CN107991188B - 一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法 - Google Patents

一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于，所述方法包括：对实施井取样岩心的静态岩石力学参数物模测试；进行基于数值岩心的岩石力学参数数模测试，获得精细的储层岩体残余强度特征；对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型，计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数。本发明可对复杂裂缝网络起裂萌生、延伸扩展的全过程进行实时捕捉，可实现裂缝复杂性的超前评估，指导压裂施工设计，对于改进压裂设计、提高复杂缝网体积意义重大。

Description

一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法
技术领域
本发明涉及属于油田开采领域，特别涉及一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法。
背景技术
在改造页岩等致密油气储层的水力压裂工程中，如何评估和预测水力裂缝的复杂性是压裂改造工程的关键环节之一。目前，已有采用基于微地震数据的裂缝复杂指数(FCI)来表征体积压裂改造效果的好坏。FCI值越高，说明产生的水力压裂裂缝网络越复杂、形成的改造体积就越大，改造效果就越好。但是FCI并非直接评估裂缝网络，而是建立在微震监测数据上，因此有很大的不确定性，并且只能进行压裂之后的后期评估、无法进行前期的工程设计指导。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法。
本发明采用的技术方案如下。
一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：对实施井取样岩心的静态岩石力学参数物模测试；
步骤2：进行基于数值岩心的岩石力学参数数模测试，获得精细的储层岩体残余强度特征；
步骤3：对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型，计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数。
影响复杂缝网起裂延伸的因素主要包括地质因素，工程因素和它们之间的相互耦合。地质因素主要包括储层岩石力学参数、水平应力场、天然裂缝方向、发育程度和天然裂缝胶结程度等几个重要方面。工程因素主要包括缝内净压力、压裂液黏度、施工排量、暂堵增压、人为制造缝间干扰等几个方面。页岩岩心的力学性质对于复杂缝网起裂与延伸起关键作用，页岩岩石是一种典型的脆性材料，但在深部高应力条件下残余强度(残余应力)特征明显，残余应力水平(岩心残余强度与岩心峰值强度的比值)对水力压裂裂纹拓展延伸轨迹的影响明显。基于残余应力水平的水力压裂裂缝复杂性评估对于改进压裂设计、提高复杂缝网体积意义重大。特别是针对页岩储层水力压裂改造工程相关的技术领域，方法主要基于岩心岩石力学测试数据和基于有限元的数值模拟数据。
本发明提供一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的新方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。其优点明显是：
1、可对复杂裂缝网络起裂萌生、延伸扩展的全过程进行实时捕捉；
2、可以考虑多参数的影响，建模操作简单；
3、可实现裂缝复杂性的超前评估，指导压裂施工设计；
4、费用低廉，具有可重复性。
进一步，在步骤1中，所述静态岩石力学参数为静态弹性模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、残余强度、静态泊松比。
进一步，在步骤2中，所述基于数值岩心的岩石力学参数数模测试是指根据步骤1获得的不同深度的取样岩心的静态岩石力学参数，对典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层采用基于有限元的数值方法进行数值模拟，从而获得了精细的、连续的、储层纵向岩石力学参数的残余强度特征分布。
进一步，在步骤2中，对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层，建立数值岩心，进行数值模拟；可进行任意储层深度、任意围压的单轴和三轴模拟，得到岩心的全程应力应变曲线、一般的岩石试样应力-应变曲线，计算岩心残余应力；所述岩心残余应力是岩心残余强度与岩心峰值强度的比值；所述建立数值岩心的方法是建立几何尺寸为50mm×25mm截面尺寸、网格数模为200×100个的有限元模型，且各个网格要赋予岩石力学参数以及渗流力学参数；所述岩石力学参数包括模量、泊松比、强度，所述渗流力学参数包括渗透率、孔隙度、孔隙压力；所述数值模拟采用最小二乘法法拟合。
进一步，在步骤3中，所述计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数包括：根据不同残余强度储层的有限元模型，进行压裂裂缝起裂与延伸形貌的模拟计算，得到不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系，最终获得基于数模的水力裂缝复杂性指数，从而评估水力压裂裂缝的复杂性。
