CN109241651B - 一种通用的地层破裂压力预测方法 - Google Patents

Abstract

一种通用的地层破裂压力预测方法，先通过水化三轴压缩实验得到地层岩石参数，再通过现场地层压裂试验获得地层的地应力测试数据，然后收集计算所需的其它常规数据，基于弹塑性力学，岩石力学和双重有效应力理论，考虑了地应力场、井筒内压、化学场、温度场、岩石孔隙度、钻井液渗流的影响，根据最大张应力准则，建立了基于双重有效应力的地层的破裂压力模型，根据地层岩石参数及测试数据，依据地层破裂压力模型计算地层的破裂压力；本发明能够更有效、更准确地预测破裂压力，并且适用于各种地层，从而为压裂施工设计提供数据参考进而指导工程实践。

Description

一种通用的地层破裂压力预测方法

技术领域

本发明涉及地层破裂压力预测技术领域，尤其涉及一种通用的地层破裂压力预测方法。

背景技术

地层破裂压力的准确预测对于预防钻井事故及确保压裂成功具有重要意义。在现有技术中，模型有黄氏模型，李氏模型，邓氏模型等，其中黄氏模型主要是针对于一般储层提出的，其普遍地考虑了各种因素的影响，不仅考虑到岩层上覆应力是深度的函数，井壁应力集中的影响，而且还考虑到地下非均匀分布的构造应力的作用，以及岩层强度等因素。因此，它能适用于不同条件的地区，所预测的破裂压力亦将较其它模式更为准确可靠。然而，该模式没有考虑岩石孔隙度、渗流、水化和温度的影响。李氏模型给出了基于双重有效应力的射孔完井条件下的破裂压力计算模型，然而怎样获取连续的触点孔隙度参数剖面，还是个尚未解决的问题。严向阳在黄氏模型的基础上建立了考虑水化应力计算破裂压力的模型，该模型没有考虑岩层上覆应力是深度的函数、地下非均匀分布的构造应力的作用及渗流和孔隙度的影响。邓金根等建立了考虑温度及渗流影响的高温高压地层破裂压力计算邓氏模型，但此模型主要是针对的地层是砂岩，没有考虑水化作用的影响。李培超对李氏模型的射孔完井破裂压力模型进行了修正，引入射孔深度参数，最终得到垂直井射孔完井破裂压力计算公式，仅考虑了钻井引起的应力集中，忽视了射孔引起的二次应力集中对破裂压力的影响。

综上所述，目前还没有一种适用于各种地层的综合考虑多因素、更有效、更准确的方法进行地层破裂压力的预测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种通用的地层破裂压力预测方法，在李氏模型的基础上，基于双重有效应力理论，考虑了地应力场、井筒内压、化学场、温度场、岩石孔隙度、钻井液渗流的影响，建立了地层破裂压力的预测模型，能够更有效、更准确地预测地层的破裂压力，从而为压裂施工设计提供高精度的基础数据。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种通用的地层破裂压力预测方法，包括以下步骤:

1)通过室内水化三轴压缩实验得到地层岩石参数，地层岩石参数包括岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比；

2)通过现场地层压裂试验获得地层的地应力测试数据，地应力测试数据包括最大水平有效应力σ₁、最小水平有效应力σ₂、上覆应力σ_v、岩石抗张强度S_t和岩石的抗压强度；

3)收集计算所需的其它常规数据，其它常规数据包括地质构造应力系数、水化应力、透膜效率、气体常数、纯水偏摩尔体积、进入地层液体活度、岩石中水的活度，岩石孔隙度和岩石触点孔隙度；

4)基于弹塑性力学和岩石力学理论，计算出地应力在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

其中，σ_θ1是由地应力引起的周向应力，MPa；p_i为钻井液液柱压力，MPa；σ₁为水平最大地应力，MPa；σ₂为水平最小地应力，MPa；R为最大井眼半径，m；r为井眼轴线到地层中一点的半径，m；θ为井周角,(°)；

