CN111950209B - 一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，建立裂缝破裂单元转向角度计算模型和缝尖端破裂长度增量计算模型，利用水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹函数以及前述两个计算模型，计算得到能够使裂缝破裂尖端落到水力裂缝的预设轨迹上的缝内流体压力；对预设轨迹进行迹离散化处理，依次对每段裂缝对应的缝内流体压力进行求解，得到控制裂缝沿预设轨迹逐段扩展时的缝内压力逐步加载情况，通过得到的缝内压力进行压裂，使裂缝沿预设轨迹延伸。本发明能够在复杂地应力条件下可精细控制水力压裂裂缝延伸轨迹，对指导油气田水力压裂施工设计，提高油气田单井产量和最终采收率具有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于油气田开发水力压裂技术领域，具体涉及一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法。
背景技术
水力压裂的核心思想是通过向储层中注入高压流体，在地层中压出一条长水力裂缝。使得储层中油气向井筒中的渗流方式由径向流变为线性流，提高油气渗流能力，最终达到提高油气井产能的目的。近年来，随着我国科学技术发展，水力压裂技术在油气田开发中取得重大突破。
然而我国油气地质条件复杂，储层中往往存在高含水区、油气匮乏区、断层和大裂缝发育区。当水力裂缝遭遇这些区域后，会导致压裂液严重漏失，以及后期开采过程中油井大量出水、油气采收率低等问题。对水力裂缝轨迹进行控制，使水力裂缝在延伸过程中不但可以避免遭遇上述区域，又可以将多个油气富集区连通起来，对提高油气井压裂效果和采收率都至关重要。
现有的水力裂缝控制技术主要是针对水力裂缝高度和转向的。如：1、控缝高技术，通过控制注入排量和转向支撑剂达到对裂缝高度的控制，该技术只是针对裂缝穿层及延伸高度的，并不能用来控制裂缝平面延伸轨迹；2、转向压裂技术，通过向水力裂缝中注入暂堵剂，憋压使水力裂缝内压力迅速升高而造出新的裂缝，达到堵老缝，造新缝的目的，该技术通常可用来控制水力裂缝发生转向，但对偏转方向及转向后的延伸轨迹并不可控。3、水力裂缝分段多簇压裂、同步压裂、拉链式压裂等压裂方式，目前大量数值模拟结果表明缝间干扰会影响裂缝延伸轨迹，但只限于对均质储层裂缝延伸轨迹大致方向的判断，尤其是当地层中存在异常应力区域时，也只能通过对地应力的计算模拟裂缝的延伸路径，却不能反过来控制裂缝路径。由于储层中地应力分布极不均匀，同时在水力裂缝扩展时在天然裂缝周围亦有异常应力产生，迄今为止，还没有可用于在复杂地质条件下水力压裂裂缝轨迹控制的方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种水力压裂时裂缝延伸轨迹的控制方法，本发明能够在地应力作用下精细控制水力压裂裂缝延伸轨迹。对指导油气田水力压裂施工设计，提高油气田单井产量和最终采收率具有重要作用。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，包括以下步骤：
S1，建立裂缝破裂单元转向角度计算模型，
所述裂缝破裂单元转向角度计算模型为：
其中，Pf为缝内压力，PH为每段裂缝处最大水平主应力，Ph为每段裂缝处最小水平主应力，β为裂缝与最大主应力方向之间夹角，θ为裂缝偏转角度；
S2，建立缝尖端破裂长度增量计算模型，所述缝尖端破裂长度增量计算模型为：
其中，δa为裂缝尖端扩展长度，a为储层中存在的原始裂缝长度，GI为裂缝拉张破坏时的能量释放率，GII为裂缝剪切破坏时的能量释放率，为动态裂缝扩展阻力；
