CN111350486B - 基于周向应力的开发井的布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于周向应力的开发井的布置方法，属于油气开采与安全技术领域。本发明通过理论解析解的推导和有限元数值模拟，阐明了地壳可以看作球壳，在板块自重下相互挤压，会在圆周方向(或环向)上产生很强的应力‑周向应力，它大于重力，在油气开采时若布置不当则该应力会释放并产生地震。基于此，提供一种基于周向应力的开发井的布置方法，考虑了周向应力对水平井段的影响。通过使压裂带的长轴方向与周向应力的方向基本垂直，在相邻的压裂带之间预留防震保护带，降低了诱发地震的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采与安全技术领域，特别涉及一种基于周向应力的开发井的布置方法。
背景技术
页岩气是指从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。
页岩气开采一般是利用水力压裂技术，一般是要先向地下几千米钻进直井，再向水平方向钻进1～4公里，并将大量掺入化学物质的以高压水流注入页岩层进行液压碎裂，人为造成缝隙、“撬开”岩层，从而让石油或天然气顺着井筒流到井口搜集起来。也正因如此，不当的页岩气开发方式极易诱发地震。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于周向应力的开发井的布置方法，旨在提供一种基于周向应力的开发井合理布置方式，降低页岩气开采诱发地震的可能性。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于周向应力的开发井的布置方法，包括如下步骤：
获取油田区域的水平主压应力，即周向应力的方向。
根据周向应力的方向布置压裂带，其中，压裂带由多口井连续压裂形成破碎带，周向应力的方向与压裂带的长轴方向基本垂直。
在相邻的压裂带之间预留防震保护带。
在一种具体的实施方案中，周向应力的方向与压裂带的长轴方向之间的夹角为80～100°。
在一种具体的实施方案中，相邻压裂带之间的间距8～10km，且位于相邻压裂带之间的防震保护带宽度为1.5～2km。
在一种具体的实施方案中，对一个地区垂向上有多层处于不同深度的页岩气需要开采时，若连续破碎厚度大于400m时，则压裂带宽度需减小，小于4km。
在一种具体的实施方案中，压裂带包括多个间隔设置的开发井，其中，开发井在预设深度开设多个水平井，相邻的水平井段之间相距为300～500米。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过理论解析解的推导和有限元数值模拟，阐明了地壳作为球壳在自重下相互挤压，会在圆周方向产生很强的应力-周向应力，设计好的压裂方式可以避免该应力释放，避免引起诱发地震。基于此，提供一种基于周向应力的开发井的布置方法，考虑了周向应力对水平井段的影响。通过使压裂带的长轴方向与周向应力的方向基本垂直，在相邻的压裂带之间预留防震保护带，降低了诱发地震的可能性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的地应力实测曲线；
图2是本发明实施例提供的地应力的直角坐标系和球坐标系分析对比图；
图3是本发明实施提供的深部地壳塑性应力状态；
图4是本发明实施例提供的防震保护带与压裂带的关系平面图；
图5是本发明实施例提供的某地区实际井位部署平面图；
图6是本发明实施例提供的单井水平井丛布置平面图；
图7是本发明实施例提供的两口井的水平井丛布置平面图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例
目前我国进行了大规模的页岩气开发，而页岩气开发的地区，却地震频发，于是很多学者进行了深入研究，认为压裂工艺会诱发地震。但实际大量观察发现，在地震发生时，油田公司并未进行压裂工作。如2019年12月18日08时14分在四川内江市资中县(北纬29.59度，东经104.82度)发生5.2级地震，震源深度14千米，从时间上看，油田施工还未开始进行，从震源深度看，压裂只要4km深处，和实际震源深度14km又不匹配。
