CN110872943A - 一种确定地层射孔方向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定地层射孔方向的方法，所述方法包括：计算地层临界张性破裂应力；计算地层临界剪切破裂应力；比较所述临界张性破裂应力以及所述临界剪切破裂应力，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向。本发明的方法根据地层的张性破裂以及剪切破裂的具体情况确定地层射孔方向，通过优化射孔方位有利于张性破裂和剪切破裂同时产生，从而增大地层的压裂体积。根据本发明的方法，确定最优的射孔方向符合地层破裂模式，有利于地层射孔开采油气层，提高地层的开发效率。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种确定地层射孔方向的方法。
背景技术
油气井射孔是石油勘探开发过程中的一项重要技术。油气井射孔的目的是为了建立有效沟通油气层与井眼之间的通道，实现油气开采的目的。由于射孔最终构成通道会直接影响到之后油气开采的成果，因此，在射孔作业时，射孔的位置以及射孔方向的选择就尤为重要。
在现有技术中，针对射孔作业进行了很多相关研究。
赵熙，戴涛，鞠杨，等，射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小，射孔方向与最大水平主应力成夹角时，裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布，射孔线性排布时的起裂压力较小。(储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析，2016,33(3)：544-550)
姜浒，刘书杰，何保生，等，定向射孔方位角和水平地应力差影响很大；定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝，而是双翼弯曲裂缝，在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下，容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝；提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度，将定向射孔方位角控制在较小角度，有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝，降低压裂施工难度和砂堵风险，从而达到改进压裂增产效果的目的。(定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验，2014,34(2)：66-70)。
上述研究虽然在一定程度上描述射孔方向与地质环境的理论关系，但并没有对射孔方向的确定进行明确有效的指导。
发明内容
本发明提供了一种确定地层射孔方向的方法，所述方法包括：
计算地层临界张性破裂应力；
计算地层临界剪切破裂应力；
比较所述临界张性破裂应力以及所述临界剪切破裂应力，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向。
在一实施例中，计算地层临界张性破裂应力，包括：
确定地层的综合断裂韧度；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及孔隙压力；
根据所述综合断裂韧度、所述地层最大水平主应力、所述最小水平主应力以及所述孔隙压力建立地层张性破裂模型；
根据所述地层张性破裂模型计算所述临界张性破裂应力。
在一实施例中，确定地层的综合断裂韧度，包括：
获取地层矿物组成以及含量数据；
获取不同矿物的断裂韧性数据；
基于所述断裂韧性数据，根据地层矿物组成以及含量数据计算获取所述综合断裂韧度。
在一实施例中，计算地层临界剪切破裂应力，包括：
获取地层的内摩擦角和摩擦系数；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及地层聚合强度；
根据所述内摩擦角和摩擦系数、所述最大水平主应力、所述最小水平主应力以及所述地层聚合强度建立地层剪切破裂模型；
根据所述地层剪切破裂模型计算所述临界剪切破裂应力。
在一实施例中，确定获取地层的内摩擦角和摩擦系数，包括：
根据测井资料中的自然伽马或伽马能谱确定泥质含量；
利用泥质含量计算出地层的内摩擦角。
在一实施例中，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向，其中：
当地层以张性破裂为主时，射孔方向为张性破裂面方向；
当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向。
在一实施例中，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系，其中：
当所述临界张性破裂应力小于所述临界剪切破裂应力的90％时，地层以张性破裂为主；
当所述临界剪切破裂应力小于所述临界张性破裂应力的90％时，地层以剪切破裂为主；
当所述临界张性破裂应力大于所述临界剪切破裂应力的90％，且小于所述临界剪切破裂应力的110％时，地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分。
在一实施例中，当地层以张性破裂为主时，射孔方向为张性破裂面方向，其中，射孔方向为最大水平主应力方向。
在一实施例中，当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时时，射孔方向为剪切破裂面方向，其中，根据地层岩石的内摩察角确定剪切破裂面的方位角。
在一实施例中，射孔方向为剪切破裂面方向，
为内摩擦角，其中：