S3，利用水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹函数、所述裂缝破裂单元转向角度计算模型以及缝尖端破裂长度增量计算模型，计算得到能够使裂缝破裂尖端落到水力裂缝的预设轨迹上的缝内流体压力；对水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹进行迹离散化处理，依次对每段裂缝对应的缝内流体压力进行求解，得到控制裂缝沿预设轨迹逐段扩展时的缝内压力逐步加载情况，通过得到的缝内压力进行压裂，使裂缝沿预设轨迹延伸。
优选的，S1中，建立裂缝破裂单元转向角度计算模型的过程如下：
确定假设条件：岩石骨架的变形为线弹性微变形，遵从Terzaghi有效应力原理；裂缝缝高不变，裂缝为二维平面扩展；储层平面内温度不变且不考虑重力影响；储层厚度均匀；所有裂缝破裂单元均为直裂缝；储层各点地应力及岩石力学性质已知；
建立裂缝尖端受力的物理模型：物理模型中裂缝分段扩展，对每段裂缝建立动态受力坐标系，其中X-Y坐标系与地应力方向相对应，沿射孔方向建立m-n坐标系；
基于断裂力学相关理论在X-Y坐标系下得到裂缝尖端受力的极坐标表达式，利用最大周向应力理论对极坐标表达式求导得到应力强度因子和转向角度之间的关系式，利用弹性力学理论在m-n坐标系下求解裂缝尖端受力，利用平板内一条裂纹的应力强度因子求解公式求解m-n坐标系下裂缝尖端应力强度因子，联立X-Y坐标系和m-n坐标系下关系式得到缝内压力和裂缝转向角度的关联计算模型，以该关联计算模型得到裂缝破裂单元转向角度计算模型。
优选的，裂缝尖端受力的极坐标表达式如下：
其中，σθ为裂缝前缘邻域任意一点的周向应力，σr为裂缝前缘邻域任意一点的径向应力，τrθ为裂缝前缘邻域任意一点的剪切应力，β为裂缝与最大主应力方向之间夹角，a为裂缝半长，θ为裂缝偏转角度，r为裂缝前缘邻域任意一点到裂缝尖端的距离，KI为拉张断裂应力强度因子，KII为剪切断裂应力强度因子。
优选的，应力强度因子和转向角度之间的关系式如下：
KIsinθ+KII(3cosθ-1)＝0
式中，KI为拉张断裂应力强度因子，KII为剪切断裂应力强度因子，θ为裂缝偏转角度。
优选的，S2中，建立缝尖端破裂长度增量计算模型的过程如下：
根据虚拟位移原理，建立油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型；
根据所述物理模型，建立基于能量释放率的缝尖端破裂长度增量计算模型：以裂缝破裂前的最大应变能作为裂缝起裂前存储能量，设定裂缝在破裂瞬间外力对储层做功为零，裂缝扩展的能量来源于存储的应变能，以静态能量释放率判别裂缝尖端起裂，以动态能量释放率判别裂缝止裂，得到缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型，缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型作为缝尖端破裂长度增量计算模型。
优选的，油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型如下：
储层中存在的原始裂缝长度为a，裂缝内部在流体注入压力P的作用下应变能达到最大，继续注入流体憋压后导致裂缝破裂，应变能释放，当裂缝存储的应变能小于裂缝尖端动态能量释放率时，裂缝止裂，此时裂缝尖端扩展，扩展长度为δa，裂缝尖端完成一次扩展。
优选的，缝尖端破裂长度增量计算模型中，
裂缝拉张破坏时的能量释放率GI计算式如下：