在此，为了从根本上解释本申请提供的基于周向应力的开发井的布置方法。下面就周向应力与地震之间的联系予以说明。
在地球动力学方面，有一些根本的问题尚未解决：地壳运动的动力是什么，地壳为什么存在较大的水平应力，和这个动力是什么关系。 Science杂志成立125周年庆典时，列出了当代未解决的125个科学问题，其中第10项“地球内部到底是如何运转的？”中指出，板块构造革命影响如此之深，在许多方面获得了丰富的信息，但对于驱动力却一无所知。
目前有很多地壳运动驱动力来源的假说，但应力来源多数是停留在无法验证的假说阶段。
地应力的特征早已为人所熟知，最明显的特征是，σHMax>σv>σhmin，并认为水平最大主应力σHMax是构造作用力或构造力。最早N.Hast (1958)认为水平应力-区域主压应力普遍存在；李四光(1973)认为，地下应力起主导作用的是水平构造力而并不是垂向的重力，地下水平截面上的压应力小于斜截面和侧截面上的压应力，水平的构造应力才是主导的，至少在地应力可测出的深度内这是普遍现象。德国KTB科学钻探全井段均出现了最大水平主压应力大于垂直应力。
越来越多的地应力测量支持这一现象。谢富仁(2003)说明了这个构造超压的性质，全球存在大尺度的区域主压应力，大陆板块内部的扩张区(正断裂或正走滑断裂)大多位于异常高海拔地区,例如美国西部的盆地山脉、东非裂谷、贝加尔裂谷、青藏高原和安第斯山脉。李新平(2012)搜集我国大陆地区600多组深部岩体地应力实测资料，绘制出我国大陆地区埋深大于500m的实测垂直主应力、最大水平主应力随埋深分布图，如图1所示。其中，垂直主应力σv在4km处为85Mpa，压力梯度为21.25Mpa/km，小于静岩压力梯度27Mpa，说明重力已部分转化成了水平应力来支撑，岩石圈并不处于自由状态；最大水平主应力σH在5km处居然高达到165MPa，梯度为33MPa/km，远大于垂直应力和静岩压力。
如何解释地应力这个特征？针对此问题，国家科技部、国家自然科学基金委、国家计委于2000年组织专家进行了地壳异常压力的学术研讨会，专门对这个异常压力进行专家会诊，并形成了会议纪要，其主要结论是，除重力之外，构造力、瞬时压力、结晶力、变质作用、岩石相变等都会产生局部巨大的异常压力。如吕古贤认为是构造力、变质作用力、相变力；刘瑞珣认为存在一个独立的构造力；王方正认为可能是相变等。虽然有些争议，但有三点达成了共识：1)地壳异常压力就是构造力；2)构造力独立于重力；3)这个力能驱动地壳运动。
至今对这些观点没有任何争议，无论是大构造还是小构造，构造力、碰撞力概念被广为接收，并用在各种场合，如构造力可以影响俯冲和折返，还能和重力叠加并影响成矿；印度因碰撞力和欧亚板块可以陆陆碰撞；青藏高原岩石圈运动的主要动力源为印度板块对欧亚板块的碰撞力和与重力势能变化引起的偏应力。
对此，发明人分析了构造力、碰撞力独立于重力的这个认识，找到了其问题的症结在于，其分析中隐含了一个条件，是在直角坐标系下条件下来分析地应力特征的。因地球半径较大，就一个小范围内，将岩石圈展平，用直角坐标来分析地应力，这样“误差”表面上看不大，如图2(a)所示，将地壳表面截取2小块来做分析，很显然，两个块体的重力矢量S2被“近似”指向垂直向下，相互平行，这样S2与侧面的约束力S1的确不相关的，这时两个物体之间不会产生相互作用力，若内部处于挤压状态，侧面必须要一个“地壳异常压力”在侧面施加作用力；若是按球壳来看待，则完全不同了，如图2(b)所示，两块体重力矢量指向同一点，即地心，矢量箭头不平行，有一个夹角，相互靠近，造成一种假背斜、或拱桥的形态，即使两块体处于完全水平的基底上，重力S2与侧向力S1是相关的。为了突出这种效果，将两个块体置于球坐标系下，如图2(c)所示，向下的重力S2会由于两侧的挤压力，有一种“支撑”作用，使实际块体对底部G的压力不是其重力，而要比重力小一些，变成S2’，而两侧的挤压力，S1则由于承担了部分重力，而变大，成为S1’。下面就基于球坐标系来分析地球内部的地应力理论值和数值模拟数值，以寻找这种水平方向的地壳异常压力的真相。
最早铁摩辛柯(1951)将地球假设成一个均质固体球，受温度的影响而产生的弹性位移和应力的理论计算公式(Timoshenko,1951)。
