CN112100707A - 一种穿层压裂图版构建方法 - Google Patents

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CN112100707A
CN112100707A CN201910470372.3A CN201910470372A CN112100707A CN 112100707 A CN112100707 A CN 112100707A CN 201910470372 A CN201910470372 A CN 201910470372A CN 112100707 A CN112100707 A CN 112100707A
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fracturing
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layer
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孙志宇
苏建政
刘长印
李风霞
郑惠光
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Exploration and Production Research Institute
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Exploration and Production Research Institute
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures

Abstract

一种穿层压裂图版构建方法，其包括：步骤一、根据获取到的实际砂泥岩交互地层的地层参数建立水平井多层压裂三维全耦合模型，以模拟裂缝中流体流动、储层渗流、岩石变形与裂缝扩展间的耦合关系，其中，水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流‑应力耦合模型；步骤二、基于水平井多层压裂三维全耦合模型，模拟不同地质因素对裂缝高度的影响，并结合工程因素分析储层特征参数对穿层压裂的敏感性，形成水平井穿层压裂图版。本有助于快速判断各种不同因素情况下裂缝穿层效果。现场测试表明，本方法能够很好的预测砂泥岩互层水平井压裂裂缝高度，模拟结果可靠。

Description

一种穿层压裂图版构建方法
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种穿层压裂图版构建方法。
背景技术
华北杭锦旗气田盒1段具有砂层薄、纵向多层砂泥岩小层多、气水关系复杂、水平井钻遇的气层有限等特点。水平井压裂一是要考虑避免压窜水层，二是要尽可能穿层沟通较多的气层，最大限度地提高多套层系的动用程度。因此，对于砂泥岩交互的致密砂岩储层进行压裂施工设计时，将水力裂缝垂向延伸高度控制在一定范围内是决定压裂施工成败的关键因素。
在进行压裂施工之前必须对裂缝垂向延伸范围及裂缝形态进行预测，以便设计合理的含气压裂层位和压裂施工参数。砂泥岩交互层状介质水力裂缝高度延伸规律受地质因素和工程因素共同控制，近年来技术人员对此进行了理论研究、数值模拟、矿场试验及室内实验，对影响裂缝高度的因素有了一定的认识。
但由于泥岩与砂岩的岩石物性差异存在，水力裂缝沿缝高方向分别在砂岩和泥岩扩展时，裂缝尖端应力集中程度反映出明显差异，现有的研究缺乏对于影响裂缝穿层地质和工程因素的系统研究。
同时，目前对于砂泥岩交互发育多套砂体的气层压裂裂缝模拟，国内外大多采用FracproPT、Stimplan等压裂设计软件。而这些软件一般都是解析的二维、或半解析半数值的拟三维解，所满足的是快速的工程设计要求。对于砂泥岩交互层穿层压裂这种复杂的情况，这些软件对于裂缝高度的模拟显得过于简单，缺乏有效的评价方法，难以可靠地判断穿层压裂效果和裂缝高度的范围
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种穿层压裂图版构建方法，所述方法包括：
步骤一、根据获取到的实际砂泥岩交互地层的地层参数建立水平井多层压裂三维全耦合模型，以模拟裂缝中流体流动、储层渗流、岩石变形与裂缝扩展间的耦合关系，其中，所述水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流-应力耦合模型；