裂缝剪切破坏时的能量释放率GII计算式如下：
其中，KI为拉张断裂应力强度因子，KII为剪切断裂应力强度因子，r为裂缝前缘邻域任意一点到裂缝尖端的距离，μ为剪切模量，为κ为材料常数，κ＝3-4v(平面应变)。
优选的，S2中，动态裂缝扩展阻力通过实验测量得到。
优选的，S3中，水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹函数采用抛物线曲线或者圆弧，当预设轨迹采用圆弧时，通过预设圆弧路径上裂缝总体转向角确定圆弧型裂缝延伸轨迹函数；当预设轨迹采用抛物线曲线时，使射孔方向沿抛物线切线方向建立抛物型裂缝延伸轨迹函数；
当预设轨迹采用圆弧时，破裂段长度和转向角之间的关系如下：
利用该关系式得到圆弧型裂缝延伸轨迹函数，其中，i为圆弧型裂缝延伸轨迹离散后的序号，i+1为第i段裂纹沿圆弧型裂缝延伸轨迹压裂后对应的下一段裂纹的序号，θ总为圆弧路径上裂缝总体转向角，δiai为第i+1段裂缝尖端破裂长度增量，LOM为射孔点和目标点连线之间的距离，θi+1为第i+1段裂缝对应的偏转角；
当预设轨迹采用抛物线曲线时，破裂长度和转向角之间的关系如下：
其中，θi+1为第i+1段裂缝对应的偏转角，k值通过下式求得：
确定水力压裂射孔方向时，利用水平主应力方向确定水力压裂射孔方向，其中目标点和射孔点之间连线与最大水平主应力之间夹角小于射孔方向与水平主应力之间夹角。
优选的，S3中，
当储层中存在两个及以上目标点时，当需要通过水力压裂的裂缝沟通目标点时，确定后续目标点的位置是否落在裂缝预设轨迹的可转向角度范围内，如果在范围内，重新设计预设轨迹进行缝内流体压力求解，若在范围外，利用转向压裂技术使裂缝发生90°转向，再进行缝内压力求解。
本发明具有如下有益效果：
本发明水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法通过建立水力压裂时缝内压力和转向角之间的非线性关系来求解裂缝偏转角，规避应力强度因子仅适用于脆性断裂的弊端，从能量的角度求解了裂缝破裂段长度；建立了水力压裂裂缝轨迹与缝内压力之间的关系，通过得到的缝内压力加载曲线进行压裂，使裂缝沿预设轨迹延伸；因此本发明能够在复杂地应力条件下可精细控制水力压裂裂缝延伸轨迹，对指导油气田水力压裂施工设计，提高油气田单井产量和最终采收率具有重要作用。
附图说明
图1(a)为本发明中建立的裂缝破裂单元转向角度计算模型示意图，图1(b)为图1(a)中裂缝破裂单元中某一段裂缝尖端受力示意图；
图2为本发明裂缝尖端扩展增量下起裂模型；
图3为本发明裂缝预设射孔方向范围示意图；
图4为本发明裂缝沿抛物线型轨迹延伸示意图；
图5为本发明裂缝沿圆弧型轨迹延伸示意图；
图6为本发明实施例中抛物线型预设路径与实际控制路径对比图；
图7为本发明实施例中圆弧型预设路径与实际控制路径对比图；
图8为本发明水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
本发明水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法包括以下步骤，参照图8：
步骤一、建立裂缝破裂单元转向角度计算模型：首先确定储层各点地应力大小及方向，基于最大周向应力理论，计算裂缝转向角度。在考虑地应力和缝内压力综合作用的基础上，以应力强度因子为桥梁，建立关于缝内压力和裂缝转向角度的关联计算模型。步骤一具体包括如下：
(1)建立裂缝尖端受力的物理模型及其假设条件。
