CN108487905A - 一种页岩气水平井压裂参数的优化方法 - Google Patents
一种页岩气水平井压裂参数的优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种页岩气水平井压裂参数的优化方法。该参数优化方法包括：在页岩气水平井相距百米的两支水平井段分别设置压裂点和监测点；分别获取压裂点和监测点的井底压力；将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数；根据扩散系数建立该段地层的地层压力图版；根据所述地层的地层压力图版确定断层处的地层压力；根据Amonton定理判断断层是否会发生滑移；如果发生滑移，则根据临界状态的断层主地应力关系获得断层滑移的极限地层压力；根据断层滑移的极限地层压力、地层压力图版，获得安全距离、安全压裂稳定地层压力和安全压裂井口压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种页岩气水平井压裂过程中的地层压力的确定方法、断层滑移的预测及压裂参数优化方法，属于石油开采技术领域。
背景技术
四川盆地经历了多期地质构造运动，长宁-威远区块地质条件复杂，天然裂缝、断层发育，构造应力强。整个四川盆地以走滑断层为主，同时存在逆断层。剪切位移和走滑断层是四川盆地的主要构造特征。在四川威远-长宁地区的页岩气田开发过程中，水平井组与多级水力压裂是极其关键的作业手段。而多级大规模水力压裂会诱发附近地应力场与地层压力的急剧变化，从而激发附近断层、裂缝带发生滑移对水平井套管产生剪切载荷，制约了下一级压裂施工，严重阻碍了威远-长宁地区页岩气资源的开发。
20世纪60年代以来，在美国科罗拉多州第一次关注到地层流体变化会导致断层的滑移，并证明了Amonton定理和Coulomb破坏准则能够应用于断层滑移分析。Healy和Rubey(1968)等指出注入流体过程中的井底压力与断层滑移频率见存在密切联系。Zoback等(1984)证实注水过程重点垂直应力、最小主应力和孔隙压力满足Amonton方程,诱发断层滑移的摩擦系数约为0.6。从2011年开始，美国的Bowland页岩地层、俄克拉荷马地区(2013)，加拿大的British Colombia(2011)、英国的Blackpool地区的HALL1(2011)等都发生了由于水力压裂导致的断层滑移现象，且断层滑移均发生在多级水力压裂过程中。
但是，以往的研究以微地震监测为手段，只能判断水力压裂之后引发断层、裂缝滑移的位置、时间情况，而不能应用于水力压裂之前的断层、裂缝滑移预测。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在页岩气水平井压裂过程中在井组范围内，可以获得任一点、任意时间的地层压力的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种页岩气水平井压裂过程中地层压力的确定方法，该确定方法包括以下步骤：
在页岩气水平井相距百米内的两支水平井段分别设置压裂点和监测点；其中，百米大于等于100m、小于1000m；
分别获取压裂点和监测点的井底压力；
将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数；
根据扩散系数获得该段地层的地层压力图版，确定对页岩气水平井压裂过程中的地层压力。
在本发明的确定方法中，首先构建水平井组范围内的地层结构示意图，包括获取岩气井水平段地层的基本特征参数，包括垂向地应力、最大水平地应力、最小水平地应力及其方位、地层压力，断层深度、方位、走向、倾向及摩擦系数；获取水平井组井眼轨迹参数，包括井深、井方位、水平段井间距；以及，获取水平井段压裂施工参数，包括压裂点施工泵压及对应压裂时间、邻井套管压力及时间。
在本发明的确定方法中，优选地，压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
其中，pwf1为压力点的井底压力，单位为MPa；
pwh1为压裂点的井口压力，单位为MPa；
ph1为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的确定方法中，优选地，监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
其中，pwf2为监测点的井底压力，单位为MPa；
pwh2为监测点的井口压力，单位为MPa；
ph2为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的确定方法中，优选地，地层压力的一维扩散模型如下所示：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲。
在本发明的确定方法中，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数时，地层压力的一维扩散模型可以变形为：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲；
P1(z，t)为压裂点的地层压力，单位为MPa；
P2(z，t)为监测点的地层压力，单位为MPa。
在本发明的确定方法中，优选地，地层压力图版，根据如下公式获得：
其中，p(z，t)为目标点的地层压力，单位为MPa；
p0为压裂点稳定后的地层压力，单位为MPa；
z为与压裂点的距离，单位m；
t为压裂开始的时间，单位为min；
α为扩散系数，单位为m2/min。
在本发明的确定方法中，对页岩气水平井压裂过程中地层压力的测量，是指页岩气井水平段多支且间距尺度在百米的两支水平井的水平段的压裂射孔段设置一个压裂点和一个监测点。在压裂点进行压裂作业时，通过压裂点的泵压计算该点的地层压力，同时通过监测点的井口的套管压力计算监测点的地层压力。
本发明的又一目的在于，提供一种可以判断页岩气水平井压裂过程中断层是否会发生滑移的判断方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种页岩气水平井压裂过程中断层滑移的预测方法，该方法包括以下步骤：
