CN109359376B - 水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法 - Google Patents

水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，属于页岩油气开发技术领域。该方法对于特定的页岩储层待压裂井，通过试井分析手段，测定储层各个方向主应力大小，通过室内试验测定页岩压裂层段地质力学参数，计算确定水力压裂裂缝扩展速度、页岩储层裂缝尖端应力强度因子、复合能量释放率、储层临界断裂韧度等，最终确定裂缝的断裂或者扩展形态。该方法对现有的水力压裂裂缝扩展模型进行了修正与完善，可以更为精确的判断水力裂缝在天然裂缝界面处的扩展行为，弥补了现有裂缝扩展模型在预测页岩储层天然裂缝界面处扩展行为的不足。

Description

水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法
技术领域
本发明涉及页岩油气开发水力压裂裂缝控制技术领域，特别是指一种水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法。
背景技术
在进行页岩油气开发，储层水力压裂过程中，裂缝几何形态对后期产能的影响尤为关键。裂缝几何形态的预测关系到压裂施工方案的设计与优化，因此有必要建立精确的页岩储层压裂裂缝断裂与扩展数学模型。
国内外压裂裂缝数值计算模型研究的发展过程，从简单到复杂，从二维到三维，所考虑因素越来越全面。已经综合考虑了裂缝高度增长、与时间和温度有关的流体流变性、各种滤失机理、桥塞和脱砂、近井地带裂缝延伸受限产生的压降、孔眼磨蚀、二维支撑剂运移以及热传递等因素。
但是，现有的水力压裂数值模型在裂缝起裂与扩展判据方面主要针对的是常规砂岩储集层，而页岩储层是孔道狭小、各向异性突出且含有复杂天然裂缝、节理等弱面的非均质材料。天然裂缝的存在，导致人工裂缝在延伸过程中受到影响，人工裂缝在天然裂缝存在条件下的扩展需要不同于常规砂岩储集层的起裂与扩展判据。因此，建立合适的各向异性页岩储层的本构模型及其起裂、分叉准则是进行裂缝扩展数值模拟的基础。
针对目前水力压裂页岩储层，裂缝扩展模型中存在的不足，需要采用一种改进的、完善的页岩储层压裂裂缝起裂与扩展形态预测方法，以期更加精确、更加合理地进行页岩储层裂缝形态的预测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，克服页岩油气藏水力压裂开发过程中，当人工裂缝遇到天然裂缝时，常规数值模型无法精确判断裂缝在天然裂缝地质界面处进一步发展形态的问题。该方法依据岩石断裂力学相关知识，主要增加了裂缝扩展速度、储层温度对裂缝尖端应力强度因子、复合能量释放率以及裂缝临界断裂韧性的影响，从而建立了新的裂缝起裂与扩展判识方法。通过所述准则可以更加精确描述页岩储层天然裂缝界面处水力裂缝的起裂与扩展问题，从而解决了原有的裂缝扩展判识标准中裂缝扩展动态因素考虑不足的缺陷，更加接近实际开裂情况。
该方法包括步骤如下：
(1)对于特定的页岩储层待压裂井，通过试井分析手段，测定储层各个方向主应力大小，其中，主应力包括：储层最大水平主应力σH、储层最小水平主应力σh和储层纵向主应力σv；通过室内试验测定页岩压裂层段地质力学参数，其中，地质力学参数包括：页岩压裂层段杨氏模量E、岩层泊松比ν、岩层比表面能γ、岩层内摩擦角
Figure GDA0001870184870000023
岩层内聚力C、岩石的骨架压缩率Cr、岩石的体积压缩率Cb和水平方向上岩石的抗拉强度
Figure GDA0001870184870000022
(2)计算确定水力压裂裂缝扩展速度v；
(3)计算页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)；
(4)根据步骤(3)所得的储层裂缝尖端应力强度因子及步骤(2)所得的裂缝扩展速度，计算页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)；
(5)根据步骤(4)中所得的裂缝尖端复合动态应力强度因子，计算页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G；
(6)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC；
(7)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC；
(8)根据步骤(7)中得到的静态Ⅰ型临界断裂强度因子及步骤(2)中得到的裂缝扩展速度，计算页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)；
(9)根据步骤(5)中得到的压裂裂缝尖端处动态能量释放率G以及仪器测得的尖端流体压力p，确定裂缝的断裂或者扩展形态。
其中，步骤(2)中水力压裂裂缝扩展速度
Figure GDA0001870184870000021
其中，V为压裂过程注入压裂液的总体积，单位为m3；h为裂缝在近井地带的半缝高，单位为m；b为近井地带裂缝缝宽，单位为m；t为施工时间，单位为s。
步骤(3)中页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)计算方法如下：
对于垂直天然裂缝：
Figure GDA0001870184870000031
对于水平天然裂缝：
Figure GDA0001870184870000032
其中：θ为天然裂缝与人工缝在纵向上的夹角；l为天然裂缝的半长。
步骤(4)中页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)计算方法如下：
