CN107451314B - 一种用于预测地层剪切破裂能力的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预测地层剪切破裂能力的方法及系统，该方法包括临界条件计算步骤，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；聚合强度计算步骤，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；临界应力模型建立步骤，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型。本发明可优化压裂施工参数，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

Description

一种用于预测地层剪切破裂能力的方法及系统

技术领域

本发明属于石油勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种用于预测地层剪切破裂能力的方法及系统。

背景技术

地层破裂通常包含张破裂和剪切破裂。张破裂是在地层存在裂缝或微裂缝的情况下，当外加应力超过地层临界应力强度因子是所产生的破裂。张破裂目前研究较多。

剪切破裂是地层压裂过程出现的一种重要破裂类型，主要与地层的内摩擦角、聚合强度和地层应力相关，

目前对剪切破裂研究较少，且该破裂类型难以用微地震监测方法所检测。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种用于预测地层剪切破裂能力的方法及系统，用于优化压裂施工参数，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于预测地层剪切破裂能力的方法，包括：

临界条件计算步骤，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算步骤，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立步骤，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型。

根据本发明的一个实施例，所述临界条件计算步骤进一步包括：

建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式；

基于所述关系式对所述地层聚合强度进行一阶导数处理，得到地层发生剪切破裂的临界条件。

根据本发明的一个实施例，所述临界条件表示为：

其中，θ为破裂面与最小水平主应力方向夹角，μ为内摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，内摩擦系数通过以下步骤计算得到：

根据成像测井资料获取诱导缝密度和破裂面与最小水平主应力方向夹角；

根据破裂面与最小水平主应力方向夹角计算地层内摩擦角；

根据所述地层内摩擦角计算地层的内摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，内摩擦系数通过以下步骤计算得到

根据已知评价井的测井资料获取地层泥质含量与地层内摩擦角的关系模型；

根据地层内摩擦角建立内摩擦系数预测模型；

根据目标井的地层泥质含量和内摩擦系数预测模型预测内摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，根据地层泥质含量计算地层内摩擦角通过下式计算得到：

其中，

为内摩擦角，V_cl为泥质含量，参数a和b通过回归计算得到。

根据本发明的一个实施例，所述临界应力模型表示为

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃

其中，σ为临界应力，S₀为地层发生剪切破裂的聚合强度，μ为内摩擦系数，σ₃为最小水平主应力。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于预测地层剪切破裂能力的系统，包括：

临界条件计算模块，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算模块，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立模块，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型。

根据本发明的一个实施例，所述临界条件计算模块进一步包括：

关系建立单元，建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式；

临界条件建立单元，基于所述关系式对所述地层聚合强度进行一阶导数处理，得到地层发生剪切破裂的临界条件。

根据本发明的一个实施例，所述临界条件表示为：

其中，θ为破裂面与最小水平主应力方向夹角，μ为内摩擦系数。

本发明的有益效果：

本发明利用电成像、偶极子声波和伽马等测井资料，建立地层发生剪切破裂的临界应力模型，当地层中应力大于该临界应力时将发生剪切破裂。本发明有利于判断地层压裂过程中出现剪切破裂的条件、难易程度及剪切破裂裂缝估计，可以优化压裂施工参数，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

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是根据本发明的一个实施例的方法流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的内摩擦系数计算流程图；

图3是根据本发明的另一个实施例的内摩擦系数计算流程图；

图4是根据本发明的一个实施例的泥质含量与内摩擦角关系示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的诱导缝与内摩察角关系示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的利用测井资料确定钻井诱导缝密度示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的地层剪切破裂应力与钻井诱导缝密度之间的关系示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的泥质含量与钻井诱导缝密度之间的关系示意图。

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。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的用于预测地层剪切破裂能力的方法流程图，以下参考图1来对本发明进行详细说明。

首先是步骤S110临界条件计算步骤，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件。

在该步骤中，首先建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式。

钻井诱导缝是在钻铤和钻井液压力作用下产生的，该裂缝满足库仑破裂准则。根据库仑准则给出的假设条件，地层在正应力σ作用下，产生的剪应力τ满足以下关系：

|τ|＝S₀+μσ (1)

其中，S₀，μ与岩石性质有关的材料常数，S₀为地层的聚合强度，μ是地层的内摩察系数，

是地层的内摩察角。

从式(1)可知，钻井过程中地层产生剪切力的大小取决于三个变量：钻井过程中所产生的正应力σ，地层的聚合强度S₀和内摩察系数μ。地层的聚合强度和内摩察系数与岩石性质有关；钻井的正应力包含钻杆的重力、泥浆滤液的重力和钻井过程中的作用力之和，该正应力越大，则地层产生的剪切力越大。钻井过程中，当钻井方向的应力足够大，大于地层的破裂压力时会产生剪切破裂，因此，在水平最大地应力方向发生出现诱导裂缝。