当井眼方向与最小水平主应力方向一致时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向顺时针偏离最小水平主应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向逆时针偏离最小水平主应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
本发明的方法根据地层的张性破裂以及剪切破裂的具体情况确定地层射孔方向，通过优化射孔方位有利于张性破裂和剪切破裂同时产生，从而增大地层的压裂体积。根据本发明的方法，确定最优的射孔方向符合地层破裂模式，有利于地层射孔开采油气层，提高地层的开发效率。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1以及图2是根据本发明实施例的方法流程图；
图3～图8是根据本发明实施例的射孔方向示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
油气井射孔是石油勘探开发过程中的一项重要技术。油气井射孔的目的是为了建立有效沟通油气层与井眼之间的通道，实现油气开采的目的。由于射孔最终构成通道会直接影响到之后油气开采的成果，因此，在射孔作业时，射孔的位置以及射孔方向的选择就尤为重要。
在现有技术中，针对射孔作业进行了很多相关研究。
赵熙，戴涛，鞠杨，等，射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小，射孔方向与最大水平主应力成夹角时，裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布，射孔线性排布时的起裂压力较小。(储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析，2016,33(3)：544-550)
姜浒，刘书杰，何保生，等，定向射孔方位角和水平主应力差影响很大；定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝，而是双翼弯曲裂缝，在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下，容易形成由定向射孔方向和最大水平主应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝；提高原场主应力测量的精度和定向射孔的定向精度，将定向射孔方位角控制在较小角度，有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝，降低压裂施工难度和砂堵风险，从而达到改进压裂增产效果的目的。(定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验，2014,34(2)：66-70)。
上述研究虽然在一定程度上描述射孔方向与地质环境的理论关系，但并没有对射孔方向的确定进行明确有效的指导。
针对上述问题，本发明提出了一种确定地层射孔方向的方法。地层通常有两种破裂类型，一种是张性破裂，另一种是剪切破裂。地层开采过程中或压裂过程中，由于地层应力系统的改变，导致地层出现破裂，通常存在张性破裂和剪切破裂，而且张性破裂及剪切破裂出现的概率是不同的。张性破裂裂缝受地层最大水平主应力方向的影响，不会受射孔方位的变化而变化，但剪切破裂受射孔的方位影响较大。本发明的方法根据地层的张性破裂以及剪切破裂的具体情况确定地层射孔方向，通过优化射孔方位有利于张性破裂和剪切破裂同时产生，从而增大地层的压裂体积。根据本发明的方法，确定最优的射孔方向符合地层破裂模式，有利于地层射孔开采油气层，提高地层的开发效率。
接下来基于附图详细描述根据本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在一实施例中，如图1所示，方法包括以下步骤：
S110，计算地层临界张性破裂应力；
S120，计算地层临界剪切破裂应力；
S130，比较临界张性破裂应力以及临界剪切破裂应力，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系；
S140，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向。
具体的，在一实施例中，在确定张性破裂和剪切破裂的关系时，主要是确定地层中两种破裂类型的主次关系。
进一步的，在一实施例中：
当地层以张性破裂为主时，射孔方向为张性破裂面方向；
当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向。
具体的，在一实施例中，当临界张性破裂应力小于临界剪切破裂应力的90％时，地层以张性破裂为主；
当临界剪切破裂应力小于临界张性破裂应力的90％时，地层以剪切破裂为主；
当临界张性破裂应力大于临界剪切破裂应力的90％，且小于临界剪切破裂应力的110％时，地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分。
这里需要明确地的是，在上一实施例中，以90％以及110％作为比较临界张性破裂应力以及临界剪切破裂应力的边界，在本发明其他实施例中，可以不采用这一边界值。具体的，在一实施例中，根据现场实际情况以及历史数据确定对应张性破裂以及剪切破裂主次之分的临界张性破裂应力与临界剪切破裂应力间的大小关系界限。
进一步的，张性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。因此，在一实施例中，计算地层临界张性破裂应力包括以下步骤：
确定地层的综合断裂韧度；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及孔隙压力；
根据综合断裂韧度、地层最大水平主应力、最小水平主应力以及孔隙压力建立地层张性破裂模型；