步骤二、基于所述水平井多层压裂三维全耦合模型，模拟不同地质因素对裂缝高度的影响，并结合工程因素分析储层特征参数对穿层压裂的敏感性，形成水平井穿层压裂图版。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，裂缝扩展方向与最大水平主应力方向平行。
根据本发明的一个实施例，在所述岩石渗流-应力耦合模型中，岩石孔隙中完全饱和不可压缩流体。
根据本发明的一个实施例，所述岩石渗流-应力耦合模型包括岩石变形力学平衡方程，所述岩石变形力学平衡方程为：
Figure BDA0002080662940000021
其中，Ω表示积分空间，
Figure BDA0002080662940000022
表示储层岩石中的有效应力，pw表示孔隙流体渗流压力，I表示单位矩阵，
Figure BDA0002080662940000023
表示虚应变场，δv表示岩石节点虚速度场，T表示单位积分区域外表面力，f表示不考虑流体重力的单位体积力，φ表示岩石孔隙度，g表示重力加速度，S表示积分空间表面，ρw表示孔隙流体密度，δ表示应变。
根据本发明的一个实施例，所述岩石渗流-应力耦合模型包括流体渗流连续性方程，所述流体渗流连续性方程为：
Figure BDA0002080662940000024
其中，Ω表示积分空间，φ表示岩石孔隙度，t表示时间，n表示与积分外表面的法线平行的方向，vw表示岩石孔隙间流体流动速度，S表示积分空间表面。
根据本发明的一个实施例，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，根据三个方向上应力比确定裂缝起裂条件。
根据本发明的一个实施例，所述裂缝起裂条件为：
Figure BDA0002080662940000025
其中，σn表示Colesive单元法线方向上的施加应力，
Figure BDA0002080662940000026
表示Colesive单元失效时法线方向上的临界应力，τs和τt分别表示Colesive单元两个切线方向上的施加应力，
Figure BDA0002080662940000031
和
Figure BDA0002080662940000032
分别表示Colesive单元失效时两个切线方向上的临界应力。
根据本发明的一个实施例，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，获取当前裂缝尖端节点处的能量释放率，并将该能量释放率与预设复合型裂缝临界断裂能量释放率进行比较，根据比较确定裂缝扩展状况。
根据本发明的一个实施例，如果所述当前裂缝尖端节点处的能量释放率大于所述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率，则判定所述当前裂缝尖端节点绑定部分将解开，裂缝向前扩展。
根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率：
Figure BDA0002080662940000033
GS＝Gs+Gt
GT＝Gn+GS
其中，
Figure BDA0002080662940000034
表示法向断裂临界应变能量释放率，Gs和Gt表示两切向断裂能量释放率，
Figure BDA0002080662940000035
表示切向断裂临界能量释放率，η表示与材料本身特性有关的常数，Gn表示法向断裂应变能量释放率，GC表示复合型裂缝断裂能量释放率。
根据本发明的一个实施例，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，压裂液为牛顿流体，根据所述压裂液的排量模拟所述压裂液在裂缝面上的切向流动。
根据本发明的一个实施例，根据如下表达式模拟所述压裂液在裂缝面上的切向流动：
q＝-kt▽p
Figure BDA0002080662940000036
其中，q表示压裂液的排量，▽p表示流动压力，kt表示流动系数，d表示裂缝张开宽度，μ表示压裂液粘度系数。
根据本发明的一个实施例，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，根据预设滤失系数模拟压裂液在裂缝面的法向流动。
根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述压裂液在裂缝面的法向流动：
qt＝ct(pi-pt)
qb＝cb(pi-pb)
