CN112257304B - 页岩地层直井水力裂缝高度预测方法 - Google Patents

页岩地层直井水力裂缝高度预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法。页岩地层直井水力裂缝高度预测方法包括：S1、建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系，影响指标体系包括多个影响指标；S2、建立页岩地层水力压裂模型；S3、采用扩展有限单元法计算页岩地层水力裂缝高度；S4、在各影响指标的取值范围内开展拉丁超立方抽样，并计算各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度；S5、基于多元自适应回归样条法建立各影响指标关于页岩地层水力裂缝高度的预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。本发明解决了现有技术中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法建模繁琐、数值计算机时多的问题。

Description

页岩地层直井水力裂缝高度预测方法
技术领域
本发明涉及能源开采技术领域，具体而言，涉及一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法。
背景技术
页岩储层作为我国重要的能源组成部分，具有纵向层数多、单层厚度薄、平面分布广等特征。受页岩油丰度低、储层渗流能力差等地质特征制约，页岩储层单井一般无自然产能或自然产能低于工业油流下限，且储层能量衰减快、补给困难。以地质工程一体化理念为指导，针对页岩油储层薄互层发育的特点，通过实现“甜点区”的科学系统评价，通过直井分段体积压裂实现“人造高渗区、重构渗流场”等技术体系，对破解页岩油经济开采困局、实现工业效益开采具有重要意义。页岩储层中的富含有机质岩石在成藏过程中，在埋深、压力、温度、应力等复杂外部环境下，呈现出明显的层理结构特征。在层理发育程度与其力学性质影响下，页岩的抗压、抗拉、硬度等力学特征参数等存在明显的各向异性，层理面往往为地层中的力学薄弱面，受到外力时易先于页岩本体而破坏。在页岩储层开展水力压裂施工过程中，水力裂缝受层理影响显著，裂缝形态与常规地层存在较大差异，对储层有效改造体积影响巨大，因此，急需开展人工裂缝缝高预测，优化压裂工艺及施工参数，达到提高单井产量的目的。
并且，在现有技术中还提供了一种利用测井资料预测判断水力压裂裂缝高度的方法，具体包括利用阵列声波资料以及过套管交叉偶极横波测井资料可准确地检测和预测水力压裂裂缝的缝高，从而定量地对压裂施工作业进行指导和评估。相比于常规测井方法，该论文中的两种方法具有简单、直观、快速、不受井时限制以及便于推广等优势，但在没有加测阵列声波资料的井，该方法的适用性受到限制。
中国专利CN108280275A公开了一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，该方法包括建立由隔层-储层-隔层组成的三维水力压裂裂缝扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，进而分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系，用以指导现场控制缝高压裂时施工参数的制定。但该方法需要通过建立页岩地层模型和流固耦合数值方程，进而进行扩展有限元数值模拟，以确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度，建模过程较繁琐，数值计算所需机时较多。
针对现有技术存在的建模繁琐、数值计算机时较多等问题，需要寻找一种水力裂缝高度的预测方法，使得该方法能够高效而准确地对各工况下页岩地层水力裂缝高度进行预测。
因此，现有技术中存在页岩地层直井水力裂缝高度预测方法建模繁琐、数值计算机时多的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，以解决现有技术中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法建模繁琐、数值计算机时多的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，包括：S1、建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系，影响指标体系包括多个影响指标；S2、建立页岩地层水力压裂模型；S3、采用扩展有限单元法计算页岩地层水力裂缝高度；S4、在各影响指标的取值范围内开展拉丁超立方抽样，并计算各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度；S5、基于多元自适应回归样条法建立各影响指标关于页岩地层水力裂缝高度的预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。
进一步地，在步骤S2中，根据目标地层埋深和应力条件，采用横观各向同性材料描述页岩地层的岩石力学特性及渗透特性，建立包含射孔及步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的力学模型。
进一步地，步骤S2包括：S21、根据目标井深位置和应力状态建立力学模型，并确定射孔方位；S22、根据应力边界条件，开展地应力平衡，计算初始井周应力场；S23、采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，定义页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率以及页岩孔隙比。
进一步地，步骤S3包括：S31、根据设计的射孔方位，在地层中设置起裂方位；S32、在射孔位置施加设计的压裂液排量，模拟水力压裂过程；S33、裂缝扩展至设计压裂时间，裂缝停止扩展，统计水力裂缝高度。
进一步地，步骤S4包括：S41、统计各影响指标的取值范围；S42、在步骤S41所统计各影响指标取值范围内开展拉丁超立方抽样，获得N组影响指标的组合条件，其中100≤N≤5000；S43、使用扩展有限单元法，计算步骤S42中各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度。
