CN109209356A - 一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，属于石油勘探开发页岩地层可压裂性评价领域。本发明研究了页岩地层可压裂性指数中张破裂和剪切破裂的影响和贡献大小，利用测井资料建立了张破裂和剪切破裂模型表达的可压裂性指数模型。全面地描述了地层可压裂性的破裂模型和特征。该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，优化了压裂施工参数，降低了页岩气地层的勘探开发成本，提高了页岩地层的开发效率。实现了对页岩地层可压性的定量描述，有利于制定射孔和压裂方案，提高压裂效果、提升页岩气产能。

Description

一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法
技术领域
本发明属于石油勘探开发页岩地层可压裂性评价领域，具体涉及一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法。
背景技术
页岩地层是否可压裂从广义上来说取决于两方面，一是页岩地层含有较丰富的天然气，二是这些天然气通过有效的手段能开采出来，即一个涉及到页岩地层的储层质量，另一个涉及到页岩地层的工程质量。
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时所产生的破裂，张破裂目前研究较多；剪切破裂是地层压裂过程中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，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。
孙建孟等人应用线弹性断裂理论构建脆性指数和断裂韧性的乘积表示可压裂性指数，其中脆性指数用杨氏模量和泊松比表示，该断裂韧性为|型断裂韧性。赵金洲等人综合页岩脆性、断裂韧性和天然弱面3个方面特性，提出页岩气可压性的评价方法，天然弱面主要包括节理、裂缝、断层和沉积层理面。唐颖等人提出页岩脆性、天然裂缝、石英含量、成岩作用是可压裂性的主要影响因素，应用层次分析法确定了各个参数的权重，可压裂系数等于参数标准化值与权重系数的加权。隋丽丽等人利用脆性系数、脆性矿物含量、黏性矿物含量、黏聚力参数，运用模糊综合评价法评价了页岩地层的可压裂性。
牛虎林等人利用成像测井和地震资料相结合，研究了裂缝及孔洞分布、现今地应力与裂缝有效性分析和储层裂缝定量评价，综合预测了裂缝发育带，有效评价了钻井诱导缝的方位、数量。谢海峰等人采用剪切盒实验研究脆性岩石的高温剪切性能。实验表明胶结物材料和岩石内部微裂纹两种因素共同影响着岩石的性质和剪切破裂，前者占主导地位。岩石断口多为穿晶断裂，晶面上具有多而密的平行线条纹和较多的岩屑等典型的剪切破坏特征，表明岩石破坏为剪切断裂。
李守定等人利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征，采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程，研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响，研究结果得出岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合，剪切破裂首先发生，剪切速率与剪切强度成非线性负相关关系。袁俊亮等人利用室内实验测定和测井数据分别计算页岩储层Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性，用Ⅰ型与Ⅱ型断裂韧性的平均值及脆性指数建立了页岩地层的可压裂性指数模型。郭海萱和郭天魁运用室内岩石力学和物性参数测试方法进行页岩储层可压性评价，指出页岩地层的可压性取决于水平地应力差、天然裂缝系统和沉积层理、岩石脆性等方面，剪切破裂与地层的内摩擦角和粘聚力有关。蒋廷学等人利用等效支撑剂量与等效压裂液量的比值表征可压性指数的新模型。
可压裂性是指地层破裂时所需要的能量较低，地层容易被压裂开。压裂时地层破裂包含了两种类型，分别是张破裂和剪切破裂。可压裂性评价是评价低孔、低渗等致密地层开发过程中的一项必不可少的手段。压裂设计需要考虑如何选层位、射孔和压裂数量等参数，对于不同的页岩地层需要不同的参数。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，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。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，包括：
(1)从元素测井解释或矿物测试资料获取地层矿物组成和含量大小；
(2)获取不同矿物的断裂韧性；
(3)计算该地层的综合断裂韧性；
(4)确定该地层矿物组份下的最大、最小断裂韧性；
(5)根据综合断裂韧性、最大、最小断裂韧性计算地层张破裂能力模型FE；
(6)收集伽马测井资料及泥质含量Vcl；
(7)预测地层的内摩察角；
(8)预测地层的摩擦系数；
(9)从偶极子声波测井资料获取某井的地层最大水平地应力σ1、最小水平地应力σ3；
(10)计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m；
(11)利用聚合强度数值S0m计算地层在静应力条件下的临界破裂应力；
(12)利用岩石破裂测试实验确定地层实际的聚合强度S0；