在地层二维条件下，地层存在水平方向的最大和最小地应力，因此，地层正应力σ和剪应力τ可以表示为：

其中，σ₁为二维平面中的最大水平地应力，σ₃为二维平面中的最小水平地应力，θ为破裂面与σ₃方向的夹角。

结合式(1)和(2)，可以得到地层聚合强度S₀与应力σ₁、应力σ₃、μ、θ之间的关系：

接着，为了获得地层发生剪切破裂的临界条件，对公式(3)求极值，即根据

得到地层发生剪切破裂的临界条件为：

接着是步骤S120聚合强度计算步骤，根据临界条件和地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度。

具体的，将式(4)代入式(3)，可得到地层发生剪切破裂的聚合强度为：

S₀是地层固有的性质，在水平井中，钻井过程中出现的钻井诱导缝由最小水平应力σ₃、最大水平应力σ₁及μ大小决定，因此，利用水平井中的钻井诱导缝可以用来确定地层的聚合强度S₀。

最后是步骤S130临界应力模型计算步骤，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型。具体的，进一步整理(5)式，可以得到临界应力模型：

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃ (6)

利用测量及计算得到的实际地层地应力与该临界应力模型的取值进行比较，钻井过程中产生的正应力大于式(6)中σ时，地层将会出现剪切破裂。

从式(6)可以看出，当钻井过程中产生的正应力大于σ时，地层将会出现剪切破裂。地层的材料性质包含地层的聚合强度和内摩察角(对应内摩擦角)，由式(6)可以看出，地层的聚合强度和内摩察系数越大，则地层破裂所需要的正应力就越大，即地层发生剪切破裂就越难。

对于内摩擦系数μ，可以采用以下两种方法计算得到。其中一种包括如图2所示的几个步骤。

首先，根据成像测井资料获取诱导缝密度和破裂面与最小水平主应力方向夹角。可以通过电成像测井资料的解释成果获取诱导缝密度和方位角。

然后根据破裂面与最小水平主应力方向夹角计算地层内摩擦角,地层岩石的内摩察角

与破裂面的方位角θ之间满足如下关系：

最后，根据地层内摩擦角计算地层的内摩擦系数。根据

关系，计算地层的内摩擦系数。

计算地层的内摩擦系数的另一种方法是利用泥质含量与内摩擦角的相关性，如图3所示。通过分析内摩擦系数与其它变量之间的关系，发现泥质含量与内摩擦角相关性最强，如图4所示，说明利用泥质含量能有效表征内摩擦角。用测井资料中的自然伽马或伽马能谱能有效地评价出泥质含量，然后利用泥质含量计算出地层的内摩擦角。

首先，根据已知评价井的测井资料获取地层泥质含量与地层内摩擦角的关系模型。具体的，利用已知评价井的成像、伽马测井等数据，建立回归模型得到地层泥质含量与地层内摩擦角的关系模型：

其中，参数a和b采用已知评价井的实际数据回归得到，V_cl为泥质含量。

接着，根据地层内摩擦角建立内摩擦系数预测模型。具体的，根据

关系，建立内摩擦系数预测模型：

μ＝tg(a·Vcl^b) (9)

最后，根据目标井的地层泥质含量和内摩擦系数预测模型预测内摩擦系数。具体的，根据目标井的伽马或能谱伽马测井资料的解释成果确定地层泥质含量，根据目标井的地层泥质含量计算内摩擦系数。

实际成像测井资料评价的地层内摩察角与诱导缝密度之间有明显的反比关系，从5图中可以看出，地层内摩察角越小，越容易发生剪切破裂，地层诱导缝就越多；相反，地层内摩察角越大，地层出现的诱导缝就越少，越难发生剪切破裂。

最后得到的地层出现剪切破裂的临界破裂模型表示为：

以下通过一个具体的实施例来对本发明进行验证说明。如图6所示，利用电成像和伽马测井资料，获得地层诱导缝密度、方位角和泥质含量，计算出内摩擦角、摩擦系数，利用伽马计算的泥质含量预测地层内摩擦系数，获取泥质含量与摩擦系数之间的关系。

利用偶极子声波资料计算出最大水平地应力、最小水平地应力，根据模型(5)计算出聚合强度，根据模型(6)计算出地层剪切破裂临界应力大小模型。图7中横坐标为计算的地层剪切破裂临界应力数值，利用电成像测井资料获得地层诱导缝密度，从图中看出：剪切破裂临界应力越高，地层剪切破裂越难，出现剪切诱导缝密度越小；反之亦然。

图8中横坐标为地层的泥质含量，利用电成像测井资料获得地层诱导缝密度，从图中看出泥质含量越高，地层诱导裂缝的越多，地层越容易发生剪切破裂。

本发明利用电成像、偶极子声波和伽马等测井资料，建立地层发生剪切破裂的临界应力模型，当地层中应力大于该临界应力时将发生剪切破裂。本发明有利于判断地层压裂过程中出现剪切破裂的条件、难易程度及剪切破裂裂缝估计，可以优化压裂施工参数，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于预测地层剪切破裂能力的系统，包括临界条件计算模块、聚合强度计算模块和临界应力模型计算模块。其中，临界条件计算模块根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；聚合强度计算模块根据临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；临界应力模型计算模块根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型。