在页岩气水平井相距百米内的两支水平井段分别设置压裂点和监测点；其中，百米大于等于100m、小于1000m；
分别获取压裂点和监测点的井底压力；
将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数；
根据扩散系数建立该段地层的地层压力图版；
根据地层压力图版确定断层处的地层压力Pp；
根据Amonton定理判断断层是否发生滑移：若则断层滑移；否则断层不会滑移；
其中，τ为断层面方向的剪切应力，单位为MPa；
σn为断层面的有效主应力，σn＝sn-pp，Sn为断层垂直断层面方向的主应力，单位为MPa；
μ为断层的摩擦系数，其数值可以根据室内试验获得，一般为0.6左右；
Pp为地层压力图版确定断层处的地层压力，单位为MPa。
在本发明的预测方法中，优选地，压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
其中，pwf1为压力点的井底压力，单位为MPa；
pwh1为压裂点的井口压力，单位为MPa；
ph1为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的预测方法中，优选地，监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
其中，pwf2为监测点的井底压力，单位为MPa；
pwh2为监测点的井口压力，单位为MPa；
ph2为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的预测方法中，优选地，地层压力的一维扩散模型如下所示：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲。
在本发明的预测方法中，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数时，地层压力的一维扩散模型可以变形为：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲；
P1(z，t)为压裂点的地层压力，单位为MPa；
P2(z，t)为监测点的地层压力，单位为MPa。
在本发明的预测方法中，优选地，地层压力图版，根据如下公式获得：
其中，p(z，t)为目标点的地层压力，单位为MPa；
p0为压裂点稳定后的地层压力，单位为MPa；
z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，单位为m2/min。
本发明的再一目的在于，提供一种对于可能发生滑移的断层，推断压裂点的合理位置、合理施工泵压、合理施工时间，实现优化压裂的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种页岩气水平井压裂参数的优化方法，该优化方法包括以下步骤：
在页岩气水平井相距百米内的两支水平井段分别设置压裂点和监测点；其中，百米大于等于100m、小于1000m；
分别获取压裂点和监测点的井底压力；
将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数；
根据扩散系数建立该段地层的地层压力图版；
根据地层压力图版确定断层处的地层压力Pp；
根据Amonton定理判断断层是否发生滑移：若则断层滑移；否则断层不会滑移；
其中，τ为断层面方向剪切应力，单位为MPa；
σn为断层面的有效主应力，σn＝Sn-pp，Sn为断层垂直断层面方向的主应力，单位为MPa；
μ为断层的摩擦系数，无量纲；
Pp为地层压力图版确定断层处的地层压力，单位为MPa。
如果发生滑移，则根据临界状态的断层主地应力关系获得断层滑移的极限地层压力Ppmax；
根据断层滑移的极限地层压力Ppmax、地层压力图版，获得安全距离、安全压裂的地层压力和安全压裂的井口压力，完成对页岩气水平井压裂参数的优化。
在本发明的优化方法中，优选地，压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
其中，pwf1为压力点的井底压力，单位为MPa；
pwh1为压裂点的井口压力，单位为MPa；
ph1为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的优化方法中，优选地，监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
其中，pwf2为监测点的井底压力，单位为MPa；
pwh2为监测点的井口压力，单位为MPa；
ph2为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
在本发明的优化方法中，优选地，地层压力的一维扩散模型如下所示：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲。
在本发明的优化方法中，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数时，地层压力的一维扩散模型可以变形为：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲；
P1(z，t)为压裂点的地层压力，单位为MPa；
P2(z，t)为监测点的地层压力，单位为MPa。
在本发明的优化方法中，优选地，地层压力图版，根据如下公式获得：
其中，p(z，t)为目标点的地层压力，单位为MPa；
p0为压裂点稳定后的地层压力，单位为MPa；
z为与压裂点的距离，单位m；
t为压裂开始的时间，单位为min；
α为扩散系数，单位为m2/min。
在本发明的优化方法，优选地，临界状态的断层主地应力关系如下式所示：
其中，
μ为断层摩擦系数，无量纲；
SH为水平最大地应力，单位为MPa；
Sh为水平最小地应力，单位为MPa；
ppmax为断层滑移的极限地层压力，单位为MPa。