其中，qt和qb分别表示压裂液在裂缝上下表面的渗流流量，ct和cb分别表示压裂液在裂缝上下表面的滤失系数，pt和pb分别表示压裂液在裂缝上下表面的孔隙压力，pi表示裂缝单元中间面流体压力。
根据本发明的一个实施例，所述地质因素包括储层厚度、隔层厚度、层数和应力差中的任一项或几项；
所述工程因素包括施工排量、射孔方位、压裂液粘度、支撑剂浓度和施工规模中的任一项或几项。
根据本发明的一个实施例，在所述水平井穿层压裂图版中，
如果待分析地层的储层厚度小于第一预设储层厚度，那么则判定所述待分析地层的裂缝能够压裂隔层；
如果所述待分析地层的储层厚度大于或等于第二预设储层厚度且小于第三预设储层厚度，同时隔层厚度大于第一预设隔层厚度，那么当应力差大于第一预设应力差阈值时中判定所述待分析地层的裂缝无法压裂隔层；
如果所述分析地层的储层厚度大于或等于第三预设储层厚度，则判定所述待分析地层的裂缝无法压裂隔层。
本方法在对砂泥岩交互地层水平井压裂三维裂缝扩展进行模拟时，应用了有限元数值方法，其能够模拟不同砂泥岩交互地层不同储、隔层厚度、层数及应力差条件下的地质因素对裂缝高度的影响，结合施工排量、射孔方位、压裂液粘度、支撑剂浓度和施工规模等工程因素，分析影响砂泥岩互层油气藏裂缝高度的主控因素，通过对这些因素的认识，最终能够快速判断一定施工规模下水平井多层压裂的缝高范围。
同时，本方法能够建立数据库，判断穿层效果，继而形成穿层压裂图版，其有助于快速判断各种不同因素情况下裂缝穿层效果。现场测试表明，本方法能够很好的预测砂泥岩互层水平井压裂裂缝高度，模拟结果可靠。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他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结构来实现和获得。
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的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的穿层压裂图版构建方法的实现流程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的水平井多层压裂三维全耦合模型示意图；
图3和图4是根据本发明一个实施例的水平井多层压裂裂缝扩展形态示意图；
图5是根据本发明一个实施例的穿层压裂图版示意图。
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，借此对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能充分理解并据以实施。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。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，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。
目前，对于砂泥岩交互发育多套砂体的气层压裂裂缝模拟，国内外大多采用FracproPT、Stimplan等压裂设计软件，这些软件一般都是解析的二维或半解析半数值的拟三维解，所满足的是快速的工程设计要求。然而，对于砂泥岩交互层穿层压裂这种复杂的情况，这些软件对于裂缝高度的模拟显得过于简单，缺乏有效的评价方法，难以可靠的判断穿层压裂效果和裂缝高度的范围。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的砂泥岩交互地层水平井压裂三维裂缝扩展模拟方法以及基于该方法的穿层压裂图版构建方法，该方法能够建立全三维的砂泥岩交互层水力压裂数值模型，真实地模拟地层条件下三维裂缝的扩展过程，从而准确判断裂缝在纵向上穿层情况，为水平井压裂优化设计提供指导。
图1示出了本实施例所提供的穿层压裂图版构建方法的实现流程示意图。
如图1所示，本实施例中，该方法优选地首先会在步骤S101中进行砂泥岩交互地层水平井压裂三维裂缝扩展模拟。具体地，本方法在步骤S101中优选地会根据获取到的实际砂泥岩交互地层的地层参数建立水平井多层压裂三维全耦合模型，以模拟裂缝中流体流动、储层渗流、岩石变形与裂缝扩展间的耦合关系。其中，所构建的水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流-应力耦合模型。该方法所建立的水平井多层压裂三维全耦合模型如图2所示。