KI(t,l,v)＝K(v)KI(t,l,0)
其中，
Figure GDA0001870184870000033
Figure GDA0001870184870000034
式中：CR、Cd、Cs分别为瑞利波速、膨胀波速和畸变波速；λ、μ为拉梅常数；ρ为流体密度。
步骤(5)中页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000035
其中，A(v)为单调递增函数，由经验方法给出；E为页岩压裂层段杨氏模量。
步骤(6)中有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000036
Figure GDA0001870184870000037
式中：σ′h、σ′H为除去孔隙压力的有效水平地应力，单位为MPa；α为Biot常数，由试验确定；Cr为岩石的骨架压缩率；Cb为岩石的体积压缩率；
Figure GDA0001870184870000038
为水平方向上岩石的抗拉强度。
步骤(7)中页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000041
步骤(8)中页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000042
其中：B(v)为单调递减函数，由经验方法给出；T为储层温度，单位为℃。
步骤(9)中确定裂缝的断裂或者扩展形态具体标准如下：
1)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝到达天然裂缝地质界面后，人工裂缝止裂，天然裂缝在水动力作用下进行扩展；
2)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝穿透天然裂缝界面并进行延伸，天然裂缝并不随之扩展；
3)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝在天然裂缝界面处同时扩展天然裂缝并穿透天然裂缝进行起裂扩展；
4)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝停止止裂。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明是对现有水力压裂裂缝扩展模型的修正与完善，通过本发明所提供的判识方法，可以确定水力压裂裂缝在遇到页岩储层中的天然裂缝时，裂缝扩展的形态。从而建立页岩储层水力压裂裂缝扩展模型，精确反映裂缝在天然裂缝界面处的起裂、延伸全过程，弥补了应用现有裂缝扩展模型预测水力裂缝在页岩储层扩展中的缺陷。
附图说明
图1为本发明的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法中水力压裂页岩储层人工缝相关示意图，其中，(a)为水力压裂页岩储层人工缝穿透天然缝示意图；(b)为水力压裂页岩储层人工缝沿天然缝扩展示意图；(c)为水力压裂页岩储层人工缝穿透天然缝同时沿天然缝扩展示意图；(d)为水力压裂页岩储层人工缝止裂示意图；
图2为本发明实施例中未压裂前岩心原始示意图；
图3为本发明实施例中水力压裂页岩岩心人工缝穿透天然缝同时沿天然缝扩展示意图。
其中，虚线部分为人工水力压裂裂缝；实线部分为天然裂缝。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法。
该方法包括步骤如下：
(1)对于特定的页岩储层待压裂井，通过试井分析手段，测定储层各个方向主应力大小，其中，主应力包括：储层最大水平主应力σH、储层最小水平主应力σh和储层纵向主应力σv；通过室内试验测定页岩压裂层段地质力学参数，其中，地质力学参数包括：页岩压裂层段杨氏模量E、岩层泊松比ν、岩层比表面能γ、岩层内摩擦角
Figure GDA0001870184870000052
岩层内聚力C、岩石的骨架压缩率Cr、岩石的体积压缩率Cb和水平方向上岩石的抗拉强度
Figure GDA0001870184870000051
(2)计算确定水力压裂裂缝扩展速度v；
(3)计算页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)；
(4)根据步骤(3)所得的储层裂缝尖端应力强度因子及步骤(2)所得的裂缝扩展速度，计算页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)；
(5)根据步骤(4)中所得的裂缝尖端复合动态应力强度因子，计算页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G；
(6)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC；
(7)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC；
(8)根据步骤(7)中得到的静态Ⅰ型临界断裂强度因子及步骤(2)中得到的裂缝扩展速度，计算页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)；
(9)根据步骤(5)中得到的压裂裂缝尖端处动态能量释放率G以及尖端流体压力p，确定裂缝的断裂或者扩展形态。
其中，步骤(2)中水力压裂裂缝扩展速度
Figure GDA0001870184870000061
其中，V为压裂过程注入压裂液的总体积，单位为m3；h为裂缝在近井地带的半缝高，单位为m；b为近井地带裂缝缝宽，单位为m；t为施工时间，单位为s。
