CN108805365B - 一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，利用该方法可以考虑页岩储层中广泛发育的天然裂缝，更加准确的预测非均质页岩储层裂缝诱导应力场，为压裂优化设计提供指导，达到较好的增产效果。为了实现上述目的，该方法的主要内容为：(1)收集计算所需的基本参数；(2)计算天然裂缝面上受到的诱导应力；(3)利用天然裂缝破坏准则，判断天然裂缝在诱导应力作用下的状态；(4)结合所述步骤(3)的天然裂缝状态建立非均质页岩储层裂缝诱导应力计算模型，并计算非均质页岩储层裂缝诱导应力分布。

Description

一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法

技术领域

本发明涉及油气藏水力压裂改造工艺技术，尤其是涉及一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法。

背景技术

随着油气资源勘探开发的深入，页岩气藏在国家能源结构中占的比重越来越大，也使得水平井分段压裂技术在油田的应用越来越多。水平井分段压裂过程中裂缝内的流体压力会在周围地层产生诱导应力，通过诱导应力来实现原地应力反转产生转向分支裂缝，是提高天然裂缝发育的重要途径，因此诱导应力的准确计算是进行压裂施工设计的重要依据。现如今预测页岩储层裂缝诱导应力的方法大都是基于均质性假设建立的，利用位移不连续法实现页岩储层裂缝诱导应力的计算预测。

而页岩储层一般非均质性较强，尤其是天然裂缝发育，而现有预测页岩储层裂缝诱导应力的方法并未考虑天然裂缝的影响，这使得实际生产中水力裂缝无法与天然裂缝较好沟通，影响裂缝扩展形态，最终使得产量较低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，解决现有预测页岩储层裂缝诱导应力的方法都只能对均质页岩储层裂缝诱导应力进行预测，导致裂缝扩展情况差，产量低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)收集计算所需的基本参数；

(2)计算天然裂缝面上受到的诱导应力；

(3)利用天然裂缝破坏准则，判断天然裂缝在诱导应力作用下的状态；

(4)结合所述步骤(3)的天然裂缝状态建立非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，并计算非均质页岩储层裂缝诱导应力分布。

先利用测井得到的基本参数来对天然裂缝状态进行判断，从而确定天然裂缝是否产生破裂，一旦天然裂缝产生破裂，则页岩储层不再为均质，天然裂缝也会产生位移量，从而对诱导应力造成较大的影响；若还是采用现有的计算方法进行预测，则得到的诱导应力分布情况会与实际的诱导应力分布产生极大的差别，从而对施工产生误导，导致得水力裂缝扩展效果差，不能与天然裂缝沟通，最终导致产量降低；而本发明根据天然裂缝的状态设计专属的计算模型，将天然裂缝产生的位移量纳入考虑，从而使得预测到的诱导应力分布状态更为真实准确，为压裂优化设计提供有效指导，促进裂缝网络的完善。

具体地，所述步骤(1)中的基本参数包括岩体泊松比、剪切模量、水力裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；天然裂缝泊松比、剪切模量、天然裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；地层单元体坐标；地层孔隙压力、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝抗张强度、天然裂缝内摩擦系数；这些数据都可通过压裂前的测井得到，方便后期对诱导应力分布进行预测，从而设定最合适的压裂方案。

更进一步地，所述步骤(2)的天然裂缝面上受到的诱导应力计算公式如下：

其中：

式中，

和

分别为第i个天然裂缝单元体法向和切向上受到的诱导应力，MPa；

和

分别为第j个水力裂缝单元体切向和法向位移不连续量，m；g为剪切模量，MPa；

其中：

γ^ij＝β_i-β_j (3)

式中，β_i及β_j分别为第i个水力裂缝单元体的偏转角及第j个水力裂缝单元体的偏转角；

式中，

和

分别为修正后水力裂缝单元体中点横纵坐标，m；a为水力裂缝单元体半长，m；ν为岩石泊松比；其中：

式中，x和y为总坐标系；x_j和y_j为水力裂缝单元体j的中点坐标。

更进一步地，所述步骤(3)的天然裂缝破坏准则如下：

式中，p_p为地层孔隙压力，MPa；τ₀及T分别为天然裂缝固有剪切强度及抗张强度，MPa；K_f为天然裂缝内摩擦系数，无量纲。

通过天然裂缝破坏准则可以对每个天然裂缝单元体处的状况进行判断，若破坏准则不等式成立，则该天然裂缝单元体所处的天然裂缝被破坏；而不等式不成立，则该天然裂缝单元体所处的天然裂缝是完好状态，而完好的天然裂缝不会差生位移量，破坏的天然裂缝则会产生位移量，从而根据两种不同的天然裂缝情况采用相应的计算模型进行诱导应力预测，使得预测结果更为准确。