(13)计算地层发生剪切破裂的应力大小；
(14)确定区块的最大、最小临界剪切破裂应力；
(15)建立地层发生剪切破裂能力的模型FS；
(16)根据所述地层张破裂能力模型FE和地层发生剪切破裂能力的模型FS获得地层的可压裂性模型Ff。
所述方法进一步包括：
(17)利用可压裂性模型Ff判断可压裂性的性质：Ff大于0.5时，判定地层的可压裂性较好，Ff小于0.5时，判定地层的可压裂性较差。
所述步骤(2)是这样实现的：
从国际岩石力学协会提供的不同矿物的断裂韧性中查询到不同矿物的断裂韧性。
所述步骤(3)是这样实现的：
利用下式计算该地层的综合断裂韧性temp：
其中tempi为步骤(2)中获得的第i种矿物的断裂韧性，Wi为第i种矿物的含量。
所述步骤(4)是这样实现的：
将步骤(2)查询到的实际地层的所有矿物的韧性值从大到小进行排列，序列中的最大值即为断裂韧性tempmax、最小值即为断裂韧性tempmin。
所述步骤(5)是利用下式计算地层张破裂能力模型FE：
所述步骤(7)是利用下式预测地层的内摩察角
其中，a、b为常数；
所述步骤(8)是通过预测地层的摩擦系数μ。
所述步骤(10)是利用下式计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m：
所述步骤(11)是利用下式计算地层在静应力条件下的临界破裂应力：
所述步骤(13)是这样实现的：
利用步骤(12)确定的地层实际的聚合强度S0计算地层发生剪切破裂的应力σ：
所述步骤(14)是这样实现的：
针对每口井计算得出一个地层发生剪切破裂的应力σ，将该区块内的所有井的σ进行从大到小排列，找到序列中的最大值σmax和最小值σmin即为最大、最小临界剪切破裂应力。
所述步骤(15)中的地层发生剪切破裂能力的模型FS如下：
所述步骤(16)中的可压裂性模型Ff如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明研究了页岩地层可压裂性指数中张破裂和剪切破裂的影响和贡献大小，利用测井资料建立了张破裂和剪切破裂模型表达的可压裂性指数模型。全面地描述了地层可压裂性的破裂模型和特征。该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，优化了压裂施工参数，降低了页岩气地层的勘探开发成本，提高了页岩地层的开发效率。实现了对页岩地层可压性的定量描述，有利于制定射孔和压裂方案，提高压裂效果、提升页岩气产能。
附图说明
图1本发明方法的步骤框图
图2地层张破裂能力、剪破裂能力和可压裂性评价示意图
图3某页岩区块张破裂、剪切破裂、携砂比与泥质含量关系示意图
图4某页岩地层可压裂性与压裂携砂比关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明利用张破裂和剪切破裂来描述地层的可压裂性。
在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致地层断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧性。从定义中看出，断裂韧性主要指的是材料的张破裂，但地层不是由单一地层矿物组成的，而是由多种地层矿物组成的，因此需要根据所有的矿物计算出综合断裂韧性。
地层中不同矿物对压裂过程中所起的作用不同，主要是因为不同矿物具有不同的断裂韧性，因此结合不同矿物含量，就可以得出地层的综合断裂韧性，其数值大小表达为：
其中tempi为第i种矿物的断裂韧性，Wi为第i种矿物的含量。
根据国际岩石力学协会(ISRM)提供的不同矿物断裂韧性数据和实验结果，选取页岩地层中断裂韧性最大tempmax和最小tempmin值(Mpa·m1/2)。用地层的综合断裂指数来表达地层的张破裂能力：
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系数相关性最强，说明利用泥质含量能有效表征内摩擦系数。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：
其中，a、b为常数；
利用下式计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m：
利用下式计算地层在静应力条件下的临界破裂应力：
钻井过程中，当钻铤的重量、泥浆的重力和钻井过程中所产生的冲击力之和大于模型(2)中的剪切应力时，地层将会出现钻井诱导缝。
计算地层发生剪切破裂的应力σ：
其中，σ1、σ3为二维平面中最大、最小水平应力，μ是地层的内摩察系数， 是地层的内摩察角。S0为利用岩石破裂测试实验获得的聚合强度，由水平井钻井时出现诱导缝的地应力大小确定。
确定区块的最大、最小临界剪切破裂应力大小为σmax、σmin，临界剪切破裂应力越大说明地层越难出现剪切破裂，相反地层越容易出现剪切破裂，因此建立起判断地层发生剪切破裂的难易程度模型为：
如图1所示，本发明方法的步骤如下：
(1)从元素测井解释或矿物测试资料获取地层矿物组成和含量大小；
(2)查询国际岩石力学协会提供的不同矿物断裂韧性数据；
(3)利用计算该地层的综合断裂韧性；
(4)确定该地层矿物组份下的最大、最小断裂韧性：将步骤(2)查到实际地层的所有矿物的韧性值进行从大到小排列，找到最大、最小断裂韧性；
(5)根据综合断裂韧性、最大、最小断裂韧性计算地层张破裂能力模型FE；
(6)收集伽马测井资料及解释成果(即泥质含量Vcl)；
(7)根据公式(1)预测地层的内摩察角；
(8)通过预测地层的摩擦系数；
