CN108825198A - 页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，具体为：一、测试地应力大小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小；二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换；三、计算由地应力和井眼内压裂液压力所引起的井壁各应力分量；四、将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标下的有效应力形式；五、推导页岩地层压裂井壁岩石发生拉伸破坏的力学准则；六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏时目标井目的层段井眼内压裂液压力，确定破裂最小值即为裂缝起裂压力。本发明使起裂压力计算结果更真实可靠，降低施工成本。

Description

页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法

技术领域

本发明涉及页岩地层压裂改造技术，具体涉及页岩地层压裂裂缝起裂压力 计算方法。

背景技术

页岩气已经被视为替代煤和常规石油天然气的重要可持续能源。页岩气的 全球总资源量约为4.56×10¹⁴m³，约占全球非常规油气资源的50％，相当于常规 天然气的1.4倍，目前已被公认为是改变世界能源格局，使全球油气勘探展现 良好发展前景的重要能能源。

据统计2015年我国天然气供应存在大约600×10⁸m³左右的缺口需要依靠进 口，预计到2020年，国内天然气缺口将达1000×10⁸m³。若能高效开发页岩气资 源对我国国民经济发展和国家能源战略供给意义重大。

页岩气的有效开发需要采用水平井大规模水力压裂技术，通过水力压裂在 页岩地层产生大面积复杂裂缝网络，增加页岩地层渗透性，从而提高页岩气井 产能。

页岩地层压裂时，如果对裂缝起裂压力计算不准确，不但影响压裂施工的 顺利进行，造成极大的经济损失，还有可能使施工压力过高产生安全施工风险。

如计算的裂缝起裂压力低于实际地层的起裂压力，则按照计算起裂压力进 行压裂设计，在压裂过程中则无法压开页岩地层而造成压裂失败。如计算的裂 缝起裂压力高于实际地层的起裂压力，按照计算的起裂压力进行压裂设计和施 工，则会浪费较多的泵注能量和压裂液以及支撑剂材料，产生不必要的经济损 失，使施工成本增加。

以往学者们大多沿用砂岩地层水力压裂裂缝起裂压力计算方法，假设页岩为 均匀各向同性多孔介质，但实际上页岩层理大量发育，具有很强的各向异性力 学特征，假设为均匀各向同性多孔介质将使计算结果产生较大误差。

也有很多学者们提出需要考虑页岩的各向异性力学特点，将页岩假设为横 观各向同性介质，进行井壁受力分析并确定裂缝起裂压力，该方法相比将页岩 假设为均匀各向同性多孔介质来看，能够更接近真实的井壁受力情况，但仍存 在一些问题。比如没有考虑页岩发生破坏的各向异性力学特点，这将导致计算 得到的裂缝起裂压力仍然存在偏差。

所以现有的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，在计算确定裂缝起裂压 力时都存在不同程度的不适用性，需要在页岩各向异性井壁应力分析基础上， 考虑页岩破坏的各向异性力学特征。

发明内容

本发明的目的是提供页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，这种页岩地层 压裂裂缝起裂压力计算方法用于解决以往页岩地层压裂裂缝起裂压力计算不准 确的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种页岩地层压裂裂缝起裂压 力计算方法：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大 小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小；

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构 数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井壁受 力分析做准备；

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼 内压裂液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下 的应力分量，MPa；复数的实部；Φ'_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是 复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应 求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、 υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为步骤一测试 得到的页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的 各应力分量转换为有效应力形式；

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了判别井壁能否发 生起裂，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各 应力分量有效应力转化为井眼极坐标下的有效应力形式；

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，推导页岩地层压 裂井壁岩石发生拉伸破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理 与压缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取，α为井眼 的井周角，°；

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏时目标井目的层段井 眼内压裂液压力，确定破裂最小值即为裂缝起裂压力。

上述方案中步骤六具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液压力；

③将井周角α增加0.01°,计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液 压力,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破 坏所对应的压裂液压力,从中找到破裂压力最小值,破裂压力最小值对应的压裂 液压力即为裂缝起裂压力。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，可以避免现有 页岩地层压裂裂缝起裂压力计算无法考虑页岩破坏具有各向异性特征的缺点， 使起裂压力计算结果更真实可靠；

2、通过本发明提供的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，可以更为准确 的计算页岩地层压裂裂缝起裂压力，避免由于计算的裂缝起裂压力低于实际地 层的起裂压力，产生无法压开页岩地层的压裂失败现象；

3、通过本发明提供的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，可以更为准确 的计算页岩地层压裂裂缝起裂压力，避免由于计算的裂缝起裂压力高于实际地 层的起裂压力，产生的泵注能量和压裂液以及支撑剂材料的浪费，减少不必要 的经济损失，降低施工成本；

4、本发明提供的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，应用于不同区块时， 只需将不同区块对应的地层岩石力学参数、地应力数据以及井身结构等数据输 入模型，实用性强。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法如下：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大 小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小。

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构 数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井壁受 力分析做准备。

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼 内压裂液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下 的应力分量，MPa；复数的实部；Φ'_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是 复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应 求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、 υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为步骤一测试 得到的页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的 各应力分量转换为有效应力形式。

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了判别井壁能否发 生起裂，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各 应力分量有效应力转化为井眼极坐标下的有效应力形式。

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，推导页岩地层压 裂井壁岩石发生拉伸破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理与压 缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取，α为井眼的井 周角，°。

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏时目标井目的层段井 眼内压裂液压力，确定破裂最小值即为裂缝起裂压力。

具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液压力；

③将井周角α增加0.01°,计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液 压力,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破 坏所对应的压裂液压力,从中找到破裂压力最小值,破裂压力最小值对应的压裂 液压力即为裂缝起裂压力。

Claims (2)

1.一种页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小；

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井壁受力分析做准备；

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼内压裂液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；复数的实部；Φ'_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的各应力分量转换为有效应力形式；

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了判别井壁能否发生起裂，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标下的有效应力形式；

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，推导页岩地层压裂井壁岩石发生拉伸破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理与压缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取，α为井眼的井周角，°；

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏时目标井目的层段井眼内压裂液压力，确定破裂最小值即为裂缝起裂压力。

2.根据权利要求1所述的页岩地层压裂裂缝起裂压力计算方法，其特征在于，所述的步骤六具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液压力；

③将井周角α增加0.01°,计算α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液压力,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破坏所对应的压裂液压力,从中找到破裂压力最小值,破裂压力最小值对应的压裂液压力即为裂缝起裂压力。