例如，本实施例中，该方法可以根据实际砂泥岩交互地层的地层参数，以abaqus有限元模拟计算工具为平台，来建立水平井多层压裂三维全耦合模型。当然，在本发明其他实施例中，根据实际需要，该方法还可以利用其他合理工具或方式来建立水平井多层压裂三维全耦合模型，本发明对比并不进行限定。
本实施例中，该方法所建立的水平井多层压裂三维全耦合模型优选地包括多层压裂裂缝扩展地质几何模型。具体地，本实施例中，该方法优选地利用Cohesive单元来预设裂缝扩展方向与最大水平主应力方向平行。即，在多层压裂裂缝扩展地质几何模型中，裂缝扩展方向是与最大水平主应力方向平行的。
砂泥岩层具有不同的初始地应力场、压力场、渗透率、岩石孔隙度、裂缝面滤失系数。此外，计算过程中的输入参数还包括不同层位岩石的弹性模量、泊松比、临界能量释放率等岩石力学和裂缝断裂参数，模型考虑裂缝与储层流体流动与岩石变形间流固耦合效应，通过改变储、隔层厚度、地应力差等地质条件和排量、压裂液粘度等工程条件，可以分析不同因素对裂缝扩展的影响。
本实施例中，该方法所建立的水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流-应力耦合模型。水力压裂过程中，随着排量的增加泵压不断增大，相应的作用于裂缝面上流体渗流压力也不断增加，使得流体向地层的滤失增加，从而导致岩石孔隙中的应力状态的改变，继而造成岩石变形。而岩石中应力的变化必然引起储层孔隙度、流体渗流速度等参数的改变，反过来又会影响到裂缝面上渗流场孔隙压力的变化，储层岩石中这种流体渗流与岩石变形的相互制约、相互作用的的关系即称为渗流-应力耦合。岩石渗流-应力耦合模型则更够较为全面、准确地反映出流体渗流与岩石变形之间的关系。
本实施例中，在岩石渗流-应力耦合模型中，该方法假定储层岩石多孔介质符合Drucker-prager硬化准则，岩石孔隙中完全饱和不可压缩流体。其中，上述岩石渗流-应力耦合模型优选地包括岩石岩石变形力学平衡方程和/或流体渗流连续性方程。
具体地，本实施例中，上述岩石变形力学平衡方程优选地可以表示为：
Figure BDA0002080662940000071
其中，Ω表示积分空间，
Figure BDA0002080662940000072
表示储层岩石中的有效应力，pw表示孔隙流体渗流压力，I表示单位矩阵，
Figure BDA0002080662940000078
表示虚应变场，δv表示岩石节点虚速度场，T表示单位积分区域外表面力，f表示不考虑流体重力的单位体积力，φ表示岩石孔隙度，g表示重力加速度，S表示积分空间表面，ρw表示孔隙流体密度，δ表示应变。
而上述流体渗流连续性方程优选地可以表示为：
Figure BDA0002080662940000073
其中，Ω表示积分空间，φ表示岩石孔隙度，t表示时间，n表示与积分外表面的法线平行的方向，vw表示岩石孔隙间流体流动速度，S表示积分空间表面。
当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流-应力耦合模型还可以表示为其他合理形式。
水力压裂裂缝扩展过程一般都伴随着剪切滑移效应，因此其裂纹模式为复合型裂纹。本实施例中，该方法优选地采用Colesive单元内聚力模型来研究分析这种裂纹形式的起裂及扩展条件，其主要内容为界面拉伸应力-界面相对位移(Traction-Separation)之间的函数响应关系及断裂过程界面能量之间的关系。
具体地，在水平井多层压裂三维全耦合模型中，该方法优选地根据三个方向上应力比确定裂缝起裂条件。例如，该方法可以根据如下表达式来表征上述裂缝起裂条件：
Figure BDA0002080662940000074
其中，σn表示Colesive单元法线方向上的施加应力，
Figure BDA0002080662940000075
表示Colesive单元失效时法线方向上的临界应力，τs和τt分别表示Colesive单元两个切线方向上的施加应力，
Figure BDA0002080662940000076
和
Figure BDA0002080662940000077
分别表示Colesive单元失效时两个切线方向上的临界应力。
根据表达式(3)可知，本实施例中，如果地层在Colesive单元法线方向以及两个切线方向上的应力比平方和达到1时，该方法也就会判断初始断裂发生。