更进一步地，所述步骤(3)的破坏准则成立时，所述步骤(4)的计算模型其计算公式如下：

其中：

式中，

和

分别为第i个地层单元体最小和最大水平主应力方向诱导应力，MPa；

为第i个地层单元体剪切应力，MPa；

和

分别为第m个天然裂缝单元体破坏后的切向位移和法向位移，m；g_nf为天然裂缝剪切模量，MPa；β_nfj为第j个天然裂缝单元体的偏转角；

和

分别为修正后天然裂缝单元体中点横纵坐标，m；a_nf为天然裂缝单元体半长，m；ν_nf为天然裂缝泊松比；

其中

和

的计算公式如下：

式中，x和y为总坐标系；x和y为总坐标系；x_nfj和y_nfj为天然裂缝单元体j的中点坐标。

在实际计算时，将测井得到的x_nfj和y_nfj代入式(6)中得到

及

并将

及

代入式(5)中，而后将得到的结果代入式(4)中，最后将得到的结果代入式(3)中，即可得到非均质页岩储层裂缝诱导应力分布状况，从而为科学研究及压裂施工设计提供更为准确的基础参数。

更进一步地，所述步骤(3)中的破坏准则不成立时，所述步骤(4)的计算模型的计算公式如下：

式中，

和

分别为第i个地层单元体最小和最大水平主应力方向诱导应力，MPa；

为第i个地层单元体剪切应力，MPa；

和

分别为天然裂缝破坏后的切向位移和法向位移，m；

其中：

其中由式(4)及式(5)即可得到式(12)中的未知量，从而得出天然裂缝未破坏时的诱导应力分布情况；

将测井得到的基本参数及式(12)得到的结果代入式(11)中即可对天然裂缝未破坏的页岩储层裂缝诱导应力做出合理预测，使得压裂施工设计能更为符合页岩储层的实际情况，提高产量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明考虑了天然裂缝破坏后产生的诱导应力影响，能够更加准确地预测非均质页岩储层裂缝诱导应力分布情况，为水力裂缝扩展研究提供基础参数；

2、能在实际生产中能利用本发明的预测方法得到的诱导应力分布状况，对压裂簇间距进行优化，为油田现场施工提供一定的理论指导，达到较好的增产效果；

3、而本发明的方法能对非均质页岩储层裂缝诱导应力进行较为准确的预测，为页岩储层压裂水平井形成复杂裂缝的水力裂缝位置优化提供指导，即对破裂点进行优化，改善页岩储层的压裂效果，使得裂缝网络形成更为容易，也更为完善，在实际生产中可大幅度提高产量。

附图说明

图1是本发明的非均质页岩储层裂缝诱导应力计算方法物力模型；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供了一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，包括以下步骤：

(1)收集计算所需的基本参数，这些基本参数包括：岩体泊松比、剪切模量、水力裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；天然裂缝泊松比、剪切模量、天然裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；地层单元体坐标；地层孔隙压力、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝抗张强度、天然裂缝内摩擦系数；而这些基本参数在实际生产过程中均可在测井过程中获得。

(2)计算天然裂缝面上受到的诱导应力，其计算公式如下：

式中，

和

分别为第i个裂缝单元体法向和切向上受到的诱导应力，MPa；

和

分别为第j个水力裂缝单元体切向和法向位移不连续量，m；

其中：

式中，

和

分别为第i个天然裂缝单元体法向和切向上受到的诱导应力，MPa；

和

分别为第j个水力裂缝单元体切向和法向位移不连续量，m；g为剪切模量，MPa；

其中：

γ^ij＝β_i-β_j (3)

式中，β_i及β_j分别为第i个水力裂缝单元体的偏转角及第j个水力裂缝单元体的偏转角；

式中，

和

分别为修正后水力裂缝单元体中点横纵坐标，m；a为水力裂缝单元体半长，m；ν为岩石泊松比；其中：

式中，x和y为总坐标系；x_j和y_j为水力裂缝单元体j的中点坐标。

(3)利用天然裂缝破坏准则，判断天然裂缝在诱导应力作用下的状态，判断天然裂缝是否破坏的破坏准则如下：

式中，p_p为地层孔隙压力，MPa；τ₀及T分别为天然裂缝固有剪切强度和抗张强度，MPa；K_f为天然裂缝内摩擦系数，无量纲。

其中，一个天然裂缝可以划分为多个天然裂缝单元体，而只要有一个天然裂缝单元体使不等式(6)成立，则表明该天然裂缝处于破坏状态；反之，如果所有的天然裂缝单元体都不能使不等式(6)成立，则表明天然裂缝单元体完好。

(4)根据图1，并结合步骤(3)的天然裂缝状态建立非均质页岩储层裂缝诱导应力计算模型，并计算非均质页岩储层裂缝诱导应力分布；

其中，在天然裂缝破坏时，天然裂缝也会产生位移量，从而对诱导应力产生较大的影响，因而需要将天然裂缝的位移量加入计算模型中来对诱导应力进行预测，先计算修正后天然裂缝单元体中点横纵坐标，其中横坐标设为

