CN111289368A - 基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，包括以下步骤：步骤10、为获得可压裂性评价因子提供参数准备；步骤20、基于水力压裂物理过程的能量守恒来获取可压裂性指数；步骤30、利用步骤20中的可压裂性指数对储层可压裂性的垂向变化进行评估，筛选出压裂方案中有利的目标层段，并建立断裂韧性的地质模型；步骤40、根据动静态参数转换获得储层的静态力学参数的空间分布，同时利用建立的断裂韧性地质模型来获取储层可压裂性指数的地球物理展布。本发明的有益效果是，本发明能够改进当前国内外关于非常规储层可压裂性评价主要基于岩石脆性指数的评价体系。

Description

基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法
技术领域
本发明涉及基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法。
背景技术
目前非常规储层可压裂性评价主要基于力学参数(杨氏模量和泊松比)和矿物含量经验公式的脆性指数(Jarvie et al.,2007；Rickman et al.,2008；Wang and Gale,2009)。学术界和工业界对可压裂性与岩石强度、脆性、非均质性、应力状态的关系仍然模糊不清。脆性是指岩石在破裂前发生很小的塑变能力，破裂前岩石吸收的能量较少，破裂时尽量以弹性能的形式释放出来。但目前的脆性指数主要是基于脆性矿物含量和力学参数(杨氏模量和泊松比)的经验公式，其与岩石破裂能力的物理关系仍然模糊不清。这样，用脆性指数表征岩石可压裂性的有效性也存在疑问。更重要的是，非常规储层的有效开发是希望生成破裂面积大的复杂裂缝网络，用于提高水力压裂效率和提高油气产量。而现有的可压裂性评价主要从岩石本身力学性质出发，忽略了对裂缝传播过程和压裂效果的评价。
发明内容
本发明提供了一种基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，以达到改进当前可压裂性评价主要基于岩石脆性指数评价体系的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，包括以下步骤：步骤10、为获得可压裂性评价因子提供参数准备；步骤20、基于水力压裂物理过程的能量守恒来获取可压裂性指数；步骤30、利用步骤20中的可压裂性指数对储层可压裂性的垂向变化进行评估，筛选出压裂方案中有利的目标层段，并建立断裂韧性的地质模型；步骤40、根据动静态参数转换获得储层的静态力学参数的空间分布，同时利用建立的断裂韧性地质模型来获取储层可压裂性指数的地球物理展布。
进一步地，步骤10包括步骤11：根据测井数据或实验室岩芯，测试得到储层目标层段的弹性模量。
进一步地，步骤10还包括步骤12：根据断裂力学实验得到表征储层目标层段阻止裂纹失稳扩展能力的参数断裂韧性。
进一步地，步骤10还包括步骤13：根据水力压裂的施工参数获得到计算可压裂性指数所需要的注水速率和压裂液粘滞度。
进一步地，步骤20包括：在水力压裂过程中，建立外界注入能量、主要用于岩石破裂所需要的裂缝生成能和裂缝传播过程中对周围介质做功之间的关系
Figure BDA0001894402110000021
其中，E0为有效注入能量，P0为井底随时间和空间变化的压力，ds为单位表面积、dV为单位体积，γ为单位面积的裂纹生成能，Ai FR为第i个破裂面所对应的裂纹生成面积。
进一步地，步骤20中：单位面积的裂纹生成能为
Figure BDA0001894402110000022
其中，E为地层的杨氏模量，υ为地层的泊松比，KIC为断裂韧性。
进一步地，步骤20中：裂缝传播过程中对周围介质做功为
Figure BDA0001894402110000023
其中，G为地层的剪切模量，μ为压裂过程中注入流体粘滞系数，Q为注水速率。
进一步地，步骤20中：表征有效裂纹破裂面积的可压裂性指数为
Figure BDA0001894402110000024
其中，KI为地层的断裂韧性。
本发明的有益效果是，本发明实施例首次从压裂效果的最大破裂面出发，以压裂物理过程能量守恒为基础，将多孔介质岩石物理、断裂力学、压裂过程相结合，提出非常规储层可压裂性评价的新模型。这将一定程度上改进当前国内外关于非常规储层可压裂性评价主要基于岩石脆性指数的评价体系。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的流程结构示意图；
图2为是水力压裂过程中主要能量分配关系图；
图3为可压裂性指数与平面应变杨氏模量的映射关系；
图4为利用本发明实施例对美国马塞卢斯页岩气的产量与杨氏模量关系示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，包括以下步骤：
步骤10、为获得可压裂性评价因子提供参数准备；
步骤20、基于水力压裂物理过程的能量守恒来获取可压裂性指数；