进一步，在步骤3中，所述不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系是指以起裂压力为纵轴、残余应力水平为横轴建立坐标系，根据离散的坐标点建立的储层岩石残余强度对起裂压力的影响的曲线。预测不同储层岩石残余强度水平下的起裂压力。
进一步，在步骤3中，利用水力裂缝半缝缝网椭圆的椭圆短轴与长轴尺度的比值，定义裂缝复杂性指数为：
Figure BDA0001141016900000031
式中，FCI为裂缝复杂性指数；W为水力裂缝半缝缝网椭圆短轴；L为造缝半缝长。
进一步，在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合地应力参数进行，即有限元分析模型界限、模型界限外地应力大小均需参照实际工程条件选定。
进一步，在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合施工参数进行，即数值模拟计算时，输入的压裂液流量参数、压裂时间、压裂液黏度参数均参照实际施工参数。
附图说明
图1是数值岩心模型图。
图2是岩心应力-应变曲线图。
图3是具有不同残余应力的岩心应力-应变图。
图4是不同残余强度模型的起裂压力规律图
图5是残余强度较高时残余强度应力模型的水力压裂裂缝复杂缝网示意图。
图6是残余强度中等时残余强度应力模型的水力压裂裂缝复杂缝网示意图。
图7是残余强度较低时残余强度应力模型的水力压裂裂缝复杂缝网示意图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1。一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：对实施井取样岩心的静态岩石力学参数物模测试；
步骤2：进行基于数值岩心的岩石力学参数数模测试，获得精细的储层岩体残余强度特征；
步骤3：对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型，计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数。
在步骤1中，所述静态岩石力学参数为静态弹性模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、残余强度、静态泊松比。
在步骤2中，所述基于数值岩心的岩石力学参数数模测试是指根据步骤1获得的不同深度的取样岩心的静态岩石力学参数，对典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层采用基于有限元的数值方法进行数值模拟，从而获得了精细的、连续的、储层纵向岩石力学参数的残余强度特征分布。
在步骤2中，对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层，建立数值岩心，进行数值模拟；可进行任意储层深度、任意围压的单轴和三轴模拟，得到岩心的全程应力应变曲线、一般的岩石试样应力-应变曲线，计算岩心残余应力；所述岩心残余应力是岩心残余强度与岩心峰值强度的比值；所述建立数值岩心的方法是建立几何尺寸为50mm×25mm截面尺寸、网格数模为200×100个的有限元模型，且各个网格要赋予模量、泊松比、强度等岩石力学参数以及渗透率、孔隙度、孔隙压力等渗流力学参数。所述数值模拟采用最小二乘法法拟合。
在步骤3中，所述计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数包括：根据不同残余强度储层的有限元模型，进行压裂裂缝起裂与延伸形貌的模拟计算，得到不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系，最终获得基于数模的水力裂缝复杂性指数，从而评估水力压裂裂缝的复杂性。
在步骤3中，所述不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系是指以起裂压力为纵轴、残余应力水平为横轴建立坐标系，根据离散的坐标点建立的储层岩石残余强度对起裂压力的影响的曲线。
在步骤3中，利用水力裂缝半缝缝网椭圆的椭圆短轴与长轴尺度的比值，定义裂缝复杂性指数为：
Figure BDA0001141016900000041
式中，FCI为裂缝复杂性指数；W为水力裂缝半缝缝网椭圆短轴；L为造缝半缝长。
在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合地应力参数进行，即有限元分析模型界限、模型界限外地应力大小均需参照实际工程条件选定。
在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合施工参数进行，即数值模拟计算时，输入的压裂液流量参数、压裂时间、压裂液黏度参数均参照实际施工参数。
实施例2。一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，包括下列步骤。
步骤1：对实施例中已经取得的岩心进行岩石力学物模实验测试，按照国家标准GB/T50266-99(工程岩体实验方法标准)、美国材料与试验协会(ASTM)测试标准：