步骤(3)中页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)计算方法如下：
对于垂直天然裂缝：
Figure GDA0001870184870000062
对于水平天然裂缝：
Figure GDA0001870184870000063
其中：θ为天然裂缝与人工缝在纵向上的夹角；l为天然裂缝的半长。
步骤(4)中页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)计算方法如下：
KI(t,l,v)＝K(v)KI(t,l,0)
其中，
Figure GDA0001870184870000064
Figure GDA0001870184870000065
式中：CR、Cd、Cs分别为瑞利波速、膨胀波速和畸变波速；λ、μ为拉梅常数；ρ为流体密度。
步骤(5)中页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000066
其中，A(v)为单调递增函数，由经验方法给出；E为页岩压裂层段杨氏模量。
步骤(6)中有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000071
Figure GDA0001870184870000072
式中：σ′h、σ′H为除去孔隙压力的有效水平地应力，单位为MPa；α为Biot常数，由试验确定；Cr为岩石的骨架压缩率；Cb为岩石的体积压缩率；
Figure GDA0001870184870000073
为水平方向上岩石的抗拉强度。
步骤(7)中页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000074
步骤(8)中页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)计算方法如下：
Figure GDA0001870184870000075
其中：B(v)为单调递减函数，由经验方法给出；T为储层温度，单位为℃。
步骤(9)中确定裂缝的断裂或者扩展形态具体标准如下：
1)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝到达天然裂缝地质界面后，人工裂缝止裂，天然裂缝在水动力作用下进行扩展；
2)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝穿透天然裂缝界面并进行延伸，天然裂缝并不随之扩展；
3)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝在天然裂缝界面处同时扩展天然裂缝并穿透天然裂缝进行起裂扩展；
4)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝停止止裂。
通过上述方法，可以更为精确的判断水力裂缝在天然裂缝界面处的扩展行为(直接穿透天然裂缝界面，如图1(a)；沿天然裂缝界面扩展，如图1(b)；穿透天然裂缝界面同时沿天然裂缝扩展，如图1(c)；裂缝止裂，如图1(d))，弥补了现有裂缝扩展模型在预测页岩储层天然裂缝界面处扩展行为的不足。
对于页岩储层来说，由于沉积及构造运动，导致页岩储层具有明显发育的复杂天然裂缝，形成了诸多的天然裂缝地质界面。在该界面处，由于裂缝的存在，应力状态与连续基质有明显的不同，这就决定了水力压裂裂缝在天然裂缝地质界面处的扩展形态复杂多变。当水力压裂裂缝扩展到天然裂缝界面时，可能沿原始方向起裂并直接穿透界面、沿天然裂缝界面扩展、沿原始方向起裂与沿天然裂缝界面扩展同时发生、或者由于能量不足，裂缝止裂。因此需要判断天然裂缝界面处人工裂缝的扩展形态，而以往的水力裂缝扩展模型并不能充分考虑裂缝扩展动态行为对扩展判据的影响，因此在考虑了页岩储层地质界面的特殊性，以及裂缝动态扩展的实际性，建立了新的水力裂缝在页岩储层裂缝界面断裂扩展判识标准。算例如下：
(1)由图2已知，待压裂岩心内部有一条天然发育裂缝。
(2)测得该储层岩心杨氏模量为19000MPa；泊松比为0.28；岩石抗拉强度为4.2MPa；
(3)在垂直于该裂缝以及平行于该裂缝的方向，分别施加15MPa，10MPa围压，模拟最大与最小水平主应力。
(4)通过岩心杨氏模量、泊松比等物性参数，计算得到岩心静态Ⅰ型临界应力强度因子为253.2MPa·m0.5。
(5)12MPa缝内流压条件下，人工裂缝的扩展速度经测量为3mm/s。
(5)在室温25℃条件下，通过裂缝扩展速度，计算得到岩心临界断裂韧度23.3N/m。
(6)通过裂缝扩展速度、缝长、最大最小水平主应力，计算得到人工裂缝尖端复合动态应力强度因子为226.7MPa·m0.5。
(7)考虑裂缝扩展速度，结合岩心杨氏模量，计算得到压裂裂缝尖端处动态能量释放率为15.4N/m。
(8)通过岩石抗拉强度、最大最小主应力，缝内流体压力12MPa时，计算得到在天然裂缝界面的临界起裂压力为6.5MPa。
(9)通过判据3，裂缝尖端复合动态应力强度因子大于静态临界应力强度因子，缝内流压大于天然裂缝界面的起裂压力。故判断裂缝沿天然裂缝面扩展，并同时在最小主应力方向起裂并扩展。实验结果如图3所示，实验结果证实了该计算结果的合理性。
本发明是对现有水力压裂裂缝扩展模型的修正与完善，通过本发明所提供的判识方法，可以确定水力压裂裂缝在遇到页岩储层中的天然裂缝时，裂缝扩展的形态。从而建立页岩储层水力压裂裂缝扩展模型，精确反映裂缝在天然裂缝界面处的起裂、延伸全过程，弥补了应用现有裂缝扩展模型预测水力裂缝在页岩储层扩展中的缺陷。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)对于特定的页岩储层待压裂井，通过试井分析手段，测定储层各个方向主应力大小，其中，主应力包括：储层最大水平主应力σH、储层最小水平主应力σh和储层纵向主应力σv；通过室内试验测定页岩压裂层段地质力学参数，其中，地质力学参数包括：页岩压裂层段杨氏模量E、岩层泊松比ν、岩层比表面能γ、岩层内摩擦角