钱伟长(1956)将地球视为均匀球体，并考虑了引力的情况下解出地球内部应力解析解表达式。
但模型仍不完善。McCutchen(1982)首次引入了重力，并将地壳作为充满不可压缩的液态固体球壳，基于理想固体地球来进行推导，并解释了水平应力大于垂直应力的现象。以下面公式
经变换得到：
最终得到径向应力，即垂直应力和水平应力，即水平应力公式如下：
σr＝ρgR/4(-4(1-β)x+(3-4β)A-4βB/x3)
σθ＝ρgR/4(-2(2-3β)x+(3-4β)A+2βB/x3)
由于将地壳当球壳看待，这个水平应力的称呼已不适用了，于是将这个水平应力σθ称为环向应力或周向应力，而垂直应力σr可称为径向应力，是指向地心的。王连捷(1991)考虑了地球深部软流圈的塑性特性，得出了更准确的应力场特征，如图3所示，为垂直应力和周向应力随深度的变化曲线，它与目前的地应力实测结果比较接近。(图3中，曲线1-平均水平应力，据哈斯特曲线外延，曲线2-塑性变形后的水平应力，曲线3-塑性变形后的铅直应力，曲线4-按钱伟长的弹性解计算的铅直应力)。
从图3中看出，水平应力即周向应力(曲线2)大于径向应力(曲线3)。在 17Km处，径向应力仅为452MPa，而周向应力达到775MPa。前述根据实测水平应力的梯度向下外推17km估计周向应力约为561Mpa，和这个理论计算数值基本一致，说明了这个理论近似的正确性。若再外推至地壳最大深度60-80km处，周向应力应能超过2000MPa。
上述计算表明：水平方向的地应力性质为挤压应力；地壳周向应力大于径向应力，径向应力小于上覆岩层重量。前人所指的“构造力”、“碰撞力”，其实就是周向应力，它依赖于重力，是重力派生的，不能将重力和“构造力”分家；周向应力不是地壳的异常压力，而是正常的地应力。其数量级如图3 所示，在20km处垂直应力σr为530MPa；水平应力σθ为907MPa。
为验证上述理论模型，我们将地球截一段扇形来进行有限元数值模拟，模型为一个扇形，角度为10°，如下表所示，用各向同性的线弹性体作为模型来计算力的分布，可以看出，在浅部明显水平应力存在优势，说明了这种“支撑”作用，这是因为岩层有一定剪切模量。
表1应力模拟参数
表2不同深度周向应力和垂直应力的关系表
本发明人通过理论解析解的推导、有限元数值模拟及实际地应力资料的综合分析，阐明了地壳作为球壳在自重下相互挤压，会在圆周方向产生很强的应力-周向应力。这个应力可以在岩石圈薄弱带释放，从而产生相对运动。
研究发现，油田在进行压裂作业时，其实是在进行人造断层，即产生薄弱带。每次压裂时，会产生半径为50～200米的裂缝带，对一口井而言，其水平井段长度为2～4km，则会形成一个长2～4km、半径50-200米接近于水平放置的圆柱体区域的破裂带。这时，仅这一口井，前述地应力不会释放而产生作用，即不会产生地震，而只有在施工时会产生岩石破裂的、人几乎察觉不到的微地震，精密仪器可以接收到，不产生有感地震。而油田在勘探时，若认定某一套地层有页岩气，这套页岩层面积可能很大，油田会将整个地区的这套地层压碎，面积小的长宽可以10*5km2，面积大的可以达到10*100km2，在这样一个大面积的地区，按此方式进行多口井的压裂，则这个人造断裂带，就会有一定规模，长度和宽度大。目前的页岩气压裂工作是无节制的开发，全工区“无差别”地压裂，有时称为“面积压裂”，类似于地毯式轰炸。这可以和农村的刨地类比，刨地时需将所有板结的土刨松；页岩气开采则是连续地将矿权区内所有含气的页岩层压碎。
在开采前，页岩层承载了周向应力，但岩层被压碎后，则可能产生有感地震。目前我国规模开采页岩气，但有的地区地震，如荣县、松源、威远等地，而有的地区不地震，如涪陵、川西坳陷，发明人有一个独特的发现，原来不地震的地区，是因为其页岩气分布为长条型，宽度小于10公里，若压裂后的人造破碎带也就小于10公里；而易出现诱发地震的地区，页岩气分布宽度较大。也就是说，如果我们在一个地区进行页岩气开采时，将压裂宽度限制在10公里以内，中间留1-2公里的地区不进行压裂，则这个地区就不易产生诱发地震。于是，本发明基于此规律，提出一个多井压裂开发的布置方式。