当θ＝0°或θ＝180°时，得到井壁上最小周向应力为

σ_θ1＝3σ₂-σ₁

5)在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

σ_θ2＝-p_i

其中，σ_θ2是由井筒内部压力引起的周向应力，MPa；

6)渗流在井壁周围地层产生的周向应力分布；

其中，σ_θ3是由渗透到井壁的流体产生的周向应力，MPa；φ为岩石孔隙度；μ为泊松比；p_p为原始地层空隙压力，MPa；

7)化学场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ4＝p_π为水化应力，MPa；I_m为透膜效率；R′为气体常数；T为绝对温度；

为纯水偏摩尔体积；(A_w)_m为进入地层液体活度；(A_w)_sh为岩石中水的活度；

8)温度场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ5为温温度场在井壁周围地层产生的周向应力，MPa；T_w为井壁上的温度，℃；T₀为原始地层温度，℃；E为岩石弹性模量，GPa；α_m为岩石体积热膨胀系数；

9)井壁周围总周向应力；

其中，

为井壁周围总周向应力，MPa；

10)根据双重有效应力和最大张应力准则，得到地层破裂压力模型。

其中，p_F为地层的破裂压力，MPa；S为上覆应力，MPa；S_t为岩石的抗张强度，MPa；

为岩石的触点孔隙度；α，β为地质构造应力系数；

11)根据地层岩石参数及测试数据，依据地层破裂压力模型计算地层的破裂压力。

所述步骤1)中岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比的测试方法，包括下列步骤：

1.1)制备标准圆柱体岩样：按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准进行制备，将取出来的岩石岩心加工成直径25.4mm、高为50mm的圆柱形标准试样，端面的平整度为0.1mm；

1.2)将3组步骤1.1)制备的标准圆柱体岩样浸泡在蒸馏水中，分别浸泡1d、3d和5d，然后称重计算相应的含水率；

含水率计算公式为ω_c＝(m_ω-m)/m，其中，m为浸泡后的质量；m_ω为浸泡前的质量；

1.3)再分别进行围压为15MPa、20MPa和25MPa下的三轴压缩实验：

①启动MTS维基控制电液伺服岩石三轴压力实验机，进行控制程序的参数设置；

②将标准圆柱体岩样用热缩套包裹，固定在压力室底座，安装引伸计；

③装上压力室罩，注油排出气体；油充满后，向三轴室加围压，以每分钟1MPa左右的速率加载到预定围压值，然后以轴向应变率10^-6/s的速率进行加载实验；

④加载到标准圆柱体岩样突然破坏，系统自动停止。

所述步骤2)中破裂层岩石的抗张强度S_t是在取得现场破裂试验曲线图的基础上所估算的。

所述步骤3)中的其它常规数据在一个油田内部被视为常值。

本发明的有益效果为：

本发明基于弹塑性力学、岩石力学和双重有效应力理论，应用最大张应力准则，考虑了地应力场、井筒内压、化学场、温度场、岩石孔隙度、钻井液渗流的影响。实验表明本发明方法与现场测井数据计算得到的数据相差4.39％，要比之前的预测方法更为准确，而且计算简便，根据地层岩石不同，只需要相应的岩石参数，本发明方法可适用于各种岩石地层破裂压力的计算。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明实施例破裂压力随深度变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

参照图1，一种通用的地层破裂压力预测方法，包括以下步骤:

1)通过室内水化三轴压缩实验测试得到地层岩石参数，地层岩石参数包括岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比；

测试岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比，包括下列步骤：

1.1)制备标准圆柱体岩样：按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准进行制备，将取出来的岩样岩心加工成直径25.4mm、高为50mm的圆柱形标准试样，端面的平整度为0.1mm；

