CN111980698A - 一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，包括以下步骤：收集目标地层的基本参数，所述基本参数包括岩石力学参数、地应力、地层温度、热膨胀系数等参数；通过低温冲击实验获得目标地层的热损伤因子；根据考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型计算得到目标地层的破裂压力。本发明考虑泵入流体的低温冲击作用，解决现有计算方法不能考虑岩石抗张强度受低温冲击后的损伤效应，更为符合实际工况，可为压裂施工工艺优化设计提供有利的理论依据。

Description

一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法

技术领域

本发明涉及储层改造技术领域，特别涉及一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法。

背景技术

国内外页岩气的开采形成了以水平井缝网压裂技术为主体的增产工艺，3500m以浅的页岩气水平井缝网压裂技术已基本形成，随着国内能源消费需求的不断扩大，能源对外依存度逐年递增，3500m以深的深层页岩气必将成为未来国内勘探开发的重点。开采深层页岩气面对的挑战之一是高温高应力条件下的高破裂压力，准确预测深层高温地层破裂压力是压裂施工井口设备优选、压裂设计方案优化的重要前提。

目前，常用的用于地层破裂压力的模型有Mattews预测模型(认为上覆岩层压力梯度是与深度无关的常数)、Eton预测模型(指出提出上覆岩层压力梯度是与岩层深度相关的函数)、黄氏预测模型(综合考虑岩层上覆应力、井壁应力、地下构造应力和岩层强度)、Faishust模型(考虑了注入流体滤失的影响)等模型。但以上模型均未考虑温度的影响，深层储层温度高，随着低温流体的注入，井周岩石温度降低，地层产生收缩应力；并且由于岩石内部结构受到低温的冲击而受损，强度会有所下降。因此，亟需提出一种考虑岩石热损失的地层破裂压力预测模型，填补这一空白，便于工程应用，为深层高温地层的压裂施工提供部分理论依据。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，解决现有计算方法不能考虑岩石抗张强度受低温冲击后的损伤效应，本发明考虑泵入流体的低温冲击作用，地层破裂压力的计算更为合理，能够为压裂施工工艺优化设计提供有利的理论依据。

本发明的技术方案如下：

一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，包括以下步骤：收集目标地层的基本参数；通过低温冲击实验建立热损失模型，获得目标地层的抗张强度热损伤演化方程；根据考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型计算破裂压力，所述考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型为：

式中：p_f为考虑岩石热损伤的地层破裂压力，MPa；σ_h、σ_H分别为最小水平主应力、最大水平主应力，MPa；f(ΔT)为抗张强度热损伤演化方程；σ_t为岩石原始抗张强度，MPa；δ为地层综合滤失系数，无因次；α为岩石有效应力系数，无因次；ν为泊松比，无因次；φ为岩石孔隙度，无因次；p_p为地层孔隙压力，MPa；E为岩石杨氏弹性模量，GPa；a_m为岩石体积热膨胀系数，1/℃；T_w、T₀分别为井壁处温度、原始地层温度，℃。

作为优选，当所述页岩地层裂缝发育时，δ＝1；当所述页岩地层裂缝不发育时，δ＝0；所述页岩地层裂缝是否发育根据目标区块的测井、地质统计知晓。

作为优选，所述基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、岩石杨氏弹性模量、泊松比、注入压力、地层综合滤失系数、岩石有效应力系数、岩石孔隙度、原始地层温度、岩石体积热膨胀系数、岩石原始抗张强度。

作为优选，所述低温冲击实验包括以下步骤：

首先，获取多块目标地层的岩心，将各块岩心的温度加热至不同的目标温度并恒温保存，所述目标温度包括目标地层的原始地层温度以及室温与原始地层温度之间的过渡温度，所述过渡温度等间距设置至少三组；

其次，将加热后的各块岩心利用循环水冷却至室温；

然后，对冷却后的各块岩心进行巴西劈裂实验，获得岩心冷却后的抗张强度，并计算得到各目标温度下的热损伤因子，所述热损伤因子的计算式为：

式中：D为热损伤因子，无因次；σ'_t为岩心冷却后的抗张强度，MPa；

最后，以目标温度与室温的温度差为横坐标，对应的热损伤因子为纵坐标，绘制热损伤因子分布图，采用数据拟合的方法获得所述抗张强度热损伤演化方程：

D＝f(ΔT) (3)