本发明的页岩气水平井压裂过程中的地层压力的确定方法，提出了页岩气水平井组双点反演的理论，可以实现页岩地层压裂环境下地层压力扩散系数的精确反演，实现压裂过程中对地层压力变化的监测。
本发明的页岩气水平井压裂过程中的断层滑移的预测方法，将地层压力变化与Amonton定理相结合，实现压裂过程中断层滑移的预判。
本发明的页岩气水平井压裂过程中的压裂参数的优化方法，不仅可以预判由于压裂作业导致的断层滑移情况，还可以反演确定压裂作业的安全位置与参数，实现页岩气井套管的完整性控制。
附图说明
图1为本发明实施例的页岩气水平井压裂过程中地层压力传递测量示意图。
图2为本发明实施例的页岩气水平井压裂过程中预测断层滑移及压裂作业优化流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种页岩气水平井压裂过程中的地层压力的确定方法，该确定方法包括以下步骤：
以威远区块威202H3-1井为例，其地应力参数为垂向地应力梯度1.1psi/ft，最大水平地应力梯度1.22psi/ft，最小水平地应力梯度0.693psi/ft，最大水平地应力方向105°。
根据物探与钻井资料该区域主要有四条断层，1#-4#断层的方位、走向、倾向及摩擦系数表1所示：
表1
| 断层 | X坐标(Km) | Y坐标(Km) | 走向(°) | 倾向(°) | 长度(Km) | 摩擦系数 |
| 1# | 3.60 | 5.10 | 30 | 67.55 | 4 | 0.64 |
| 2# | 4.37 | 5.14 | 70 | 46.67 | 4 | 0.68 |
| 3# | 4.27 | 4.37 | 35 | 76.86 | 4 | 0.61 |
| 4# | 4.18 | 3.90 | 353 | 72.92 | 4 | 0.69 |
水平井组井深2200.5m，压裂点坐标为(3.652，5.317)，监测点坐标为(4.075,5.372)，两者间距为0.426Km。压裂点稳定井口压力为39MPa，压裂压力稳定后450min，监测点处井口压力为59.7MPa。
在页岩气水平井相距百米级内的两支水平井段分别设置压裂点和监测点，如图1所示；
分别获取压裂点和监测点的井底压力；
其中，压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
pwf1为压力点的井底压力(83MPa)；
pwh1为压裂点的井口压力(59.7MPa)；
ph1为压裂液的静水压力(23MPa)；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力(0.25MPa)；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力(0.04MPa)；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力(0.01MPa)；
监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
pwf2为监测点的井底压力(62.3MPa)；
pwh2为监测点的井口压力(39MPa)；
ph2为压裂液的静水压力(23MPa)；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力(0.25MPa)；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力(0.04MPa)；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力(0.01MPa)；
将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据如下公式，获取扩散系数；
其中，z为与压裂点的距离(426m)；
t为压裂的时间(450min)；
α为扩散系数(1.937m2/min)；
P1(z，t)为压裂点的地层压力(83MPa)；
P2(z，t)为监测点的地层压力(62.3MPa)；
根据扩散系数建立该段地层的地层压力图版，实现对页岩气水平井压裂过程中的地层压力的确定；
地层压力图版，根据如下公式获得：
p(z，t)为目标点的地层压力；
p0为压裂点稳定后的地层压力；
z为与压裂点的距离；
t为压裂开始的时间；
α为扩散系数。
本实施例又提供了一种页岩气水平井压裂过程中的断层滑移的预测方法，该方法包括以下步骤：
根据地层压力图版确定断层处的地层压力Pp；
根据Amonton定理判断是否导致断层发生滑移：其中，τ为断层面方向剪切应力；
σn为断层面的有效主应力，
μ＝0.6；σn＝Sn-pp，Sn为断层垂直断层面方向主应力。
3#断层距离压裂点约0.6km，计算得7.5h后地层压力变化值为25MPa，大于断层滑移所需的最小孔隙压力变化(11.03MPa)，判断该断层会发生滑移。
本实施例又提供了一种页岩气水平井压裂参数的优化方法，工艺流程如图2所示，该优化方法包括以下步骤：
分别获取压裂点和监测点的井底压力；
其中，压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
pwf1为压力点的井底压力(83MPa)；
pwh1为压裂点的井口压力(59.7MPa)；
ph1为压裂液的静水压力(23MPa)；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力(0.25MPa)；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力(0.04MPa)；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力(0.01MPa)；
监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
pwf2为监测点的井底压力(62.3MPa)；
pwh2为监测点的井口压力(39MPa)；