本发明旨在指导油田，如何布置水平井的轨迹，进行多井压裂，从而避免有感地震的发生。
基于上述内容，本发明提供了一种基于周向应力的开发井的布置方法，包括如下步骤：
步骤101，获取油田区域的水平主压应力，即周向应力方向。
步骤102，根据周向应力的方向布置压裂带，其中，压裂带由多井连续压裂形成且周向应力的方向与压裂带的长轴方向基本垂直。请参阅图4，在图4中，压裂带的长轴方向Y与周向应力F的方向垂直。
在这里，需要说明的是，周向应力的方向与压裂带的长轴方向基本垂直是指周向应力的方向与压裂带的长轴方向之间的夹角为 80～100°。在实际生产活动中，需要结合场地的地质环境、水源等实际情况进行布井设计。在满足其他要求的条件下，压裂带的长轴方向也可以作合理调整。
请参阅图5，对于只有一层页岩气，即单层页岩气的压裂，防震保护带B宽度为1.5～2km，压裂宽度C为8～10km，也就是说，相邻压裂带之间的间距8～10km，且位于相邻压裂带之间的防震保护带宽度为1.5～2km。对一个地区垂向上有多层处于不同深度的页岩气需要开采时，若连续破碎厚度大于400米(包含400米)时，则压裂宽度 C应小于4km。
步骤103，在相邻的压裂带之间预留防震保护带。其中，在防震保护带内，不允许压裂。
请继续参阅图5，在一种具体的实施方案中，周向应力方向为北东南西向，各压裂带C之间，最多10km，中间必须留有1.5～2km的防震保护带B。如果破碎厚度大，可以减少压裂带C的宽度和增加防震保护带B的宽度。
在具体设置时，压裂带包括多个间隔设置的开发井，其中，开发井在预设深度开设多个水平井，相邻的水平井段之间相距为300～500 米。示例性地，相邻水平井段之间相距为400米。
请参阅图6，为一口钻井(也就是一口开发井)的井轨迹分布图，在深部采用井丛形式，即在地面上打一口井W到一定深度后(图6中的圆圈所示)，然后向几个方向打水平井H，图6中有6条水平轨迹，分别是H1，H2，H3，H4，H5，H6。图6中实线线条为这些水平井段在地面上的投影位置。每条水平井段再经过多段压裂，10～20段进行分段压裂，将这个井段的地层垂向上及水平方向压碎，形成以水平井段为中心，半径约80～200米宽的裂缝，并通过支撑剂让裂缝张开，整条水平井段长约1～4km的地层处于破碎状态，两条相邻的水平井段，如H1与H2之间相距约400米，使两条水平井段所压的裂缝正好连接在一起，以提高采收率。图6所示，虚线所包的范围内，长约 3.7km，宽约1km，目的地层厚度约200～400米的范围均被压碎。
对第二口井丛的布置，其距离也要求保证地下的裂缝能接上，如图7所示，为两口井的布置。两口井w1,w2相距较近，压裂带为是虚线范围，这就是所谓的“地毯式轰炸”，如果一、二口井用这种方法压裂、采气，不会产生有感地震。由于周向应力的作用，会导致在某些条件下产生地震。
本发明通过理论解析解的推导和有限元数值模拟，阐明了地壳作为球壳在自重下相互挤压，会在圆周方向产生很强的应力-周向应力。基于此，提供一种基于周向应力的开发井的布置方法，考虑了周向应力对水平井段的影响。通过使压裂带的长轴方向与周向应力的方向基本垂直，在相邻的压裂带之间预留防震保护带，降低了诱发地震的可能性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于周向应力的开发井的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取油田区域的水平主压应力，即周向应力的方向；
根据周向应力的方向布置压裂带，其中，压裂带由多井连续压裂形成破碎带，周向应力的方向与压裂带的长轴方向基本垂直；
在相邻的压裂带之间预留防震保护带；
周向应力的方向与压裂带的长轴方向之间的夹角为80～100°；
相邻压裂带之间的间距8～10km，且位于相邻压裂带之间的防震保护带宽度为1.5～2km；
对一个地区垂向上有多层处于不同深度的页岩气需要开采时，若连续破碎厚度大于400m时，则压裂带宽度小于4～5km；
压裂带包括多个间隔设置的开发井，其中，开发井在预设深度开设多个水平井，相邻的水平井段之间相距为300～500米。
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