根据地层张性破裂模型计算临界张性破裂应力。
具体的，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度。因此，在一实施例中，确定地层的综合断裂韧度，包括：
获取地层矿物组成以及含量数据；
获取不同矿物的断裂韧性数据；
基于断裂韧性数据，根据地层矿物组成以及含量数据计算获取综合断裂韧度。
具体的，在一实施例中，地层的综合断裂韧度数值大小表达为
其中：
tempi为第i种矿物的断裂韧度；
Wi为第i种矿物的含量。
进一步的，在一实施例中，tempi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获取。
进一步的，在一实施例中，基于Ⅰ型断裂韧性的张性破裂压力记为：
其中：
σ1、σ3为二维平面中两个应力，其中，地层的最大水平主应力σ1、最小水平主应力σ3；
α为毕奥特系数；
a为裂缝半径；
Pp为孔隙压力；
temp为地层的综合Ⅰ型断裂韧性。
进一步的，在张性破裂情况下，张性破裂面方向趋近最大水平主应力方向。因此，在一实施例中，当地层以张性破裂为主时，射孔方向为最大水平主应力方向。
进一步的，剪切破裂主要与地层的内摩擦角、聚合强度和地层应力相关。因此，在一实施例中，计算地层临界剪切破裂应力包括以下步骤：
获取地层的内摩擦角和摩擦系数；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及地层聚合强度；
根据内摩擦角和摩擦系数、最大水平主应力、最小水平主应力以及地层聚合强度建立地层剪切破裂模型；
根据地层剪切破裂模型计算临界剪切破裂应力。
进一步的，在一实施例中，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。
因此，在一实施例中，确定获取地层的内摩擦角和摩擦系数，包括：
根据测井资料中的自然伽马或伽马能谱确定泥质含量；
利用泥质含量计算出地层的内摩擦角。
具体的，在一实施例中，地层的内摩擦角为：
其中，
为内摩擦角；a、b为常数；Vcl为泥质含量。
进一步的，在一实施例中，用地层实际的聚合强度S0和内摩擦角代入、得到地层出现剪切破裂的模型：
进一步的，在一实施例中，当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向，其中，根据地层岩石的内摩察角确定剪切破裂面的方位角。
具体的，在一实施例中，基于模型(4)得到地层岩石的内摩察角与破裂面的方位角之间满足如下关系：
进一步的，考虑到在指导射孔作业时通常使用地层最大/最小水平主应力作为标准，在一实施例中，当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向，其中：
当井眼方向与最小水平主应力方向一致时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向顺时针偏离最小水平主应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向逆时针偏离最小水平主应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
进一步的，在一实施例中，如果有电阻率成像测井资料，能识别钻井诱导缝，该诱导缝为剪切破裂裂缝，则使用成像测井资料直接读取诱导缝的破裂面。
具体的，如图2所示，在一实施例中，方法步骤如下：
S211，收集地层矿物组成和含量大小；
S212，查询国际岩石力学协会提供的不同矿物断裂韧性数据，评价地层综合断裂韧度；
S213，收集地层的最大水平主应力σ1、最小水平主应力σ3和孔隙压力；
S214，建立地层张性破裂模型；
S215，根据张性破裂模型计算地层临界张性破裂应力大小；
S221，收集伽马测井资料及解释成果(泥质含量Vcl)；
S222，计算地层的内摩察角
和摩擦系数；
S223，收集地层聚合强度；
S224，建立地层剪切破裂模型；
S225，根据剪切破裂模型计算地层临界剪切破裂应力大小；
S230，计算剪切破裂类型破裂面的方位角θ；
S240，比较临界张性破裂应力和临界剪切破裂应力；
当临界张性破裂应力小于临界剪切破裂应力的90％时，地层以张性破裂为主(S251)，射孔方向为最大水平主应力方向(S252)。
当临界张性破裂应力小于临界剪切破裂应力的90％时，地层以剪切破裂为主；当临界张性破裂应力大于临界剪切破裂应力的90％，且小于临界剪切破裂应力的110％时，地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分。
当地层以剪切破裂为主或地层中张性破裂与剪切破裂没有主次之分时(S261)，根据发生剪切破裂时的方位角确定射孔方向(S262)。
具体的，在根据发生剪切破裂时的方位角确定射孔方向的步骤中：
当井眼方向与最小水平主应力方向一致时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向与最小水平主应力方向不一致时，假设两者夹角为β，当井眼方向顺时针偏离最小水平主应力时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼逆时针偏离最小水平主应力时，射孔方向与井眼方向夹角为
具体的，在一实施例中，直井条件下，当临界剪切破裂应力小于临界张性破裂应力的90％时，地层剪切破裂不可忽略，甚至以剪切破裂为主，此时确定射孔方位为剪切破裂面方向，即射孔方向偏离最小水平主应力方向为θ角。如图3所示，301为直井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。b方向偏离σ3方向θ角。
具体的，在一实施例中，当临界张性破裂应力小于临界剪切破裂应力的90％时，地层剪切破裂可以忽略，破裂以张性破裂为主，此时确定射孔方位为张性破裂面方向，即射孔方向沿最大水平主应力方向。