假设条件：①岩石骨架的变形为线弹性微变形，遵从Terzaghi有效应力原理；②裂缝缝高不变，为二维平面扩展；③储层平面内温度不变且不考虑重力影响；④储层厚度均匀；⑤所有裂缝破裂单元均为直裂缝；⑥储层各点地应力及岩石力学性质已知。
参照图1(a)和图1(b)物理模型中裂缝分段扩展，对每段裂缝建立动态受力坐标系，其中X-Y坐标系与地应力方向相对应，沿射孔方向建立m-n坐标系；
(2)基于断裂力学相关理论在X-Y坐标系下得到裂缝尖端受力的极坐标表达式，利用最大周向应力理论对表达式求导得到应力强度因子和转向角度之间的关系式，利用弹性力学理论在m-n坐标系下求解裂缝尖端受力，利用平板内一条裂纹的应力强度因子求解公式求解m-n坐标系下裂缝尖端应力强度因子，联立两个坐标系下关系式得到缝内压力和裂缝转向角度的关联计算模型，即裂缝破裂单元转向角度计算模型。
步骤二、建立缝尖端破裂长度增量计算模型：基于Griffith能量准则，结合断裂动力学理论，建立关于水力裂缝缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型。步骤二具体包括如下步骤：
(1)根据虚拟位移原理，建立油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型，该物理模型如图2所示；
(2)建立基于能量释放率的缝尖端破裂长度增量计算模型。以裂缝破裂前的最大应变能作为裂缝起裂前存储能量，假设裂缝在破裂瞬间外力对储层做功为零，即裂缝扩展的能量来源于存储的应变能，以静态能量释放率判别裂缝尖端起裂，以动态能量释放率判别裂缝止裂，从而得到缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型。
步骤三、水力裂缝延伸过程中的轨迹控制：过大的水力裂缝拐角会造成支撑剂沉降，因此应规划相对平滑的水力裂缝轨迹路线。为保证裂缝在步骤二的破裂长度增量和步骤一的转向角度增量下裂缝始终沿预设轨迹延伸，建立满足预设轨迹函数的裂缝转向角度与缝尖端破裂长度增量关联计算模型。联立步骤一到步骤三，三个关联计算模型求解三个未知数(裂缝转向角度、缝尖端破裂长度增量、缝内压力)，得到可使裂缝破裂尖端落到预设路径上的缝内流体压力。对预设水力裂缝轨迹离散化处理，依次对每段裂缝段联立以上三个计算模型求解，可得到控制裂缝沿预设轨迹逐段扩展时的缝内压力逐步加载情况。最终通过得到的缝内压力加载曲线进行压裂，裂缝便会沿预设轨迹延伸。步骤三包括如下步骤：
(1)确定水力压裂射孔方向。如图3所示，水力压裂射孔方向主要由水平主应力方向确定。其中目标点和射孔点之间连线与最大水平主应力之间夹角小于射孔方向与水平主应力之间夹角；
(2)确定水力压裂过程中裂缝的延伸轨迹函数：通过两种方式，参照图5，方式一为通过预设圆弧路径上裂缝总体转向角确定圆弧型裂缝延伸轨迹函数；参照图4，方式二为通过假设射孔方向沿抛物线切线方向建立抛物型裂缝延伸轨迹函数。
(3)反算水力压裂缝内压力：对预设裂缝轨迹离散化处理，在每个裂缝段沿地应力方向建立独立的坐标系，输入储层水力压裂时的基础地质及开发参数，包括储层及流体参数、岩石力学特性参数、施工参数，联立求解有关裂缝转向角度、缝尖端破裂长度增量及缝内压力三个未知量的关联方程组，得到可使每段裂缝破裂尖端落到预设路径上的缝内流体压力以及该压力下裂缝实际扩展路径。
(4)多个目标区的沟通：当储层中存在两个及以上目标点，需要通过水力压裂的裂缝沟通时，需要确定后续目标点的位置是否落在裂缝的可转向角度范围内，如果在范围内，可重新设计轨迹进行缝内流体压力求解，若在范围外，需要利用转向压裂技术使裂缝发生90°转向，再进行缝内压力求解。
实施例
