施工工况的诊断方法，通过油田现场的实际应用，证明了该诊断方法能够有效、准确地判别出水平井分段压裂施工的实时工况，为油田现场水平井分段压裂的施工提供了理论依据，填补了国内水平井分段压裂施工工况诊断方法的空白。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，所述水平井分段压裂施工工况诊断方法包括以下几个步骤：

A、根据原地应力数值和岩石强度参数判别压裂段中压裂缝的延伸模式；

B、根据无压裂缝干扰的施工净压力、压裂施工设计的压裂缝间距和前序相邻的已压裂缝高度计算水平井分段压裂时已压裂段裂缝对当前实施段压裂缝的干扰应力；

C、计算水平井分段压裂时当前压裂段在干扰应力作用下的地层实际水平最小主应力；

D、根据水平井分段压裂施工时的井底压力计算压裂过程的实际净压力；

E、采用最小二乘法拟合计算压裂施工的实际净压力和施工时间的双对数斜率；

F、应用压裂液流态指数计算压裂缝在不同延伸模式下延伸指数的上下界限，确定延伸指数的变化范围；

G、判断压裂时实际净压力和施工时间的双对数斜率与水平井分段压裂压裂缝延伸指数的变化范围之间的关系。

2.根据权利要求1所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，步骤A中，压裂缝的延伸模式包括穿越模式和滑移模式。

3.根据权利要求1所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，步骤B中，干扰应力计算公式如下：

式中：Δσ_h—水平最小主应力方向压裂缝干扰应力，MPa；p_neto—无压裂缝干扰的施工净压力，MPa；h_f—前序相邻的已压裂缝高度，m；x—压裂施工设计的压裂缝间距，m。

4.根据权利要求1所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，步骤C中，地层实际水平最小主应力的计算公式如下：

p_c'＝σ_h+Δσ_h

式中：p_c'—实际水平最小主应力， MPa；σ_h—水平最小主应力， MPa；Δσ_h—沿最小水平主应力方向的干扰应力，MPa。

5.根据权利要求1所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，步骤D中，压裂缝实际净压力的计算公式如下：

p_net＝p_wh-p_c'

式中：p_net—压裂缝实际净压力，MPa；p_wh—压裂施工时井底压力，MPa；p_c'—实际水平最小主应力，MPa。

6.根据权利要求1所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，步骤G包括两种情况：

(1)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围内，则压裂施工工况正常；

(2)、若压裂过程实际净压力和施工时间的双对数斜率在延伸指数变化范围外，则压裂施工工况异常。

7.根据权利要求6所述的水平井分段压裂施工工况诊断方法，其特征在于，压裂施工工况异常包括两种情况：

(1)、若压裂过程的实际净压力和施工时间的双对数斜率大于压裂段压裂缝延伸模式的上界限，则施工工况趋于砂堵；

(2)、若压裂过程的实际净压力和施工时间的双对数斜率小于压裂段压裂缝延伸模式的下界限，则施工工况趋于滤失增加。