ph2为压裂液的静水压力(23MPa)；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力(0.25MPa)；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力(0.04MPa)；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力(0.01MPa)；
将压裂点和监测点的井底压力分别视为压裂点和监测点的地层压力，根据如下公式，获取扩散系数；
其中，z为与压裂点的距离(426m)；
t为压裂的时间(450min)；
α为扩散系数(1.937m2/min)；
P1(z，t)为压裂点的地层压力(83MPa)；
P2(z，t)为监测点的地层压力(62.3MPa)；
根据扩散系数建立该段地层的地层压力图版：
p(z，t)为目标点的地层压力；
p0为压裂点稳定后的地层压力；
z为与压裂点的距离；
t为压裂开始的时间；
α为扩散系数。
根据地层压力图版确定断层处的地层压力Pp；
根据Amonton定理判断断层会发生滑移；
根据临界状态的断层主地应力关系获得断层滑移的极限地层压力ppmax；
临界状态的断层主地应力关系如下式所示：
μ为断层摩擦系数(0.61)，无量纲；
SH为水平最大地应力(87.55MPa)，单位为MPa；
Sh为水平最小地应力(49.73MPa)，单位为MPa；
ppmax为断层滑移的极限地层压力，单位为MPa；(32.37MPa)
根据断层滑移的极限地层压力ppmax、地层压力图版以3#断层为例安全距离为1.3Km，获得安全压裂的地层压力为74.04MPa和安全压裂的井口压力为50.7MPa。
以上实施例说明，本发明的方法以针对页岩气水平井复杂多级压裂完井作业实现压裂过程中对地层压力变化的监测、断层滑移预测，并根据断层临界地层压力优化压裂点作业位置及井口压力。
Claims (8)
1.一种页岩气水平井压裂过程中地层压力的确定方法，其特征在于，该确定方法包括以下步骤：
在页岩气水平井相距百米内的两支水平井段分别设置压裂点和监测点；其中，所述百米大于等于100m、小于1000m；
分别获取所述压裂点和所述监测点的井底压力；
将所述压裂点和所述监测点的井底压力分别视为所述压裂点和监测点的地层压力，根据地层压力的一维扩散模型，获取扩散系数；
根据扩散系数获得地层压力图版，确定页岩气水平井压裂过程中的地层压力。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述压裂点的井底压力根据如下公式获得：
pwf1＝pwh1+ph1-Δpwb1-Δpperf1-Δpnear1；
其中，pwf1为压力点的井底压力，单位为MPa；
pwh1为压裂点的井口压力，单位为MPa；
ph1为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb1为压裂点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf1为压裂点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear1为压裂点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述监测点的井底压力根据如下公式获得：
pwf2＝pwh2+ph2-Δpwb2-Δpperf2-Δpnear2；
其中，pwf2为监测点的井底压力，单位为MPa；
pwh2为监测点的井口压力，单位为MPa；
ph2为压裂液的静水压力，单位为MPa；
Δpwb2为监测点的井筒摩擦阻力，单位为MPa；
Δpperf2为监测点的射孔孔眼的摩擦阻力，单位为MPa；
Δpnear2为监测点的近井弯曲摩擦阻力，单位为MPa。
4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述地层压力的一维扩散模型如下所示：
其中，z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，无量纲。
5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述地层压力图版如下公式所示：
其中，p(z，t)为目标点的地层压力，单位为MPa；
p0为压裂点稳定后的地层压力，单位为MPa；
z为与压裂点的距离，单位为m；
t为压裂的时间，单位为min；
α为扩散系数，单位为m2/min。
6.一种页岩气水平井压裂过程中断层滑移的预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
通过权利要求1-5任一项所述的页岩气水平井压裂过程中地层压力的确定方法获得地层压力图版；
根据所述地层压力图版，确定断层处的地层压力Pp；
根据Amonton定理判断断层是否会发生滑移：若则断层滑移；否则断层不会滑移；
其中，τ为断层面方向的剪切应力，单位为MPa；
σn为断层面的有效主应力，σn＝sn-pp，Sn为断层垂直断层面方向的主应力，单位为MPa；Pp为地层压力图版确定断层处的地层压力，单位为MPa；
μ为断层的摩擦系数，无量纲。
7.一种页岩气水平井压裂参数的优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：
根据权利要求6的页岩气水平井压裂过程中断层滑移的预测方法判断断层是否会发生滑移，如果发生滑移，则根据临界状态的断层主应力关系获得断层滑移的极限地层压力Ppmax；
根据断层滑移的极限地层压力Ppmax、地层压力图版，获得安全距离、安全压裂的地层压力和安全压裂的井口压力，完成对页岩气水平井压裂参数的优化。
8.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，所述临界状态的断层主地应力关系如下式所示：
其中：
μ为断层摩擦系数，无量纲；
SH为水平最大地应力，单位为MPa；
Sh为水平最小地应力，单位为MPa；
ppmax为断层滑移的极限地层压力，单位为MPa。
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