步骤30、利用步骤20中的可压裂性指数对储层可压裂性的垂向变化进行评估，筛选出压裂方案中有利的目标层段，并建立断裂韧性的地质模型；
步骤40、根据动静态参数转换获得储层的静态力学参数的空间分布，同时利用建立的断裂韧性地质模型来获取储层可压裂性指数的地球物理展布。
本发明实施例首次从压裂效果的最大破裂面出发，以压裂物理过程能量守恒为基础，将多孔介质岩石物理、断裂力学、压裂过程相结合，提出非常规储层可压裂性评价的新模型。这将一定程度上改进当前国内外关于非常规储层可压裂性评价主要基于岩石脆性指数的评价体系。
具体地，步骤10包括：
步骤11、根据测井数据或实验室岩芯，测试得到储层目标层段的弹性模量(比如杨氏模量和泊松比)。
步骤12、根据断裂力学实验得到表征储层目标层段阻止裂纹失稳扩展能力的参数断裂韧性(比如按照ISRM1995年建议方法通过金刚石刀片切割制作人字形切槽巴西圆盘试样的方法)。
步骤13、根据水力压裂的施工参数获得到计算可压裂性指数所需要的注水速率和压裂液粘滞度。
进一步地，通过基于水力压裂物理过程的能量守恒来计算非常规储层可压裂性指数。在水力压裂过程中，外界注入能量可以看成主要用于岩石破裂所需要的裂缝生成能和裂缝传播过程中对周围介质做功。步骤20包括：在水力压裂过程中，建立外界注入能量、主要用于岩石破裂所需要的裂缝生成能和裂缝传播过程中对周围介质做功之间的关系
Figure BDA0001894402110000041
其中，E0为有效注入能量(单位为J)，P0为井底随时间和空间变化的压力(单位为Pa)，ds和dV为单位表面积和单位体积，γ为单位面积的裂纹生成能。Ai FR为第i个破裂面所对应的裂纹生成面积，i＝(1、2至N)代表的是压裂过程中的第i个破裂面。
上述单位面积的裂纹生成能为
Figure BDA0001894402110000042
根据水力压裂中常用的KGD模型，裂缝传播过程中克服周围介质做功可以表达成如下形式：
Figure BDA0001894402110000043
综合上述公式，表征有效裂纹破裂面积的可压裂性指数为
Figure BDA0001894402110000044
其中，E为地层的杨氏模量(单位为GPa)，υ为地层的泊松比(无量纲)，KI为地层的断裂韧性(单位为MPa·m1/2)，G为地层的剪切模量(单位为GPa)，μ为压裂过程中注入流体粘滞系数(单位为cP)，Q为注水速率(单位为m2/s)，Pnet是指压裂物理过程中井底的净压力，单位为Pa,代表的是压裂物理过程中的裂缝张开宽度，KIC指的是断裂韧性，单位为
Figure BDA0001894402110000045
本发明实施例是根据测井数据、岩芯测试数据、断裂实验数据以及水力压裂工程参数开展非常规储层可压裂性评价的方法。根据测井数据或实验室岩芯测试可以得到非常规储层目标层段的弹性模量，比如杨氏模量、剪切模量和泊松比；根据断裂力学实验，比如按照ISRM1995年建议方法通过金刚石刀片切割制作人字形切槽巴西圆盘试样(CCNBD)，这样可以得到表征目标层段阻止裂纹失稳扩展能力的参数断裂韧性；根据水力压裂的施工参数可以得到计算可压裂性指数所需要的注水速率和压裂液粘滞度。然后运用步骤20提出的可压裂性评价模型来计算可压裂性指数，并定量表征其与多孔岩石物理参数、断裂韧性以及工程参数的关系。接下来可以将可压裂性评价新模型应用到测井数据，来定量刻画非常规储层可压裂性的纵向变化。也可以将新发明的评价模型运用到叠前地震数据弹性参数反演结果，结合断裂韧性模型来描述非常规储层可压裂性的空间展布。最后，利用压裂效果驱动的可压裂性指数评价结果来指导水平钻井和压裂方案的优化。
图2是步骤20中关于水力压裂物理过程能量守恒关系，也是该发明的物理基础。可以看到，水力压裂物理过程中注入的有效能量E0主要用于产生新的裂纹E2、裂缝再传播过程中对周围介质做功E3，以及能量损耗E1。能量损耗E1包括但不限于摩擦损耗、微地震能量损耗、流体损耗。正是基于这样的能量分配关系推导出了表征裂纹总破裂有效面积的非常规储层可压裂性指数。
本发明实施例中，杨氏模量对可压裂性指数的影响最为显著，断裂韧性次之，泊松比对可压裂性指数的影响并不很明显。同时，当杨氏模量较小时，断裂韧性的影响更为明显。这在一定程度上和实际生产中的情况相符合。杨氏模量一旦超过影响非常规储层支撑剂嵌入的临界值，杨氏模量并不是越大越好。相反，杨氏模量越小，岩石吸收的能量越少，那么更多的有效能量可以用来产生新的破裂面，从而获得更好的压裂效果。如图3所示，该图中横轴为平面应变，纵轴为可压裂性指数。在该图中平面应变杨氏模量
Figure BDA0001894402110000051
在很大程度上控制着新提出的可压裂性指数，这与传统的脆性指数公式中(Rickman et al.,2008)将杨氏模量和泊松比的影响割裂看待有明显差异。
本发明实施例利用可压裂性评价模型对某海相页岩气储层的可压裂性进行定量评估，并与传统的基于杨氏模量和泊松比的脆性指数(Rickman et al.,2008)进行对比。对比结果可以看到传统的脆性指数公式显示页岩气储层上段的浊积砂具有很好的可压裂性，但事实上该浊积砂地层充当的是水力压裂的应力遮挡层，而并非是可压裂性较好的地层。而利用新发明的可压裂性指数则可以清晰看到页岩气储层的III段和I段具有较好的可压裂性。实际生产结果也显示，这两段是该页岩气储层的主产层。这也一定程度上证明了新发明的可压裂性评价模型比传统的脆性指数更能指示水力压裂效果较好和油气产量较高的地层。