本实施例复杂应力条件下水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、建立裂缝破裂单元转向角度计算模型。基于最大周向应力，计算裂缝转向角度。具体步骤如下：
(1)建立裂缝尖端受力的物理模型及其假设条件；
假设条件：①岩石骨架的变形为线弹性微变形，遵从Terzaghi有效应力原理；②裂缝缝高不变，为二维平面扩展；③储层平面内温度不变且不考虑重力影响；④储层厚度均匀；⑤所有裂缝破裂单元均为直裂缝；⑥储层各点地应力及岩石力学性质已知。
物理模型：模型如图1(a)和图1(b)所示，图1(a)中，O为裂缝起始点，M、N分别控制裂缝需要穿越的目标点，虚线为地应力等压线。裂缝分段扩展，对每段裂缝建立动态m-n坐标系，如图1(b)所示，每段裂缝周围最大水平主应力和最小水平主应力别用PH和Ph表示。裂缝与最大主应力方向之间夹角为β，裂缝半长为a，裂缝偏转角度为θ，裂缝前缘邻域任意一点周向应力为σθ，裂缝前缘邻域任意一点径向应力为σr，裂缝前缘邻域任意一点剪切应力为τrθ。
(2)裂缝转向角度计算；
裂缝尖端应力的极坐标形式为：
其中，KI为拉张断裂应力强度因子，KII为剪切断裂应力强度因子。
由最大周向应力理论知裂缝扩展发生在最大周向应力处，则且/>得：
KIsinθ+KII(3 cosθ-1)＝0 (2)
在图1(b)的m-n坐标系中，应用弹性力学相关理论，求解边界应力作用下裂缝尖端邻域任意一点微元体力，得：
当缝内压力为Pf时，由应力强度因子得：
联立公式(2)-(4)得裂缝破裂单元转向角度计算模型如下：
至此，当裂缝尖端遭遇不同水平地应力时，可通过控制缝内压力Pf值大小达到对裂缝转向角度θ的控制。
步骤二、建立缝尖端破裂长度增量计算模型。基于Griffith能量准则，结合断裂动力学理论，建立裂缝破裂单元长度计算模型。其中：以静态能量释放率判别裂缝尖端起裂，以动态能量释放率判别裂缝止裂。步骤二的具体步骤如下：
(1)建立油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型；
物理模型：模型如图2所示，储层中存在的原始裂缝长度为a，裂缝内部在流体注入压力P的作用下应变能达到最大，继续注入流体憋压后导致裂缝破裂，应变能释放，当裂缝存储的应变能小于裂缝尖端动态能量释放率时，裂缝止裂，此时裂缝扩展到O'，缝尖端扩展长度δa，裂缝尖端完成一次扩展。
(2)建立基于能量释放率的裂缝断裂单元计算模型
设在边界及裂缝内压力作用下，储层内各点位移为ui，应力为σij，储层总势能为Π，则：
当裂缝从OA扩展到OB时，总势能为Π*，则：
其中，W、W*为应变能密度，fi为体力，Ti为应力矢量在动态坐标轴上的投影，S为模型表面积，Sc为裂缝表面积，Sc＝B·δa。
假设裂缝仅在层内扩展，储层厚度为B，通过功的互换定理、高斯定理及柯西方程对(8)式进行化简求解，得：
上式为裂缝扩展δa后求得的能量释放率。
由于裂缝在扩展过程中存在上下两个表面，裂缝消耗的表面能G＝2Γ，因此：
对I型裂缝，在裂缝端部θ方向上，上表面受到的力为：
裂缝扩展δa后，角度为(π-θ)的裂缝面单侧位移为：
则：
同理可求得GII；
其中：κ＝3-4v(平面应变)，剪切模量2μ＝E/(1+v)。
由应力强度因子叠加原理得：
对于水力压裂时储层中的复合型裂缝，G＝GI+GII。
此刻，裂缝未破裂前存储的最大应变能为：
假设裂缝在破裂瞬间外力对储层做功为零，即裂缝扩展的能量来源于存储的应变能，以动态能量释放率判别裂缝止裂，则裂缝扩展δa后：
为动态裂缝扩展阻力，该值可通过本行业现有试验设备测试得来。
由(16)、(17)式得缝尖端破裂长度增量计算模型如下：