1.2)将3组步骤1.1)制备的标准圆柱体岩样浸泡在蒸馏水中，分别浸泡1d、3d和5d，然后称重计算相应的含水率；

含水率计算公式为ω_c＝(m_ω-m)/m，其中，m为浸泡后的质量；m_ω为浸泡前的质量；

1.3)再分别进行围压为15MPa、20MPa和25MPa下的三轴压缩实验：

①启动MTS维基控制电液伺服岩石三轴压力实验机，进行控制程序的参数设置；

②将标准圆柱体岩样用热缩套包裹，固定在压力室底座，安装引伸计；

③装上压力室罩，注油排出气体；油充满后，向三轴室加围压，以每分钟1MPa左右的速率加载到预定围压值，然后以轴向应变率10^-6/s的速率进行加载实验；

④加载到标准圆柱体岩样突然破坏，系统自动停止；

本实施例通过实验得到的数据见表1。

表1不同浸泡时间岩样的三轴压缩实验结果

2)通过现场地层压裂试验获得地层的地应力测试数据，地应力测试数据包括最大水平有效应力σ₁、最小水平有效应力σ₂、上覆应力σ_v、岩石抗张强度S_t和岩石的抗压强度，具体见表2；

3)收集计算所需的其它常规数据，其它常规数据包括地质构造应力系数、水化应力、透膜效率、气体常数、纯水偏摩尔体积、进入地层液体活度、岩石中水的活度，岩石孔隙度和岩石触点孔隙度；

本实施例中透膜效率为I_m＝0.1，气体常数为R′＝8.314，绝对温度为T＝363K，纯水偏摩尔体积为

其它参数见表2；由于一般地层采用清水或滑溜水进行压裂，则进入地层液体活度可为(A_w)_m＝0.78，页岩中水的活度为(A_w)_sh＝0.915，岩石孔隙度是φ＝18.11％，岩石的触点孔隙度

泊松比μ＝0.22，构造应力系数α＝0.91，β＝0.31；

4)基于弹塑性力学和岩石力学理论，计算出地应力在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

其中，σ_θ1是由地应力引起的周向应力，MPa；p_i为钻井液液柱压力，MPa；σ₁为水平最大地应力，MPa；σ₂为水平最小地应力，MPa；R为最大井眼半径，m；r为井眼轴线到地层中一点的半径，m；θ为井周角,(°)；

当θ＝0°或θ＝180°时，得到井壁上最小周向应力为：

σ_θ1＝3σ₂-σ₁

5)在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

σ_θ2＝-p_i

其中，σ_θ2是由井筒内部压力引起的周向应力，MPa；

6)渗流在井壁周围地层产生的周向应力分布；

其中，σ_θ3是由渗透到井壁的流体产生的周向应力，MPa；φ为岩石孔隙度；μ为泊松比；p_p为原始地层空隙压力，MPa；

7)化学场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ4＝p_π为水化应力，MPa；I_m为透膜效率；R′为气体常数；T为绝对温度；

为纯水偏摩尔体积；(A_w)_m为进入地层液体活度；(A_w)_sh为岩石中水的活度；

8)温度场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ5为温温度场在井壁周围地层产生的周向应力，MPa；T_w为井壁上的温度，℃；T₀为原始地层温度，℃；E为岩石弹性模量，GPa；α_m为岩石体积热膨胀系数；

9)井壁周围总周向应力；

其中，

为井壁周围总周向应力MPa；

10)根据双重有效应力和最大张应力准则，得到地层破裂压力模型，

其中，p_F为地层的破裂压力，MPa；S上覆应力，MPa；S_t为岩石的抗张强度，MPa；

为岩石的触点孔隙度；α，β为地质构造应力系数；

11)根据地层岩石参数及测试数据，依据地层破裂压力模型计算地层的破裂压力，结果如表2所示。

表2

根据表2画出破裂压力随深度变化的曲线，如图2所示。

为了更好地说明预测结果的准确性，将本发明方法与李氏模型和黄氏模型进行比较，如图2所示，■正方形虚线的线代表本发明方法，结果显示：本发明预测结果与实际地层破裂压力梯度的符合性很高，计算得到的当量钻井液密度更符合实际，而其它方法的预测结果则相对偏低。统计得出，李氏模型的误差为36.48％，黄氏模型的误差是8.04％，本发明模型的误差约为4.39％。

Claims (4)