式中：ΔT为目标温度与室温的温度差，℃。

作为优选，获取的岩心需筛选后再进行后续实验步骤，筛选方法为利用声波速度对岩心进行筛选，筛除与波速平均值差异大于5％的岩心。

作为优选，每组温度采用至少三个岩心进行后续实验步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明在常规地层破裂压力预测模型的基础上，引入抗张强度的热损伤因子，建立了考虑岩石热损伤的地层破裂压力的计算方法。该计算方法考虑了注入低温液体后对岩石造成热损伤，利用抗张强度的损伤表征岩石内部结构破坏造成的力学性质的变化，目的在于保证岩石本构模型不发生改变，消除由于力学参数变化引起的非线性，从而可以采用线弹性理论求解出解析解。本发明的计算方法可直接用于直井，如若需要计算斜井和水平井，则只需对应力坐标系进行转换即可。本发明计算地层破裂压力时考虑了低温流体注入后岩石的热损伤，与实际工况更相符。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为流体注入地层的温度场示意图；

图2为本发明的一个实施例破裂压裂计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。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技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如图1-2所示，一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，包括以下步骤：

S1：收集目标地层的基本参数，所述基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、岩石杨氏弹性模量、泊松比、注入压力、地层综合滤失系数、岩石有效应力系数、岩石孔隙度、原始地层温度、岩石体积热膨胀系数、岩石原始抗张强度。

S2：通过低温冲击实验建立热损失模型，获得目标地层的抗张强度热损伤演化方程，具体包括以下步骤：

S21：获取多块目标地层的岩心，将各块岩心的温度加热至不同的目标温度并恒温保存1～2h，以保证岩心均匀受热，所述目标温度包括目标地层的原始地层温度以及室温与原始地层温度之间的过渡温度，所述过渡温度等间距设置至少三组，可选地，每组温度采用至少三个岩心进行后续实验步骤；

S22：将加热后的各块岩心利用循环水冷却至室温；

S23：对冷却后的各块岩心进行巴西劈裂实验，获得岩心冷却后的抗张强度，并计算得到各目标温度下的热损伤因子，所述热损伤因子的计算式为：

式中：D为热损伤因子，无因次；σ'_t为岩心冷却后的抗张强度，MPa；

S24：以目标温度与室温的温度差为横坐标，对应的热损伤因子为纵坐标，绘制热损伤因子分布图，采用数据拟合的方法获得所述抗张强度热损伤演化方程：

D＝f(ΔT) (3)

式中：ΔT为目标温度与室温的温度差，℃。

在一个具体的实施例中，所述低温冲击试验包括以下步骤：

(1)获取目标井或同一区块的岩心(或者露头)，将这些岩心制备成直径为25mm，高度为8mm的圆柱体(圆柱体的尺寸可根据具体试验机的尺寸进行调整)；

(2)对样品进行声波测试，利用声波速度对样品进行筛选，筛除与波速平均值差异大于5％的样品；

(3)将加工后的样品从常温加热至目的层的具体温度，常温至目的层温度的中间等间距设置至少3组温度，加热至目标温度后恒温1～2h，以保证岩石均匀加热，每组温度设置3个试样；

(4)将加热后的样品，利用循环水冷却至25℃；

(5)对冷却后的样品进行巴西劈裂实验，获取试样的抗张强度，通过式(2)获得各目标温度下的热损伤因子；

(6)以目标温度与室温的温度差为横坐标，对应的热损伤因子为纵坐标，绘制热损伤因子分布图，采用数据拟合的方法获得式(3)所示的抗张强度热损伤演化方程。

S3：根据考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型计算破裂压力，所述考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型为：

式中：p_f为考虑岩石热损伤的地层破裂压力，MPa；σ_h、σ_H分别为最小水平主应力、最大水平主应力，MPa；f(ΔT)为抗张强度热损伤演化方程；σ_t为岩石原始抗张强度，MPa；δ为地层综合滤失系数，无因次；α为岩石有效应力系数，无因次；当所述页岩地层裂缝发育时，δ＝1；当所述页岩地层裂缝不发育时，δ＝0；ν为泊松比，无因次；φ为岩石孔隙度，无因次；p_p为地层孔隙压力，MPa；E为岩石杨氏弹性模量，GPa；a_m为岩石体积热膨胀系数，1/℃；T_w、T₀分别为井壁处温度、原始地层温度，℃。