步骤三、水力裂缝延伸过程中的轨迹控制。过大的裂缝拐角会造成支撑剂沉降，因此应规划相对平滑的裂缝轨迹路线，然后对预设裂缝轨迹离散化处理，从而确定每一段裂缝破裂长度和偏转角度。步骤三具体步骤如下：
(1)确定水力压裂射孔方向
如图3所示，设O为射孔点，M为裂缝需要穿越的目标点。沿储层最大最小水平地应力做坐标系X-Y。根据裂缝总是沿垂直于最小水平主应力方向延伸的规律，若Y轴为最大水平主应力方向，则射孔角度需在∠XOM内，反之，射孔角在∠YOM内。
(2)预设水力压裂过程中裂缝的延伸轨迹
沿射孔方向预设光滑弧形裂缝延伸轨迹，使其沟通射孔点和目标点。
当裂缝轨迹为抛物线曲线时，如图4所示，已知射孔方向与最大水平主应力夹角为β，β在86°～90°之间，将射孔点作为抛物线坐标原点，抛物线用y＝kx2表示，其中k为抛物线系数。抛物线系数k由以下方程组求得：
β0a为射孔点和目标点连线OM与最大主应力方向(Y方向)之间夹角，L0M为射孔点距离目标点直线距离。
将抛物线离散为n段裂缝，其中第i(1＜i≤n)段裂缝与最大水平主应力之间夹角为βi，第i段裂缝的下一段裂缝为第i+1段裂缝，第i+1段裂缝与最大水平主应力之间夹角为βi+1，此处将抛物线内接转向角认定为外切转向角，初始射孔角为β0。
当离散段n足够大时，裂缝沿抛物线延伸时可认为是平滑转向的，则此时第i+1段裂缝转向角大小认定与第i+1段初始位置处切线与第i段初始位置处切线的交叉角相等，xi表示第i段初始端在X方向投影坐标，θi+1为第i+1段裂缝对应的偏转角，γ′i+1为裂缝第i+1段初始位置处切线与第i段初始位置处切线的交叉角，θi+1＝βi-βi+1≈γ′i+1，破裂段长度和转向角度之间存在如下关系：
其中：
当预设轨迹为圆弧时，如图5所示，θi+1＝βi-βi+1≈γi+1，由弧长＝弧度×半径。破裂段长度和转向角之间存在如下关系：
其中，i为圆弧型裂缝延伸轨迹离散后的序号，i+1为第i段裂纹沿圆弧型裂缝延伸轨迹压裂后对应的下一段裂纹的序号，θ总为圆弧路径上裂缝总体转向角，δiai为第i+1段裂缝尖端破裂长度增量，LOM为射孔点和目标点连线之间的距离，γi+1为圆弧路径上圆弧的弦长为第i+1段裂缝尖端破裂长度增量时对应的圆心角，θi+1为第i+1段裂缝对应的偏转角；
(3)反算进行水力压裂裂缝轨迹控制所需的缝内压力
联立公式(5)、(13)、(14)、(15)、(18)、(19)、(20)、(21)、(22)并以裂缝破裂角度计算公式(5)，裂缝段长度计算公式(18)及预设的裂缝路径控制公式(20)(22)为主要方程，建立如下方程组：
将预设的光滑裂缝轨迹用一系列有限个裂缝段的集合来代替，输入储层水力压裂时的基础地质及开发参数，包括储层及流体参数、岩石力学特性参数等，从射孔点向目标点推进求解。得到每段处裂缝沿预设轨迹扩展所需的流体压力，根据水力压裂裂缝轨迹控制方程组，制定油气储层水力压裂裂缝轨迹求解步骤：
①将求解过程划分成若干个虚拟长度段增量，L＝0，L1，L2，…，Ln；
②给定射孔点和目标点连线与最大水平主应力夹角β0a，初始射孔角β0，每段裂缝处最大水平主应力PH、每段裂缝处最小水平主应力Ph，射孔长度a0，射孔点距离目标点直线距离LOM，岩石杨氏模量E，泊松比υ，止裂韧性GR d，i从1开始，利用MATLAB中fsolve函数求解方程组(24)，得到Pf1，θ1，δ1，β1，a1；
③对任一断裂步Li+1，利用Li段求得到的量(θi，βi)，重复步骤②计算第Li+1步，形成Li+1段的方程组，其中βi+1＝βi-θi，ai+1＝ai+δiai；
④重复第③步，直至βi≤0，求解结束。