在对于复合型裂缝起裂后的扩展，本实施例中，该方法优选地会首先获取当前裂缝尖端节点处的能量释放率，随后将该能量释放率与预设复合型裂缝临界断裂能量释放率进行比较，进而根据比较确定裂缝扩展状况。
具体地，如果当前裂缝尖端节点处的能量释放率大于所述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率，该方法则会判定当前裂缝尖端节点绑定部分将解开，这样裂缝也就会继续向前扩展；而如果当前裂缝尖端节点处的能量释放率小于或等于预设复合型裂缝临界断裂能量释放率，该方法则会判定当前裂缝尖端节点绑定部分保持，这样裂缝也就不会继续向前扩展。
本实施例中，该方法优选地根据如下表达式确定上述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率：
Figure BDA0002080662940000081
GS＝Gs+Gt (5)
GT＝Gn+GS (6)
其中，
Figure BDA0002080662940000082
表示法向断裂临界应变能量释放率，Gs和Gt表示两切向断裂能量释放率，
Figure BDA0002080662940000083
表示切向断裂临界能量释放率，η表示与材料本身特性有关的常数，Gn表示法向断裂应变能量释放率，GC表示复合型裂缝断裂能量释放率。
本实施例中，
Figure BDA0002080662940000084
与
Figure BDA0002080662940000085
的取值优选地相等，即存在：
Figure BDA0002080662940000086
通过分析发现，作用于裂缝面上压裂液流体压力是裂缝扩展的驱动力，假定流体是连续的且不可压缩，则流体在Colesive单元裂缝内的流动包括沿裂缝面得切向流动以及垂直裂缝面的法向流动。
如果将压裂液视为牛顿流体，在任意时刻的排量为q，则其在裂缝面上的切向流动根据如下表达式模拟得到：
q＝-kt▽p (8)
其中，q表示压裂液的排量，▽p表示流动压力，kt表示流动系数。
本实施例中，该方法优选地根据裂缝开张宽度和压裂液粘度系数来确定流动系数kt。例如，该方法可以根据如下表达式来确定流动系数kt：
Figure BDA0002080662940000091
其中，d表示裂缝张开宽度，μ表示压裂液粘度系数
当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以根据实际需要采用其他合理方式来模拟压裂液在裂缝面上的切向流动。
压裂流体在裂缝面法线方向的流动即为流体向地层的渗流滤失，其可通过设定滤失系数的方式在裂缝表面形成一个渗透层。因此，本实施例中，在水平井多层压裂三维全耦合模型中，该方法优选地会根据预设滤失系数来模拟压裂液在裂缝面的法向流动。
例如，本实施例中，该方法可以根据如下表达式确定所述压裂液在裂缝面的法向流动：
qt＝ct(pi-pt) (10)
qb＝cb(pi-pb) (11)
其中，qt和qb分别表示压裂液在裂缝上下表面的渗流流量，ct和cb分别表示压裂液在裂缝上下表面的滤失系数，pt和pb分别表示压裂液在裂缝上下表面的孔隙压力，pi表示裂缝单元中间面流体压力。
本实施例中，利用构建得到的水平井多层压裂三维全耦合模型，该方法通过设定实际的初始和边界条件并运行计算模型，也就可以模拟砂泥岩交互地层的几何形态与尺寸。例如，本实施例中，该方法模拟得到的水平井多层压裂裂缝扩展形态可以如图3和图4所示。图3和图4显示了在不同施工参数条件下、不同时间裂缝的几何形态，尤其是在纵向上的裂缝穿层效果，这样也就可以评价不同施工参数对裂缝形态的影响，从而有助于实现实现多层压裂裂缝控制，指导水平井压裂优化设计。
为了说明本实施例所提供的砂泥岩交互地层水平井压裂三维裂缝扩展模拟方法的适用性以及可靠性，本实施例以杭锦旗JPH-405井为例来对本方法进行了验证。
杭锦旗JPH-405井是华北杭锦旗区块首次应用全通径无级滑套施工的水平井，该分19段施工，其地质特点为：2个泥岩层,1个砂泥岩段(下部4m，上部12m、5m)，水平段位于盒13层，上隔层与本层最小水平主应力差值3.6MPa，下隔层与本层最小主应力差值4.8MPa，判断压后盒13、盒12层穿层可能性。
其中，压裂过程施工参数如下表所示：
表1
Figure BDA0002080662940000101
泊松比隔层三个方向的临界应力
Figure BDA0002080662940000102
和
Figure BDA0002080662940000103
均为10Mpa，页岩储层三个三面临界应力均为6Mpa，预设法向断裂临界应变能量释放率