进一步地，步骤S5包括：S51、以步骤S42中各影响指标组合为输入矩阵，以步骤S43中各影响指标组合条件下的水力裂缝高度为输出矩阵，建立多元自适应回归样条预测模型；S52、采用交叉验证法确定步骤S51所建立的预测模型所需的基函数数量M；S53、建立基函数数量M条件下的多元自适应回归样条预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。
进一步地，步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的各影响指标根据地层应力状态、页岩岩石力学参数及施工参数确定。
进一步地，步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的各影响指标包括：射孔方位、垂向-水平主应力差、页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率，页岩孔隙比，压裂液排量及压裂时间。
进一步地，射孔方位的取值范围为0°-90°、垂向-水平主应力差的取值范围为8-20MPa、页岩垂向杨氏模量的取值范围为18-20GPa，页岩垂向泊松比的取值范围为0.09-0.11，页岩垂向渗透率的取值范围为0.003-0.005mD。
进一步地，页岩横向杨氏模量的取值范围为10-12GPa，页岩横向泊松比的取值范围为0.09-0.11，页岩横向渗透率的取值范围为0.004-0.006mD，页岩孔隙比的取值范围为0.1-0.12，压裂液排量的取值范围为6-9m3/min，压裂时间的取值范围为180-240min。
应用本发明的技术方案，本申请中的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法包括：S1、建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系，影响指标体系包括多个影响指标；S2、建立页岩地层水力压裂模型；S3、采用扩展有限单元法计算页岩地层水力裂缝高度；S4、在各影响指标的取值范围内开展拉丁超立方抽样，并计算各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度；S5、基于多元自适应回归样条法建立各影响指标关于页岩地层水力裂缝高度的预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。
本发明采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，避免了传统方法对层理单独建模，导致单元数量过于庞大的弊端。并且，本发明在模型中利用扩展有限元方法判定三维裂缝的扩展方向，并统计水力裂缝高度，采用拉丁超立方抽样结合多元自适应回归样条法建立各影响指标关于水力裂缝高度的预测模型，避免了传统响应面法需要假设基函数阶数的问题，实现页岩地层水力裂缝高度的高效、准确预测。
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示出了根据本发明的一个具体实施例的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法流程图；
图2示出了本发明的一个具体实施例中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法的力学模型几何及边界条件图；
图3示出了本发明的一个具体实施例中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法的压裂200min后模型中的孔隙流体压力分布图；
图4示出了本发明的一个具体实施例中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法的GCV随基函数数量M变化趋势图；
图5示出了本发明的一个具体实施例中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法的模型预测结果与扩展有限元计算结果对比图。
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。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法建模繁琐、数值计算机时多的问题，本申请提供了一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法。
本申请中的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法包括：S1、建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系，影响指标体系包括多个影响指标；S2、建立页岩地层水力压裂模型；S3、采用扩展有限单元法计算页岩地层水力裂缝高度；S4、在各影响指标的取值范围内开展拉丁超立方抽样，并计算各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度；S5、基于多元自适应回归样条法建立各影响指标关于页岩地层水力裂缝高度的预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。
本发明采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，避免了传统方法对层理单独建模，导致单元数量过于庞大的弊端。并且，本发明在模型中利用扩展有限元方法判定三维裂缝的扩展方向，并统计水力裂缝高度，采用拉丁超立方抽样结合多元自适应回归样条法建立各影响指标关于水力裂缝高度的预测模型，避免了传统响应面法需要假设基函数阶数的问题，实现页岩地层水力裂缝高度的高效、准确预测。
如图1所示，为本申请的一个具体实施例中页岩地层直井水力裂缝高度预测方法的流程图，主要包括：建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系、采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，建立页岩地层水利压裂模型、采用扩展有限单元法计算页岩地层水力裂缝高度、在各参数取值范围内展开超拉丁立方抽样，并计算各影响指标组合条件下的水力裂缝高度、基于多元自适应回归样条法建立各影响指标关于水力裂缝高度的预测模型。