1.一种通用的地层破裂压力预测方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)通过室内水化三轴压缩实验得到地层岩石参数，地层岩石参数包括岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比；

2)通过现场地层压裂试验获得地层的地应力测试数据，地应力测试数据包括最大水平有效应力σ₁、最小水平有效应力σ₂、上覆应力σ_v、岩石抗张强度S_t和岩石的抗压强度；

3)收集计算所需的其它常规数据，其它常规数据包括地质构造应力系数、水化应力、透膜效率、气体常数、纯水偏摩尔体积、进入地层液体活度、岩石中水的活度，岩石孔隙度和岩石触点孔隙度；

4)基于弹塑性力学和岩石力学理论，计算出地应力在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

其中，σ_θ1是由地应力引起的周向应力，MPa；p_i为钻井液液柱压力，MPa；σ₁为水平最大地应力，MPa；σ₂为水平最小地应力，MPa；R为最大井眼半径，m；r为井眼轴线到地层中一点的半径，m；θ为井周角,(°)；

当θ＝0°或θ＝180°时，得到井壁上最小周向应力为：

σ_θ1＝3σ₂-σ₁

5)在垂直井井壁周围地层的周向应力分布；

σ_θ2＝-p_i

其中，σ_θ2是由井筒内部压力引起的周向应力，MPa；

6)渗流在井壁周围地层产生的周向应力分布；

其中，σ_θ3是由渗透到井壁的流体产生的周向应力，MPa；φ为岩石孔隙度；μ为泊松比；p_p为原始地层空隙压力，MPa；

7)化学场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ4＝p_π为水化应力，MPa；I_m为透膜效率；R′为气体常数；T为绝对温度；

为纯水偏摩尔体积；(A_w)_m为进入地层液体活度；(A_w)_sh为岩石中水的活度；φ为岩石孔隙度；

8)温度场在井壁周围地层产生的周向应力；

其中，σ_θ5为温温度场在井壁周围地层产生的周向应力，MPa；T_w为井壁上的温度，℃；T₀为原始地层温度，℃；E为岩石弹性模量，GPa；α_m为岩石体积热膨胀系数；

9)井壁周围总周向应力；

其中，

为井壁周围总周向应力；

10)根据双重有效应力和最大张应力准则，得到地层破裂压力模型，

其中，p_F为地层的破裂压力，MPa；S为上覆应力，MPa；S_t为岩石的抗张强度，MPa；

为岩石的触点孔隙度；φ为岩石的孔隙度；α，β为地质构造应力系数；

11)根据地层岩石参数及测试数据，依据地层破裂压力模型计算地层的破裂压力。

2.根据权利要求1所述的一种通用的地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述步骤1)中岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比的测试方法，包括下列步骤：

1.1)制备标准圆柱体岩样：按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准进行制备，将取出来的岩石岩心加工成直径25.4mm、高为50mm的圆柱形标准试样，端面的平整度为0.1mm；

1.2)将3组步骤1.1)制备的标准圆柱体岩样浸泡在蒸馏水中，分别浸泡1d、3d和5d，然后称重计算相应的含水率；

含水率计算公式为ω_c＝(m_ω-m)/m，其中，m为浸泡后的质量；m_ω为浸泡前的质量；

1.3)再分别进行围压为15MPa、20MPa和25MPa下的三轴压缩实验：

①启动MTS维基控制电液伺服岩石三轴压力实验机，进行控制程序的参数设置；

②将标准圆柱体岩样用热缩套包裹，固定在压力室底座，安装引伸计；

③装上压力室罩，注油排出气体；油充满后，向三轴室加围压，以每分钟1MPa左右的速率加载到预定围压值，然后以轴向应变率10^-6/s的速率进行加载实验；

④加载到标准圆柱体岩样突然破坏，系统自动停止。

3.根据权利要求1所述的一种通用的地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述步骤2)中破裂层岩石的抗张强度S_t是在取得现场破裂试验曲线图的基础上所估算的。

4.根据权利要求1所述的一种通用的地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述步骤3)中的其它常规数据在一个油田内部被视为常值。

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