Figure BDA0002080662940000104
为26N/mm，两切向断裂临界能量释放率
Figure BDA0002080662940000105
和
Figure BDA0002080662940000106
均为28N/mm，材料常数η为2.25，压裂液粘度系数μ为1×10-3Pa.s,，压裂液滤失系数ct和cb为5.879×10-7Pa.s。
利用上述数据进行模拟，模拟结果表明，JPH-405井压裂初期，裂缝高度主要在盒13层上部延伸，当裂缝进入下部泥岩隔层时净压力增加，裂缝会突破隔层进入盒12层，随之压力曲线趋势整体下降。
其中，具体裂缝参数如下表所示：
表2
压裂段 高度m 穿透层位
第1段 34.8 盒1<sup>2</sup>、盒1<sup>3</sup>
第2段 31.9 盒1<sup>2</sup>、盒1<sup>3</sup>
第5段 29.6 盒1<sup>2</sup>、盒1<sup>3</sup>
第17段 37.4 盒1<sup>2</sup>、盒1<sup>3</sup>
对比数值模拟和压后施工曲线拟合及裂缝高度检测数据可知，水平井实现了有效穿层。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的穿层压裂图版构建方法在对砂泥岩交互地层水平井压裂三维裂缝扩展进行模拟时，应用了有限元数值方法，其能够模拟不同砂泥岩交互地层不同储、隔层厚度、层数及应力差条件下的地质因素对裂缝高度的影响，结合施工排量、射孔方位、压裂液粘度、支撑剂浓度和施工规模等工程因素，分析影响砂泥岩互层油气藏裂缝高度的主控因素，通过对这些因素的认识，最终能够快速判断一定施工规模下水平井多层压裂的缝高范围。
再次如图1所示，本实施例中，该方法在步骤S102中会基于步骤S101中所构建得到的水平井多层压裂三维全耦合模型，模拟不同地质因素对裂缝高度的影响，并结合工程因素分析储层特征参数对穿层压裂的敏感性，形成水平井穿层压裂图版。
具体地，本实施例中，该方法在步骤S102中优选地会应用自动分层计算程序，实现储层厚度、隔层厚度、砂泥岩层数及其排列方式数字化划分，继而模拟不同储、隔层厚度、层数及应力差条件等地质因素对裂缝高度的影响，并考虑施工排量、射孔方位、压裂液粘度、支撑剂浓度和施工规模等工程因素，分析孔隙压力、渗透率、力学参数等储层特征参数对穿层压裂的敏感性，从而形成水平井穿层压裂图版。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，地质因素和/或工程因素既可以仅包含以上所列项中的某一项或某几项，也可以包含其他未列出的合理项，本发明并不对此进行限定。
图5示出了本实施例中所得到的穿层压裂图版的示意图。如图5所示，本实施例中，在需要判断某一待分析地层的裂缝是否能够压裂隔层时，如果待分析地层的储层厚度小于第一预设储层厚度H1，那么该方法则会判定待分析地层的裂缝能够压裂隔层。
例如，对于杭锦旗某井来说，如果待分析地层的储层厚度小于5m(即第一预设储层厚度H1的取值为5m)，那么即使应力差达到6MPa、隔层厚度达到8m，此时该方法仍会判定待分析地层的裂缝能够压裂隔层，即缝高能够延伸至相邻砂体中。
如果待分析地层的储层厚度大于或等于第一预设储层厚度H1且小于第二预设储层厚度H2，那么当上下隔层的隔层厚度小于第一预设隔层厚度L1、应力差小于第一应力差阈值P1时，该方法则会判定此时待分析地层的裂缝能够压裂隔层，即缝高能够延伸至相邻砂体中。
例如，当待分析地层的储层厚度在5m至15m(即第二预设储层厚度H2的取值为15m)之间时，即使上下隔层的隔层厚度小于8m(即第一预设隔层厚度L1的取值为8m)、第一应力差阈值P1小于4MPa时裂缝仍然能够压裂隔层。
而如果待分析地层的储层厚度大于或等于第二预设储层厚度H2但小于第三预设储层厚度H3，同时隔层厚度小于第一预设隔层厚度L1，那么该方法优选地会根据待分析地层的储隔层间的应力差和排量来确定待分析地层的裂缝是是否能够压裂隔层。
而如果待分析地层的储层厚度大于或等于第二预设储层厚度H2但小于第三预设储层厚度H3，同时隔层厚度大于第一预设隔层厚度L1，那么当应力差大于第一预设应力差阈值P1时，该方法优选地则会判定待分析地层的裂缝无法压裂隔层。
例如，当待分析地层的储层厚度在15m至25m(即第三预设储层厚度H3的取值为25m)之间时，如果上下隔层的隔层厚度小于8m(即第一预设隔层厚度L1的取值为8m)，那么当应力差大于4Mpa(即第一应力差阈值P1的取值为4MPa)时裂缝将无法压裂隔层。