Figure FDA0002587998030000012
岩层内聚力C、岩石的骨架压缩率Cr、岩石的体积压缩率Cb和水平方向上岩石的抗拉强度
Figure FDA0002587998030000013
(2)计算确定水力压裂裂缝扩展速度v；
(3)计算页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)，其中，t为施工时间，l为天然裂缝的半长；
(4)根据步骤(3)所得的储层裂缝尖端应力强度因子及步骤(2)所得的裂缝扩展速度，计算页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)；
(5)根据步骤(4)中所得的裂缝尖端复合动态应力强度因子，计算页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G；
(6)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC；
(7)根据步骤(1)中得到的储层主应力大小及地质力学参数，计算页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC；
(8)根据步骤(7)中得到的静态Ⅰ型临界断裂强度因子及步骤(2)中得到的裂缝扩展速度，计算页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)，其中，T为储层温度；
(9)根据步骤(5)中得到的压裂裂缝尖端处动态能量释放率G以及仪器测得的尖端流体压力p，确定裂缝的断裂或者扩展形态；
所述步骤(2)中水力压裂裂缝扩展速度
Figure FDA0002587998030000011
其中，V为压裂过程注入压裂液的总体积，单位为m3；h为裂缝在近井地带的半缝高，单位为m；b为近井地带裂缝缝宽，单位为m；t为施工时间，单位为s。
2.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(3)中页岩储层裂缝尖端应力强度因子KI(t,l,0)计算方法如下：
对于垂直天然裂缝：
Figure FDA0002587998030000021
对于水平天然裂缝：
Figure FDA0002587998030000022
其中：θ为天然裂缝与人工缝在纵向上的夹角；l为天然裂缝的半长。
3.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(4)中页岩储层裂缝尖端复合动态应力强度因子KI(t,l,v)计算方法如下：
KI(t,l,v)＝K(v)KI(t,l,0)
其中，
Figure FDA0002587998030000023
CR通过如下公式计算：
Figure FDA0002587998030000024
式中：CR、Cd、Cs分别为瑞利波速、膨胀波速和畸变波速；λ、μ为拉梅常数；ρ为流体密度。
4.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(5)中页岩储层水力压裂裂缝尖端处动态能量释放率G计算方法如下：
Figure FDA0002587998030000025
其中，A(v)为单调递增函数，由经验方法给出；E为页岩压裂层段杨氏模量。
5.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(6)中有压裂液滤失时，贯穿裂缝的临界起裂压力pC计算方法如下：
Figure FDA0002587998030000031
Figure FDA0002587998030000032
式中：σ′h、σ′H为除去孔隙压力的有效水平地应力，单位为MPa；α为Biot常数，由试验确定；Cr为岩石的骨架压缩率；Cb为岩石的体积压缩率；
Figure FDA0002587998030000033
为水平方向上岩石的抗拉强度。
6.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(7)中页岩压裂层段的静态Ⅰ型临界断裂强度因子KΙC计算方法如下：
Figure FDA0002587998030000034
7.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(8)中页岩储层临界断裂韧度GIC(T,v,KIC)计算方法如下：
Figure FDA0002587998030000035
其中：B(v)为单调递减函数，由经验方法给出；T为储层温度，单位为℃。
8.根据权利要求1所述的水力压裂裂缝在页岩储层天然裂缝界面扩展判识方法，其特征在于：所述步骤(9)中确定裂缝的断裂或者扩展形态具体标准如下：
1)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝到达天然裂缝地质界面后，人工裂缝止裂，天然裂缝在水动力作用下进行扩展；
2)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝穿透天然裂缝界面并进行延伸，天然裂缝并不随之扩展；
3)满足以下条件时：
G＞GIC(T,v,KIC)，p＞pC
确定人工裂缝在天然裂缝界面处同时扩展天然裂缝并穿透天然裂缝进行起裂扩展；
4)满足以下条件时：
G＜GIC(T,v,KIC)，p＜pC
确定人工裂缝停止止裂。
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