所述地层破裂压力预测模型通过以下方法建立而来：

射孔完井井周的周向拉应力包括：地应力引起的周向应力、井筒内压引起的周向应力、流体滤失引起的周向应力、温度引起的附加周向应力。因此，根据小变形的叠加原则，井周围的周向总应力状态可表示为：

σ_θ＝σ_θS+σ_θf+σ_θT (4)

式中：σ_θ为井壁周围受到的总周向应力，MPa；σ_θS为井筒内压和地应力引起的周向应力，MPa；σ_θf为流体滤失引起的周向应力，MPa；σ_θT为温度引起的附加周向应力，MPa。

其中，井筒内压和地应力共同作用引起的周向应力可表示为：

式中：R为井眼半径，m；r为井眼中心轴线到地层某一点的距离，m；p_w为井筒内压，MPa；θ为井周角，°。

根据孔弹性渗流理论，流体滤失引起的周向应力可表示为：

根据热弹性理论，地层温度变化引起的附加周向应力可表示为：

式中：T(r,t)为井周围温度场函数；t为时间，s。

根据应力叠加原理，将式(4)至式(6)代入式(3)，令r＝R，即可得到井壁总的周向应力为：

破裂发生在井壁周向应力最小处，及θ＝0°或者θ＝180°。根据最大拉应力破坏准则，当井壁有效周向应力超过热损伤后岩石的抗拉强度时，即认为岩石发生破裂，判别式如下：

σ_θ-αp_p＝-σ_t' (9)

由此，可得到如式(1)所示的考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型。

本发明，通过获得目标区块的抗张强度热损伤演化方程，能够根据目标区块其他井位或其他相同岩性层位的温度确定其对应的热损伤因子，再结合式(1)即可预测目标区块其他井位或其他相同岩性层位的破裂压力。需要说明的是，本发明也可直接利用目标地层的热损伤因子，将式(1)中的f(ΔT)替换为D即可计算目标地层的破裂压力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：收集目标地层的基本参数；通过低温冲击实验建立热损失模型，获得目标地层的抗张强度热损伤演化方程；根据考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型计算破裂压力，所述考虑岩石热损伤的地层破裂压力预测模型为：

式中：p_f为考虑岩石热损伤的地层破裂压力，MPa；σ_h、σ_H分别为最小水平主应力、最大水平主应力，MPa；f(ΔT)为抗张强度热损伤演化方程；σ_t为岩石原始抗张强度，MPa；δ为地层综合滤失系数，无因次；α为岩石有效应力系数，无因次；ν为泊松比，无因次；φ为岩石孔隙度，无因次；p_p为地层孔隙压力，MPa；E为岩石杨氏弹性模量，GPa；a_m为岩石体积热膨胀系数，1/℃；T_w、T₀分别为井壁处温度、原始地层温度，℃。

2.根据权利要求1所述的考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，当所述页岩地层裂缝发育时，δ＝1；当所述页岩地层裂缝不发育时，δ＝0。

3.根据权利要求1所述的考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，所述基本参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、岩石杨氏弹性模量、泊松比、注入压力、地层综合滤失系数、岩石有效应力系数、岩石孔隙度、原始地层温度、岩石体积热膨胀系数、岩石原始抗张强度。

4.根据权利要求1所述的考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，所述低温冲击实验包括以下步骤：

首先，获取多块目标地层的岩心，将各块岩心的温度加热至不同的目标温度并恒温保存，所述目标温度包括目标地层的原始地层温度以及室温与原始地层温度之间的过渡温度，所述过渡温度等间距设置至少三组；

其次，将加热后的各块岩心利用循环水冷却至室温；

然后，对冷却后的各块岩心进行巴西劈裂实验，获得岩心冷却后的抗张强度，并计算得到各目标温度下的热损伤因子，所述热损伤因子的计算式为：

式中：D为热损伤因子，无因次；σ'_t为岩心冷却后的抗张强度，MPa；

最后，以目标温度与室温的温度差为横坐标，对应的热损伤因子为纵坐标，绘制热损伤因子分布图，采用数据拟合的方法获得所述抗张强度热损伤演化方程：

D＝f(ΔT) (3)

式中：ΔT为目标温度与室温的温度差，℃。

5.根据权利要求4所述的考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，获取的岩心需筛选后再进行后续实验步骤，筛选方法为利用声波速度对岩心进行筛选，筛除与波速平均值差异大于5％的岩心。

6.根据权利要求4所述的考虑热损伤的深层高温页岩地层破裂压力计算方法，其特征在于，每组温度采用至少三个岩心进行后续实验步骤。

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