如图4所示，401为直井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。b方向与σ1方向平行。
如图5所示，501为水平井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。b方向与σ1方向平行。
具体的，在一实施例中，水平井条件或斜井条件下，如果井眼方向沿最小水平主应力方向，当临界剪切破裂应力小于临界张性破裂应力的90％时，地层剪切破裂不可忽略，破裂以剪切破裂为主，此时确定射孔方位为剪切破裂面方向，即射孔方向偏离最小水平主应力方向θ角。
如图6所示，601为水平井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。b方向偏离σ3方向θ角。
具体的，在一实施例中，水平井条件或斜井条件下，如果井眼方向偏离最小水平主应力方向，当临界剪切破裂应力小于临界张性破裂应力的90％时，地层剪切破裂不可忽略，破裂以剪切破裂为主，此时确定射孔方位为剪切破裂面方向。当井眼方向顺时针偏离最小水平主应力方向β角时，射孔方向偏离最小水平主应力方向θ+β角；当井眼方向逆时针偏离最小水平主应力方向β角时，射孔方向偏离最小水平主应力方向θ-β角。
如图7所示，701为水平井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。井眼方向a逆时针偏离σ3方向β角，b方向偏离σ3方向θ-β角。
如图8所示，801为水平井，σ1为最大水平主应力方向，σ3为最小水平主应力方向，虚线b所示为射孔方向。井眼方向a顺时针偏离σ3方向β角，b方向偏离σ3方向θ+β角。
本发明设计一种确定射孔方位的技术，该技术通过分析地层应力分布、地层破裂类型及其数值关系，确定地层射孔方向。本发明利用测井资料建立了张性破裂和剪切破裂模型，利用泥质含量来预测地层内摩擦角和摩擦系数，建立地层剪切破裂和张性破裂模型后，再次确定地层射孔方向，该发明有利于地层射孔开采油气层，优化压裂施工参数，降低地层的勘探开发成本，提高地层的开发效率。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种确定地层射孔方向的方法，其特征在于，所述方法包括：
计算地层临界张性破裂应力；
计算地层临界剪切破裂应力；
比较所述临界张性破裂应力以及所述临界剪切破裂应力，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算地层临界张性破裂应力，包括：
确定地层的综合断裂韧度；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及孔隙压力；
根据所述综合断裂韧度、所述地层最大水平主应力、所述最小水平主应力以及所述孔隙压力建立地层张性破裂模型；
根据所述地层张性破裂模型计算所述临界张性破裂应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定地层的综合断裂韧度，包括：
获取地层矿物组成以及含量数据；
获取不同矿物的断裂韧性数据；
基于所述断裂韧性数据，根据地层矿物组成以及含量数据计算获取所述综合断裂韧度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算地层临界剪切破裂应力，包括：
获取地层的内摩擦角和摩擦系数；
获取地层最大水平主应力、最小水平主应力以及地层聚合强度；
根据所述内摩擦角和摩擦系数、所述最大水平主应力、所述最小水平地应力以及所述地层聚合强度建立地层剪切破裂模型；
根据所述地层剪切破裂模型计算所述临界剪切破裂应力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定获取地层的内摩擦角和摩擦系数，包括：
根据测井资料中的自然伽马或伽马能谱确定泥质含量；
利用泥质含量计算出地层的内摩擦角。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，根据地层张性破裂和剪切破裂的关系确定射孔方向，其中：
当地层以张性破裂为主时，射孔方向为张性破裂面方向；
当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定地层张性破裂和剪切破裂的关系，其中：
当所述临界张性破裂应力小于所述临界剪切破裂应力的90％时，地层以张性破裂为主；
当所述临界剪切破裂应力小于所述临界张性破裂应力的90％时，地层以剪切破裂为主；
当所述临界张性破裂应力大于所述临界剪切破裂应力的90％，且小于所述临界剪切破裂应力的110％时，地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当地层以张性破裂为主时，射孔方向为张性破裂面方向，其中，射孔方向为最大水平主应力方向。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当地层以剪切破裂为主，或地层中张性破裂与剪切破裂无主次之分时，射孔方向为剪切破裂面方向，其中，根据地层岩石的内摩察角确定剪切破裂面的方位角。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，射孔方向为剪切破裂面方向，
为内摩擦角，其中：
当井眼方向与最小水平主应力地应力方向一致时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向顺时针偏离最小水平主应力地应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
当井眼方向逆时针偏离最小水平主应力地应力方向夹角为β时，射孔方向与井眼方向夹角为
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