如果分析地层的储层厚度大于或等于第三预设储层厚度，此时隔层厚度及应力差对其缝高延伸影响较小，该方法优选地也就会判定待分析地层的裂缝无法压裂隔层。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述各个预设储层厚度和/或应力差阈值的具体取值可以根据实际地层区块的不同而配置为不同的合理值，本发明并不对上述预设储层厚度和/或应力差阈值的具体取值进行限定。
以杭锦旗某井为例，盒1-1小层砂体厚度12m，上覆气层砂体厚度约20m左右，隔层为5m泥岩，计算地应力剖面，得到盒1-1与盒1-3之间泥岩应力差3.2MPa，施工排量4.5m3/min，加砂规模30m3/段，平均砂比22％，平均液量268m3/段，结合穿层图版和地质、工艺参数，可以判断该井处于缝高判别模板的可穿层状态。结合井温测井与数值模拟和压后施工净压力拟合，结果表明，该井人工裂缝总缝高39.9m，裂缝长度158m，其中上缝高约26.4m，在充分改造盒11层的同时，人工裂缝成功了沟通上覆盒13气层。该水平井压裂后试气，油压15.7MPa，套压0MPa，平均日产气量5.0423万方/天，无阻流量20.4077万方/天，日产液量12.8方，改造效果良好。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的穿层压裂图版构建方法能够建立数据库，判断穿层效果，继而形成穿层压裂图版，其有助于快速判断各种不同因素情况下裂缝穿层效果。现场测试表明，本方法能够很好的预测砂泥岩互层水平井压裂裂缝高度，模拟结果可靠。
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或处理步骤，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“一个实施例”或“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“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (16)

1.一种穿层压裂图版构建方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、根据获取到的实际砂泥岩交互地层的地层参数建立水平井多层压裂三维全耦合模型，以模拟裂缝中流体流动、储层渗流、岩石变形与裂缝扩展间的耦合关系，其中，所述水平井多层压裂三维全耦合模型包括岩石渗流-应力耦合模型；
步骤二、基于所述水平井多层压裂三维全耦合模型，模拟不同地质因素对裂缝高度的影响，并结合工程因素分析储层特征参数对穿层压裂的敏感性，形成水平井穿层压裂图版。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，裂缝扩展方向与最大水平主应力方向平行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述岩石渗流-应力耦合模型中，岩石孔隙中完全饱和不可压缩流体。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述岩石渗流-应力耦合模型包括岩石变形力学平衡方程，所述岩石变形力学平衡方程为：
Figure FDA0002080662930000011
其中，Ω表示积分空间，
Figure FDA0002080662930000012
表示储层岩石中的有效应力，pw表示孔隙流体渗流压力，I表示单位矩阵，
Figure FDA0002080662930000013
表示虚应变场，δv表示岩石节点虚速度场，T表示单位积分区域外表面力，f表示不考虑流体重力的单位体积力，φ表示岩石孔隙度，g表示重力加速度，S表示积分空间表面，ρw表示孔隙流体密度，δ表示应变。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述岩石渗流-应力耦合模型包括流体渗流连续性方程，所述流体渗流连续性方程为：
Figure FDA0002080662930000014
其中，Ω表示积分空间，φ表示岩石孔隙度，t表示时间，n表示与积分外表面的法线平行的方向，vw表示岩石孔隙间流体流动速度，S表示积分空间表面。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，根据三个方向上应力比确定裂缝起裂条件。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述裂缝起裂条件为：