得到裂缝在扩展过程中缝内加压情况以及该压力控制下的裂缝实际扩展路径。
(4)多个目标区的沟通
当储层存在多个目标区域时，需要一条水力裂缝沟通多个目标点。以图3为例，假设最大水平主应力沿Y轴方向，当水力裂缝延伸到第一个目标点M后，在M点沿裂缝延伸方向做切线，将M点以后的储层分为三个区域(S1,S2,S3)，若下一个目标点(N1、N2、N3)落在区域S2内，重复步骤三中的(1)-(3)，使沟通后续目标点。若下一个目标点落在区域S1或S3内，利用转向压裂技术，使水力裂缝在M点延伸方向转向沿X轴方向，然后重复步骤三中的(1)-(3)，使沟通后续目标点。
以我国鄂尔多斯盆地致密储层为例，根据实际地质参数及水平井体积改造微地震监测数据，确定水力压裂裂缝轨迹控制中基础地质及开发参数。主要参数如下：
岩石力学特性参数。最大、最小水平主应力差为5MPa、0MPa，储层岩石平均杨氏模量为40GPa，岩石泊松比0.25，射孔段初始长度1m，射孔点距离目标点直线距离70m，裂缝止裂阻力50N/m。分别以抛物线和圆弧型裂缝扩展路径为例进行就计算，设定总体转向角为45°，射孔方向与最大水平主应力夹角88°，求解方程组，对求解得到的裂缝控制轨迹和规划路径进行对比，如图6，图7，实际扩展路径和规划路径虽然有所偏差，但均能达到预计要求。
从上述方案可以看出，本发明具有模型因素考虑全面、控制方法简单和结果可定量化实施等优点，可及时指导油气田进行水力压裂施工方案设计和调整，对储层实现规模经济开采提供理论基础与技术支持。
Claims (6)
1.一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立裂缝破裂单元转向角度计算模型，
所述裂缝破裂单元转向角度计算模型为：
其中，为缝内压力，/>为每段裂缝处最大水平主应力，/>为每段裂缝处最小水平主应力，/>为裂缝与最大主应力方向之间夹角，/>为裂缝偏转角度；
S2，建立缝尖端破裂长度增量计算模型，所述缝尖端破裂长度增量计算模型为：
其中，为裂缝尖端扩展长度，/>为储层中存在的原始裂缝长度，/>为裂缝拉张破坏时的能量释放率，/>为裂缝剪切破坏时的能量释放率，/>为动态裂缝扩展阻力；
S3，利用水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹模型、所述裂缝破裂单元转向角度计算模型以及缝尖端破裂长度增量计算模型，计算得到能够使裂缝破裂尖端落到水力裂缝的预设轨迹上的缝内流体压力；对水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹进行迹离散化处理，依次对每段裂缝对应的缝内流体压力进行求解，得到控制裂缝沿预设轨迹逐段扩展时的缝内压力逐步加载情况，通过得到的缝内压力进行压裂，使裂缝沿预设轨迹延伸；
S3中，水力裂缝轨迹路线对应的预设轨迹函数采用抛物线曲线或者圆弧，当预设轨迹采用圆弧时，通过预设圆弧路径上裂缝总体转向角确定圆弧型裂缝延伸轨迹函数；当预设轨迹采用抛物线曲线时，使射孔方向沿抛物线切线方向建立抛物型裂缝延伸轨迹函数；
当预设轨迹采用圆弧时，破裂段长度和转向角之间的关系如下：
利用该关系式得到圆弧型裂缝延伸轨迹函数，其中，i为圆弧型裂缝延伸轨迹离散后的序号，i 为第i段裂纹沿圆弧型裂缝延伸轨迹压裂后对应的下一段裂纹的序号，/>为圆弧路径上裂缝总体转向角，/>为第i+1段裂缝尖端破裂长度增量，/>为射孔点和目标点连线之间的距离，/>为第i+1段裂缝对应的偏转角；
当预设轨迹采用抛物线曲线时，破裂长度和转向角之间的关系如下：
(/>)
其中，为第i+1段裂缝对应的偏转角，k值通过下式求得：