纵坐标设为

其计算公式如下：

式中，x_nfj和y_nfj为天然裂缝单元体j的中点坐标；β_nfj为第j个天然裂缝单元体的偏转角；

随后将

及

代入式(9)进行计算：

a_nf为天然裂缝单元体半长，m；ν_nf为天然裂缝泊松比；

随后，将式(9)得到的结果代入式(8)中进行计算：

最后将式(8)得到的结果代入式(7)中即得到非均质页岩储层裂缝诱导应力分布情况，式(7)如下所示：

式中，

和

分别为第i个地层单元体最小和最大水平主应力方向诱导应力，

MPa；

为第i个地层单元体剪切应力，MPa；

和

分别为第m个天然裂缝单元

体破坏后的切向位移和法向位移，m。

当破坏准则式(6)判断出天然裂缝未被破坏时，其计算公式如下：

其中：

而式(12)中的未知参数可以由式(4)及式(5)进行计算得到，而后经式(12)算出式(11)中的未知参数，并将其代入式(11)中，即可得到天然裂缝未破坏的均质页岩储层裂缝诱导应力分布情况。

实施例

页岩储层的基本计算参数如表1所示：

表1基本计算参数

通过表1记载的基本参数，利用公式(1)-(12)即可求得非均质页岩储层裂缝诱导应力分布，而由于式(11)可以直接用于计算均质页岩储层，因而利用式(11)将上述参数的页岩储层直接当做均质页岩储层来进行预测，并将按本发明的方法预测到的非均质页岩储层裂缝诱导应力分布与其进行对比，得到的地层单元体上诱导应力分布情况见表2。

表2非均质页岩储层诱导应力预测结果

由表2可知，非均质页岩储层裂缝的诱导应力在xx和yy方向分布与均质页岩储层裂缝诱导应力分布差别较大，非均质页岩储层裂缝诱导应力由于在天然裂缝附近发生应力集中，使得诱导应力分布变得没有规律。在实际生产过程中若直接将非均质页岩储层裂缝的诱导应力采用均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法来进行预测，则会使得预测到的诱导应力分布与实际诱导应力分布产生极大的差别，将会对压裂实施设计产生误导，使得压裂效果差，产量不能达到预期；而本发明的方法能对非均质页岩储层裂缝诱导应力进行较为准确的预测，为页岩储层压裂水平井形成复杂裂缝的水力裂缝位置优化提供指导，改善页岩储层的压裂效果；同时也使水力裂缝的扩展方向等得到更好的控制，从而与天然裂缝的勾通效果更好，形成形成更为完善的裂缝网络，达到较好的增产效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)收集计算所需的基本参数；

(2)计算天然裂缝面上受到的诱导应力；

(3)利用天然裂缝破坏准则，判断天然裂缝在诱导应力作用下的状态；

(4)结合所述步骤(3)的天然裂缝状态建立非均质页岩储层裂缝诱导应力计算模型，并计算非均质页岩储层裂缝诱导应力分布；

所述步骤(2)的天然裂缝面上受到的诱导应力计算公式如下：

式中，

和

分别为第i个天然裂缝单元体法向和切向上受到的诱导应力，

和

分别为第j个裂缝单元体切向和法向位移不连续量，

所述步骤(3)的天然裂缝破坏准则如下：

式中，p_p为地层孔隙压力，

和

分别为第i个天然裂缝单元体法向和切向上受到的诱导应力，τ₀及T分别为天然裂缝固有剪切强度和抗张强度。

2.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基本参数包括岩体泊松比、剪切模量、水力裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；天然裂缝泊松比、剪切模量、天然裂缝单元体坐标、半长、偏转角、法向位移、切向位移；地层单元体坐标；地层孔隙压力、天然裂缝固有抗剪强度、天然裂缝抗张强度、天然裂缝内摩擦系数。

3.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，其特征在于，所述步骤(3)的破坏准则成立时，所述步骤(4)的计算模型其计算公式如下：

其中：

式中，

和

分别为第i个地层单元体最小和最大水平主应力方向诱导应力；

为第i个地层单元体剪切应力；

和

分别为第m个天然裂缝单元体破坏后的切向位移和法向位移；g_nf为天然裂缝剪切模量；β_nfj为第j个天然裂缝单元体的偏转角；

和

分别为修正后天然裂缝单元体中点横纵坐标；a_nf为天然裂缝单元体半长；ν_nf为天然裂缝泊松比；其中

和

的计算公式如下：

式中，x和y为总坐标系；x和y为总坐标系；x_nfj和y_nfj为天然裂缝单元体j的中点坐标。

4.如权利要求1所述的一种非均质页岩储层裂缝诱导应力预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中的破坏准则不成立时，所述步骤(4)的计算模型的计算公式如下：

式中，

和

分别为第i个地层单元体最小和最大水平主应力方向诱导应力，

为第i个地层单元体剪切应力，

和

分别为天然裂缝破坏后的切向位移和法向位移。

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