Figure FDA0002080662930000021
其中，σn表示Colesive单元法线方向上的施加应力，
Figure FDA0002080662930000022
表示Colesive单元失效时法线方向上的临界应力，τs和τt分别表示Colesive单元两个切线方向上的施加应力，
Figure FDA0002080662930000023
和
Figure FDA0002080662930000024
分别表示Colesive单元失效时两个切线方向上的临界应力。
8.如权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，获取当前裂缝尖端节点处的能量释放率，并将该能量释放率与预设复合型裂缝临界断裂能量释放率进行比较，根据比较确定裂缝扩展状况。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，如果所述当前裂缝尖端节点处的能量释放率大于所述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率，则判定所述当前裂缝尖端节点绑定部分将解开，裂缝向前扩展。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定所述预设复合型裂缝临界断裂能量释放率：
Figure FDA0002080662930000025
GS＝Gs+Gt
GT＝Gn+GS
其中，
Figure FDA0002080662930000026
表示法向断裂临界应变能量释放率，Gs和Gt表示两切向断裂能量释放率，
Figure FDA0002080662930000027
表示切向断裂临界能量释放率，η表示与材料本身特性有关的常数，Gn表示法向断裂应变能量释放率，GC表示复合型裂缝断裂能量释放率。
11.如权利要求1～10中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，压裂液为牛顿流体，根据所述压裂液的排量模拟所述压裂液在裂缝面上的切向流动。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据如下表达式模拟所述压裂液在裂缝面上的切向流动：
q＝-kt▽p
Figure FDA0002080662930000031
其中，q表示压裂液的排量，▽p表示流动压力，kt表示流动系数，d表示裂缝张开宽度，μ表示压裂液粘度系数。
13.如权利要求1～12中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水平井多层压裂三维全耦合模型中，根据预设滤失系数模拟压裂液在裂缝面的法向流动。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定所述压裂液在裂缝面的法向流动：
qt＝ct(pi-pt)
qb＝cb(pi-pb)
其中，qt和qb分别表示压裂液在裂缝上下表面的渗流流量，ct和cb分别表示压裂液在裂缝上下表面的滤失系数，pt和pb分别表示压裂液在裂缝上下表面的孔隙压力，pi表示裂缝单元中间面流体压力。
15.如权利要求1～14中任一项所述的方法，其特征在于，
所述地质因素包括储层厚度、隔层厚度、层数和应力差中的任一项或几项；
所述工程因素包括施工排量、射孔方位、压裂液粘度、支撑剂浓度和施工规模中的任一项或几项。
16.如权利要求1～15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水平井穿层压裂图版中，
如果待分析地层的储层厚度小于第一预设储层厚度，那么则判定所述待分析地层的裂缝能够压裂隔层；
如果所述待分析地层的储层厚度大于或等于第二预设储层厚度且小于第三预设储层厚度，同时隔层厚度大于第一预设隔层厚度，那么当应力差大于第一预设应力差阈值时中判定所述待分析地层的裂缝无法压裂隔层；
如果所述分析地层的储层厚度大于或等于第三预设储层厚度，则判定所述待分析地层的裂缝无法压裂隔层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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