(9)从偶极子声波测井资料获取某井的地层最大水平地应力σ1、最小水平地应力σ3；
(10)计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m；
(11)利用聚合强度数值S0m计算地层在静应力条件下的临界破裂应力；
(12)利用岩石破裂测试实验确定地层实际的聚合强度S0；
(13)计算地层发生剪切破裂的应力大小；
(14)确定区块的最大、最小临界剪切破裂应力；
(15)建立地层发生剪切破裂能力的模型FS；
(16)根据所述地层张破裂能力模型FE和地层发生剪切破裂能力的模型FS获得地层的可压裂性模型Ff：
(17)利用可压裂性模型Ff判断可压裂性的性质：Ff大于0.5时，判定地层的可压裂性较好，Ff小于0.5时，判定地层的可压裂性较差。
图2给出了剪破裂能力、可压裂性和张破裂能力随泥质含量的变化。
本发明的实施例如下：利用某页岩区块21口井资料，利用本发明的方法评价了地层的张破裂贡献率和剪切破裂贡献率。评价结果如图3所示，张破裂贡献随着泥质含量的增大而减小，剪切破裂贡献随着泥质含量的增大而增大，泥质含量对张破裂和剪破裂的影响趋势不同。从图4可以看出，压裂过程中的携砂量随着泥质含量的增大而减小，说明泥质含量越大、地层的可压裂性越差。
利用本发明方法能够准确确定页岩地层脆性指数，评价页岩地层可压性能力对页岩储层射孔、压裂参数优选、降低压裂开采成本、提高页岩气开发效率、提升页岩气采收率具有重要意义,我国页岩气勘探、开采才刚刚开始，本发明评价页岩地层的可压裂性指数具有广泛的应用前景。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)从元素测井解释或矿物测试资料获取地层矿物组成和含量大小；
(2)获取不同矿物的断裂韧性；
(3)计算该地层的综合断裂韧性；
(4)确定该地层矿物组份下的最大、最小断裂韧性；
(5)根据综合断裂韧性、最大、最小断裂韧性计算地层张破裂能力模型FE；
(6)收集伽马测井资料及泥质含量Vcl；
(7)预测地层的内摩察角；
(8)预测地层的摩擦系数；
(9)从偶极子声波测井资料获取某井的地层最大水平地应力σ1、最小水平地应力σ3；
(10)计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m；
(11)利用聚合强度数值S0m计算地层在静应力条件下的临界破裂应力；
(12)利用岩石破裂测试实验确定地层实际的聚合强度S0；
(13)计算地层发生剪切破裂的应力大小；
(14)确定区块的最大、最小临界剪切破裂应力；
(15)建立地层发生剪切破裂能力的模型FS；
(16)根据所述地层张破裂能力模型FE和地层发生剪切破裂能力的模型FS获得地层的可压裂性模型Ff。
2.根据权利要求1所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述方法进一步包括：
(17)利用可压裂性模型Ff判断可压裂性的性质：Ff大于0.5时，判定地层的可压裂性较好，Ff小于0.5时，判定地层的可压裂性较差。
3.根据权利要求1或2所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(2)是这样实现的：
从国际岩石力学协会提供的不同矿物的断裂韧性中查询到不同矿物的断裂韧性。
4.根据权利要求3所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：
利用下式计算该地层的综合断裂韧性temp：
其中tempi为步骤(2)中获得的第i种矿物的断裂韧性，Wi为第i种矿物的含量。
5.根据权利要求4所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：
将步骤(2)查询到的实际地层的所有矿物的韧性值从大到小进行排列，序列中的最大值即为断裂韧性tempmax、最小值即为断裂韧性tempmin。
6.根据权利要求5所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(5)是利用下式计算地层张破裂能力模型FE：
所述步骤(7)是利用下式预测地层的内摩察角
其中，a、b为常数；
所述步骤(8)是通过预测地层的摩擦系数μ。
7.根据权利要求6所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(10)是利用下式计算地层发生剪切破裂的聚合强度数值S0m：
所述步骤(11)是利用下式计算地层在静应力条件下的临界破裂应力：
8.根据权利要求7所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(13)是这样实现的：
利用步骤(12)确定的地层实际的聚合强度S0计算地层发生剪切破裂的应力σ：
9.根据权利要求8所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(14)是这样实现的：
针对每口井计算得出一个地层发生剪切破裂的应力σ，将该区块内的所有井的σ进行从大到小排列，找到序列中的最大值σmax和最小值σmin即为最大、最小临界剪切破裂应力。
10.根据权利要求9所述的基于张破裂和剪破裂确定地层可压裂性的方法，其特征在于：所述步骤(15)中的地层发生剪切破裂能力的模型FS如下：
所述步骤(16)中的可压裂性模型Ff如下：
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