ASTMD2664-04(三轴测试)、D4543-04(岩样制备)、国际岩石力学学会(ISRM)岩石力学实验建议方法等，进行有限数量岩心的岩石力学物模实验，得到岩心的静态弹性模量E(量纲：MPa)、单轴抗压强度σt(量纲：MPa)、单轴抗拉强度σt(量纲：MPa)、残余强度σt(量纲：MPa)和静态泊松比v(无量纲)的数据。
步骤2。在实施步骤1的基础之上，对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层，参照图1建立数值岩心，参照图1建立几何尺寸为50mm×25mm截面尺寸、网格数模为200×100个的有限元模型，且各个网格要赋予模量、泊松比、强度等岩石力学参数以及渗透率、孔隙度、孔隙压力等渗流力学参数。进行数值模拟，可进行任意储层深度、任意围压的单轴和三轴模拟，得到岩心的全程应力应变曲线.一般的岩石试样应力-应变曲线见图2。储层不同深度处，岩心的残余应力必然不尽相同，如图3所示，5个不同深度处的岩心为例，5个岩心的残余强度明显不同，从而获得了精细的、连续的、储层纵向岩石力学参数的残余强度特征分布。
步骤3。在实施步骤2的基础之上，结合地应力参数、施工参数，建立不同残余强度储层的有限元模型，并进行压裂裂缝起裂与延伸形貌的模拟计算，得到储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系，当应力应变曲线中的残余强度所对应的应力值较大时，则说明残余强度较高。如图4所示。并最终获得基于数模的水力裂缝复杂性指数，从而评估水力压裂裂缝的复杂性，如图5所示，利用水力裂缝半缝缝网椭圆的椭圆短轴与长轴尺度的比值，定义裂缝复杂性指数：
Figure BDA0001141016900000051
式中FCI为裂缝复杂性指数；W为水力裂缝半缝缝网椭圆短轴；L为造缝半缝长。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：对实施井取样岩心的静态岩石力学参数物模测试；
步骤2：进行基于数值岩心的岩石力学参数数模测试，获得精细的储层岩体残余强度特征；
步骤3：对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型，根据不同残余强度储层的有限元模型，进行压裂裂缝起裂与延伸形貌的模拟计算，得到不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系，计算出预测水力裂缝复杂性的水力裂缝复杂性指数。
2.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤1中，所述静态岩石力学参数为静态弹性模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、残余强度、静态泊松比。
3.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤2中，所述基于数值岩心的岩石力学参数数模测试是指根据步骤1获得的不同深度的取样岩心的静态岩石力学参数，对典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层采用基于有限元的数值方法进行数值模拟，从而获得精细的、连续的、储层纵向岩石力学参数的残余强度特征分布。
4.如权利要求3所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤2中，对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩心的储层，建立数值岩心，进行数值模拟；可进行任意储层深度、任意围压的单轴和三轴模拟，得到岩心的全程应力应变曲线、岩石试样应力-应变曲线，计算岩心残余应力；所述岩心残余应力是岩心残余强度与岩心峰值强度的比值；所述建立数值岩心的方法是建立几何尺寸为50mm×25mm截面尺寸、网格数模为200×100个的有限元模型，且各个网格要赋予岩石力学参数以及渗流力学参数；所述岩石力学参数包括模量、泊松比、强度，所述渗流力学参数包括渗透率、孔隙度、孔隙压力；所述数值模拟采用最小二乘法拟合。
5.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤3中，所述不同储层岩石残余强度对起裂压力的影响表征关系是指以起裂压力为纵轴、残余应力水平为横轴建立坐标系，根据离散的坐标点建立的储层岩石残余强度对起裂压力的影响的曲线。
6.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤3中，利用水力裂缝半缝缝网椭圆的椭圆短轴与长轴尺度的比值，定义裂缝复杂性指数为：
Figure FDA0002356463540000021
式中，FCI为裂缝复杂性指数；W为水力裂缝半缝缝网椭圆短轴；L为造缝半缝长。
7.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合地应力参数进行，即有限元分析模型界限、模型界限外地应力大小均需参照实际工程条件选定。
8.如权利要求1所述的一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法，其特征在于：在步骤3中，对实施井不同层位、具有不同残余应力的储层建立不同的有限元分析模型时结合施工参数进行，即数值模拟计算时，输入的压裂液流量参数、压裂时间、压裂液黏度参数时均参照实际施工时参数。
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