具体地，在步骤S2中，根据目标地层埋深和应力条件，采用横观各向同性材料描述页岩地层的岩石力学特性及渗透特性，建立包含射孔及步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的力学模型。
如图2所示，步骤S2包括：S21、根据目标井深位置和应力状态建立力学模型，并确定射孔方位；S22、根据应力边界条件，开展地应力平衡，计算初始井周应力场；S23、采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，定义页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率以及页岩孔隙比。并且，各个参数的取值见下表1。
表1页岩地层水力裂缝高度影响指标取值
Figure BDA0002683317960000052
具体地，步骤S3包括：S31、根据设计的射孔方位，在地层中设置起裂方位；S32、在射孔位置施加设计的压裂液排量，模拟水力压裂过程；S33、裂缝扩展至设计压裂时间，裂缝停止扩展，统计此时水力裂缝高度H，其中模拟孔隙流体水利压力分布如图3所示。
具体地，步骤S4包括：S41、统计各影响指标的取值范围，各影响指标的取值范围如表2所示。
表2.水力裂缝高度影响指标取值范围
Figure BDA0002683317960000051
Figure BDA0002683317960000061
S42、在步骤S41所统计各影响指标取值范围内开展拉丁超立方抽样，获得N组影响指标的组合条件，如表3所示，其中100≤N≤5000；S43、使用扩展有限单元法，计算步骤S42中各影响指标的组合条件下的页岩地层水力裂缝高度，如表3中H列所示。
表3.拉丁超立方抽样组合及相应裂缝高度
Figure BDA0002683317960000062
Figure BDA0002683317960000071
Figure BDA0002683317960000081
具体地，步骤S5包括：S51、以步骤S42中各影响指标组合为输入矩阵，以步骤S43中各影响指标组合条件下的水力裂缝高度(表3中H列)为输出矩阵，建立多元自适应回归样条预测模型，在MATLAB中实现语句为：
params＝aresparams2('maxFuncs',40,'maxInteractions',2)；
[model,～,resultsEval]＝aresbuild(X,Y,params)
figure；
hold on；grid on；box on；
h(1)＝plot(resultsEval.MSE,'Color',[0 0.447 0.741])；
h(2)＝plot(resultsEval.GCV,'Color',[0.741 0 0.447])；
numBF＝numel(model.coefs)；
h(3)＝plot([numBF numBF],get(gca,'ylim'),'--k')；
xlabel('Number of basis functions')；
ylabel('MSE,GCV')；
legend(h,'MSE','GCV','Selected model')；
areseq(model,5)；
S52、采用交叉验证法(GCV)确定步骤S51所建立的预测模型所需的基函数数量M，结果如图4所示，当M＝24时，GCV达到稳定值，多元自适应回归样条预测模型最优基函数数量M＝24；S53、建立基函数数量M条件下的多元自适应回归样条预测模型，预测页岩地层水力裂缝高度。
预测模型可表示为：
BF1＝C(x4|+1,0.039254,0.06474,0.5299)
BF2＝C(x2|+1,0.34774,0.52205,0.67057)
BF3＝C(x2|-1,0.34774,0.52205,0.67057)
BF4＝C(x1|-1,0.21355,0.4267,0.44679)
BF5＝C(x5|+1,0.34577,0.68422,0.84085)
BF6＝C(x5|-1,0.34577,0.68422,0.84085)
BF7＝C(x3|+1,0.35546,0.55109,0.6691)
BF8＝BF2*C(x1|+1,0.49312,0.51935,0.75663)
BF9＝BF2*C(x1|-1,0.49312,0.51935,0.75663)
BF10＝BF3*C(x1|-1,0.44679,0.46688,0.49312)
BF11＝C(x3|+1,0.081473,0.15983,0.35546)
BF12＝C(x1|+1,0.21355,0.4267,0.44679)*C(x2|+1,0.67057,0.81909,0.90792)
BF13＝C(x1|+1,0.21355,0.4267,0.44679)*C(x2|-1,0.67057,0.81909,0.90792)
BF14＝C(x3|+1,0.6691,0.78712,0.88823)
BF15＝C(x3|-1,0.6691,0.78712,0.88823)
BF16＝C(x1|+1,0.21355,0.4267,0.44679)*C(x2|+1,0.088224,0.17343,0.34774)
BF17＝C(x1|+1,0.21355,0.4267,0.44679)*C(x2|-1,0.088224,0.17343,0.34774)
y＝-0.92075+9.8169*BF1+7.5374*BF2-13.917*BF3-15.493*BF4+4.6498*BF5-5.1358*BF6+14.101*BF7-58.297*BF8-12.713*BF9+26.732*BF10+16.505*BF11-45.16*BF12+10.476*BF13-13.936*BF14+22.166*BF15+17.011*BF16-46.639*BF17
采用上述多元自适应回归样条预测模型可实现页岩地层水力裂缝高度的高效预测。开展10种工况下的页岩地层水力裂缝高度预测，如表4所示，并与扩展有限元计算结果对比，如图5所示。
表4页岩地层水力裂缝高度预测结果
Figure BDA0002683317960000101
由表4和图5可知，页岩地层水力裂缝高度预测结果与计算结果基本相符，验证了本发明中预测方法的准确性和可靠性。