图4是应用本发明实施例来解释美国马塞卢斯(Marcellus)页岩气储层的产量与杨氏模量的关系。图4横轴为杨氏模量，纵轴为Marcellus页岩气储层的产量。可以看到，基于压裂效果驱动的可压裂性指数能够有效刻画出Marcellus页岩气储层产量与杨氏模量的关系。也就是杨氏模量并不是越大对压裂效果越好，而是只要杨氏模量不小于影响支撑剂嵌入的临界值，杨氏模量越小反而越有利于更多的有效能量产生新的破裂面，从而一定程度上与非常规储层油气产量呈正相关的关系。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：当前的绝大多数可压裂性评价模型(如岩石强度、脆性、非均质性、应力各向异性)都是基于岩石本身的物理或力学性质，而并非从水力压裂的效果出发。本发明将岩石的破裂和裂纹的传播两个物理过程统一在一个理论框架下，推导了物理意义明确的裂纹总破裂面积公式，从而可以将新提出的可压裂性评价模型与非常规储层压裂效果或油气产量建立起一定联系。
当前的脆性指数或可压裂性评价模型大多数都基于力学参数或矿物含量的经验公式。本发明有较为坚实的物理基础，从水力压裂物理过程的能量守恒出发，首次系统阐述了水力压裂过程的能量分配关系，并明确裂纹生成能和裂纹扩张做功对裂纹总破裂面积的影响机理。
非常规储层可压裂性评价一个较为复杂的问题，需要多学科交叉评价。本发明将多孔岩石物理、断裂力学、水力压裂物理过程三者有机的结合在一起，并定量表征了可压裂性指数与岩石物理参数、断裂力学参数、水力压裂工程参数的关系，较为全面的考虑了非常规储层可压裂性评价的各种影响因素。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (8)

1.一种基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10、为获得可压裂性评价因子提供参数准备；
步骤20、基于水力压裂物理过程的能量守恒来获取可压裂性指数；
步骤30、利用所述步骤20中的所述可压裂性指数对储层可压裂性的垂向变化进行评估，筛选出压裂方案中有利的目标层段，并建立断裂韧性的地质模型；
步骤40、根据动静态参数转换获得储层的静态力学参数的空间分布，同时利用建立的所述断裂韧性地质模型来获取储层可压裂性指数的地球物理展布。
2.根据权利要求1所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤10包括步骤11：根据测井数据或实验室岩芯，测试得到所述储层目标层段的弹性模量。
3.根据权利要求2所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤10还包括步骤12：根据断裂力学实验得到表征所述储层目标层段阻止裂纹失稳扩展能力的参数断裂韧性。
4.根据权利要求3所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤10还包括步骤13：根据水力压裂的施工参数获得到计算可压裂性指数所需要的注水速率和压裂液粘滞度。
5.根据权利要求4所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤20包括：在水力压裂过程中，建立外界注入能量、主要用于岩石破裂所需要的裂缝生成能和裂缝传播过程中对周围介质做功之间的关系
Figure FDA0001894402100000011
其中，E0为有效注入能量，P0为井底随时间和空间变化的压力，ds为单位表面积、dV为单位体积，γ为单位面积的裂纹生成能，Ai FR为第i个破裂面所对应的裂纹生成面积。
6.根据权利要求5所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤20中：所述单位面积的裂纹生成能为
Figure FDA0001894402100000012
其中，E为地层的杨氏模量，υ为地层的泊松比，KIC为断裂韧性。
7.根据权利要求6所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤20中：所述裂缝传播过程中对周围介质做功为
Figure FDA0001894402100000021
其中，G为地层的剪切模量，μ为压裂过程中注入流体粘滞系数，Q为注水速率。
8.根据权利要求6所述的基于水力压裂物理过程能量守恒来评价可压裂性的方法，其特征在于，所述步骤20中：表征有效裂纹破裂面积的可压裂性指数为
Figure FDA0001894402100000022
其中，KI为地层的断裂韧性。
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