在本发明的一个实施例中，该临界条件计算模块进一步包括关系建立单元和临界条件建立单元，其中，关系建立单元建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式；临界条件建立单元基于关系式对地层聚合强度进行一阶导数处理，得到地层发生剪切破裂的临界条件。在本发明的一个实施例中，该临界条件表示式(4)。

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 (9)

1.一种用于预测地层剪切破裂能力的方法，包括：

临界条件计算步骤，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算步骤，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立步骤，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型，所述临界应力模型表示为

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃

其中，σ为临界应力，S₀为地层发生剪切破裂的聚合强度，μ为内摩擦系数，σ₃为最小水平主应力；

基于所述临界应力模型，将实际地层应力与所述临界应力模型中的取值进行比较，根据所述比较结果得到所述地层剪切破裂能力的预测结果；其中，内摩擦系数通过以下步骤计算得到：

根据已知评价井的测井资料获取地层泥质含量与地层内摩擦角的关系模型；

根据地层内摩擦角建立内摩擦系数预测模型；

根据目标井的地层泥质含量和内摩擦系数预测模型预测内摩擦系数，根据地层泥质含量计算地层内摩擦角通过下式计算得到：

其中，

为内摩擦角，V_cl为泥质含量，参数a和b通过回归计算得到。

2.一种用于预测地层剪切破裂能力的方法，包括：

临界条件计算步骤，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算步骤，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立步骤，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型，所述临界应力模型表示为

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃

其中，σ为临界应力，S₀为地层发生剪切破裂的聚合强度，μ为内摩擦系数，σ₃为最小水平主应力；

基于所述临界应力模型，将实际地层应力与所述临界应力模型中的取值进行比较，根据所述比较结果得到所述地层剪切破裂能力的预测结果。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述临界条件计算步骤进一步包括：

建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式；

基于所述关系式对所述地层聚合强度进行一阶导数处理，得到地层发生剪切破裂的临界条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述临界条件表示为：

其中，θ为破裂面与最小水平主应力方向夹角，μ为内摩擦系数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，内摩擦系数通过以下步骤计算得到：

根据成像测井资料获取诱导缝密度和破裂面与最小水平主应力方向夹角；

根据破裂面与最小水平主应力方向夹角计算地层内摩擦角；

根据所述地层内摩擦角计算地层的内摩擦系数。

6.一种用于预测地层剪切破裂能力的系统，包括：

临界条件计算模块，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算模块，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立模块，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型，所述临界应力模型表示为

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃

其中，σ为临界应力，S₀为地层发生剪切破裂的聚合强度，μ为内摩擦系数，σ₃为最小水平主应力；

基于所述临界应力模型，将实际地层应力与所述临界应力模型中的取值进行比较，根据所述比较结果得到所述地层剪切破裂能力的预测结果；其中，内摩擦系数通过以下步骤计算得到：

根据已知评价井的测井资料获取地层泥质含量与地层内摩擦角的关系模型；

根据地层内摩擦角建立内摩擦系数预测模型；

根据目标井的地层泥质含量和内摩擦系数预测模型预测内摩擦系数，根据地层泥质含量计算地层内摩擦角通过下式计算得到：

其中，

为内摩擦角，V_cl为泥质含量，参数a和b通过回归计算得到。

7.一种用于预测地层剪切破裂能力的系统，包括：

临界条件计算模块，根据地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的临界条件；

聚合强度计算模块，根据所述临界条件及地层聚合强度与地层应力关系计算地层发生剪切破裂的聚合强度；

临界应力模型建立模块，根据地层发生剪切破裂的聚合强度和内摩擦系数建立临界应力模型，所述临界应力模型表示为

σ＝2S₀[(μ²+1)^1/2+μ]+[(μ²+1)²+μ]²σ₃

其中，σ为临界应力，S₀为地层发生剪切破裂的聚合强度，μ为内摩擦系数，σ₃为最小水平主应力；

基于所述临界应力模型，将实际地层应力与所述临界应力模型中的取值进行比较，根据所述比较结果得到所述地层剪切破裂能力的预测结果。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述临界条件计算模块进一步包括：

关系建立单元，建立地层聚合强度与最大水平主应力、最小水平主应力、内摩擦系数和破裂面与最小水平主应力方向夹角的关系式；

临界条件建立单元，基于所述关系式对所述地层聚合强度进行一阶导数处理，得到地层发生剪切破裂的临界条件。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述临界条件表示为：

其中，θ为破裂面与最小水平主应力方向夹角，μ为内摩擦系数。

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