具体地，步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的各影响指标根据地层应力状态、页岩岩石力学参数及施工参数确定。
具体地，步骤S1中页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的各影响指标包括：射孔方位、垂向-水平主应力差、页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率，页岩孔隙比，压裂液排量及压裂时间。
具体地，射孔方位的取值范围为0°-90°、垂向-水平主应力差的取值范围为8-20MPa、页岩垂向杨氏模量的取值范围为18-20GPa，页岩垂向泊松比的取值范围为0.09-0.11，页岩垂向渗透率的取值范围为0.003-0.005mD。页岩横向杨氏模量的取值范围为10-12GPa，页岩横向泊松比的取值范围为0.09-0.11，页岩横向渗透率的取值范围为0.004-0.006mD，页岩孔隙比的取值范围为0.1-0.12，压裂液排量的取值范围为6-9m3/min，压裂时间的取值范围为180-240min。
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：
1.本发明采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，避免了传统方法对层理单独建模，导致单元数量过于庞大的弊端。
2.本发明在模型中利用扩展有限元方法判定三维裂缝的扩展方向，并统计水力裂缝高度，采用拉丁超立方抽样结合多元自适应回归样条法建立各影响指标关于水力裂缝高度的预测模型，避免了传统响应面法需要假设基函数阶数的问题，实现页岩地层水力裂缝高度的高效、准确预测。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，包括：
S1、建立页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系，所述影响指标体系包括多个影响指标；
S2、建立页岩地层水力压裂模型；
S3、采用扩展有限单元法计算所述页岩地层水力裂缝高度；
S4、在各所述影响指标的取值范围内开展拉丁超立方抽样，并计算各所述影响指标的组合条件下的所述页岩地层水力裂缝高度；
S5、基于多元自适应回归样条法建立开展拉丁超立方抽样后的各影响指标的组合关于所述页岩地层水力裂缝高度的预测模型，预测所述页岩地层水力裂缝高度。
2.根据权利要求1所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据目标地层埋深和应力条件，采用横观各向同性材料描述页岩地层的岩石力学特性及渗透特性，建立包含射孔及所述步骤S1中所述页岩地层水力裂缝高度的影响指标体系的力学模型。
3.根据权利要求2所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、根据目标井深位置和应力状态建立力学模型，并确定射孔方位；
S22、根据应力边界条件，开展地应力平衡，计算初始井周应力场；
S23、采用横观各向同性材料描述页岩的岩石力学特性及渗透特性，定义页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率以及页岩孔隙比。
4.根据权利要求1所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31、根据设计的射孔方位，在地层中设置起裂方位；
S32、在射孔位置施加设计的压裂液排量，模拟水力压裂过程；
S33、裂缝扩展至设计压裂时间，裂缝停止扩展，统计水力裂缝高度。
5.根据权利要求1所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41、统计各所述影响指标的取值范围；
S42、在所述步骤S41所统计各影响指标取值范围内开展拉丁超立方抽样，获得N组所述影响指标的组合条件，其中100≤N≤5000；
S43、使用扩展有限单元法，计算所述步骤S42中各所述影响指标的组合条件下的所述页岩地层水力裂缝高度。
6.根据权利要求5所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51、以所述步骤S42中各所述影响指标组合为输入矩阵，以所述步骤S43中各所述影响指标组合条件下的水力裂缝高度为输出矩阵，建立多元自适应回归样条预测模型；
S52、采用交叉验证法确定所述步骤S51所建立的预测模型所需的基函数数量M；
S53、建立所述基函数数量M条件下的多元自适应回归样条预测模型，预测所述页岩地层水力裂缝高度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S1中所述页岩地层水力裂缝高度的所述影响指标体系的各所述影响指标根据地层应力状态、页岩岩石力学参数及施工参数确定。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述步骤S1中所述页岩地层水力裂缝高度的所述影响指标体系的各所述影响指标包括：射孔方位、垂向-水平主应力差、页岩垂向杨氏模量，页岩垂向泊松比，页岩垂向渗透率，页岩横向杨氏模量，页岩横向泊松比，页岩横向渗透率，页岩孔隙比，压裂液排量及压裂时间。
9.根据权利要求8所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述射孔方位的取值范围为0°-90°、所述垂向-水平主应力差的取值范围为8-20MPa、所述页岩垂向杨氏模量的取值范围为18-20GPa，所述页岩垂向泊松比的取值范围为0.09-0.11，所述页岩垂向渗透率的取值范围为0.003-0.005mD。
10.根据权利要求8所述的页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，其特征在于，所述页岩横向杨氏模量的取值范围为10-12GPa，所述页岩横向泊松比的取值范围为0.09-0.11，所述页岩横向渗透率的取值范围为0.004-0.006mD，所述页岩孔隙比的取值范围为0.1-0.12，所述压裂液排量的取值范围为6-9m3/min，所述压裂时间的取值范围为180-240min。
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