确定水力压裂射孔方向时，利用水平主应力方向确定水力压裂射孔方向，其中目标点和射孔点之间连线与最大水平主应力之间夹角小于射孔方向与水平主应力之间夹角。
2.根据权利要求1所述的一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，S1中，建立裂缝破裂单元转向角度计算模型的过程如下：
确定假设条件：岩石骨架的变形为线弹性微变形，遵从Terzaghi有效应力原理；裂缝缝高不变，裂缝为二维平面扩展；储层平面内温度不变且不考虑重力影响；储层厚度均匀；所有裂缝破裂单元均为直裂缝；储层各点地应力及岩石力学性质已知；
建立裂缝尖端受力的物理模型：物理模型中裂缝分段扩展，对每段裂缝建立动态受力坐标系，其中X-Y坐标系与地应力方向相对应，沿射孔方向建立m-n坐标系；
基于断裂力学相关理论在X-Y坐标系下得到裂缝尖端受力的极坐标表达式，利用最大周向应力理论对极坐标表达式求导得到应力强度因子和转向角度之间的关系式，利用弹性力学理论在m-n坐标系下求解裂缝尖端受力，利用平板内一条裂纹的应力强度因子求解公式求解m-n坐标系下裂缝尖端应力强度因子，联立X-Y坐标系和m-n坐标系下关系式得到缝内压力和裂缝转向角度的关联计算模型，以该关联计算模型得到裂缝破裂单元转向角度计算模型。
3.根据权利要求1所述的一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，S2中，建立缝尖端破裂长度增量计算模型的过程如下：
根据虚拟位移原理，建立油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型；
根据所述物理模型，建立基于能量释放率的缝尖端破裂长度增量计算模型：以裂缝破裂前的最大应变能作为裂缝起裂前存储能量，设定裂缝在破裂瞬间外力对储层做功为零，裂缝扩展的能量来源于存储的应变能，以静态能量释放率判别裂缝尖端起裂，以动态能量释放率判别裂缝止裂，得到缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型，缝内压力与缝尖端破裂长度增量的关联计算模型作为缝尖端破裂长度增量计算模型。
4.根据权利要求3所述的一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，油气储层水力压裂裂缝扩展的物理模型如下：
储层中存在的原始裂缝长度为a，裂缝内部在流体注入压力P的作用下应变能达到最大，继续注入流体憋压后导致裂缝破裂，应变能释放，当裂缝存储的应变能小于裂缝尖端动态能量释放率时，裂缝止裂，此时裂缝尖端扩展，扩展长度为，裂缝尖端完成一次扩展。
5.根据权利要求4所述的一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，缝尖端破裂长度增量计算模型中，
裂缝拉张破坏时的能量释放率计算式如下：
裂缝剪切破坏时的能量释放率计算式如下：
其中，为拉张断裂应力强度因子，/>为剪切断裂应力强度因子，/>为裂缝前缘邻域任意一点到裂缝尖端的距离，/>为剪切模量，/>为材料常数，/>。
6.根据权利要求1所述的一种水力压裂裂缝延伸轨迹的控制方法，其特征在于，S3中，当储层中存在两个及以上目标点时，当需要通过水力压裂的裂缝沟通目标点时，确定后续目标点的位置是否落在裂缝预设轨迹的可转向角度范围内，如果在范围内，重新设计预设轨迹进行缝内流体压力求解，若在范围外，利用转向压裂技术使裂缝发生90°转向，再进行缝内压力求解。
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