CN112417784B - 一种基于位错理论计算水力压裂产生应力场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于位错理论计算水力压裂诱导应力场的方法，基于对象井的地质参数和分段压裂或重复压裂水力裂缝基本参数，如裂缝位置坐标、基本尺寸与数量等，采用位错理论对水力裂缝面沿不同方向发生的位错来表征水力裂缝的拉伸或剪切破坏，并分别计算每条水力裂缝拉伸或剪切所导致的诱导应力场，最后采用叠加理论对多条水力裂缝诱导应力场进行叠加获得区域诱导应力场。该方法通过裂缝面位错合理表征了不同类型的水力裂缝，可准确的得出多条水力裂缝共同作用下的诱导应力场。

Description

一种基于位错理论计算水力压裂产生应力场的方法

技术领域

本发明涉及深部能源开发及相关工程领域，包括油气资源开采、煤矿开采和地热开发。

背景技术

多段水力压裂及其重复压裂是高效开发深部油气资源的重要手段。分段水力压裂中，每个压裂段含有若干条水力裂缝，通常按照一定压裂次序压完一个压裂段后进行另一个压裂段的水力压裂。由于前一段的水力裂缝的形成会对原地应力造成扰动，影响后续压裂段中水力裂缝的起裂和扩展。为此，深入理解水力裂缝扰动下的地应力变化有助于优化水力压裂设计从而获得最佳的压裂效果。

目前，由于多段水力压裂裂缝的形成受到多种不同因素的影响，各因素影响下的应力变化情况更是难以直接从现有压裂理论中进行求取。基于位错理论直接将不同类型水力裂缝表征为水力裂缝面沿不同方向发生位错的方法，可简单快速准确的获得水力压裂诱导应力场。

发明内容

本发明提供一种基于位错理论的计算水力压裂诱导应力场的方法。

一种基于位错理论计算水力压裂产生应力场的方法，主要包括以下步骤：

S1、确定对象井的基本概况，包括地质参数和分段压裂或重复压裂参数等；

S2、确定所述对象井的水力压裂裂缝的基本参数，包括裂缝位置坐标、基本尺寸与数量等；

S3、通过S2中水力压裂裂缝面沿不同方向的位错表征实际的拉伸或剪切水力裂缝；

S4、通过应力坐标转换计算S2中所述的每一条水力裂缝位错产生的应力场；

S5、通过应力叠加理论对S4中所述应力场进行叠加得到区域的完整应力场。

所述的裂缝高度和长度可通过微地震监测系统获得，而最大裂缝宽度可通过总压裂液流量除以裂缝面积进行估计，也可通过其他方法获得的结果进行调整取值。

直线应力场理论即研究直线段产生位错对周围空间一系列状态如位移、应力场、能量、物质组成的影响。对于其他几何形状或复杂的位错阵列，很难精确地解决弹性问题，但是可以从较简单的结果中得出这些情况下的近似解。此外，通过考虑直线位错相互作用的精确解，可以对更复杂的相互作用进行定性评价。主要考虑将某范围内物体的状态变化简化为多条直线段的位错，分别计算对周围位移、应力和能量等变化的影响，最后进行叠加。

步骤S4中单条拉伸水力裂缝位错对周围空间任一点的六个应力分量分别计算如下：

式中：

(x,y,z)——图3中空间内任一点坐标；

z’——产生位错直线段坐标值；

(b_x,b_y,b_z)——位错矢量；

σ₀＝E/8π(1-v²)(E——弹性模量，v——泊松比)；

λ＝z′-z；

R²＝x²+y²+(z′-z)²。

所述S5具体为：由于应力场在S4中已经全部转换为原坐标系下，状态的变化看作是瞬时完成，应力场采用线性叠加即可。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明以直线位错理论中的应力变化为理论基础，首先得到每一条水力裂缝位错产生的应力场的解析解，然后再进行叠加得到整个区域诱导应力场的解析解。该解析解可以进行随意改动、导入与导出，每一个应力分量也可以清晰的得出。

2)本发明中考虑在一定精度范围内将复杂水力裂缝简化为多边形，通过每一条边发生位错实现整个裂缝面的位错，这一步可以极大的减小计算量，提高计算效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为单条水力裂缝计算情况；

图2为三条水力裂缝计算情况；

图3为本发明中直线段位错应力场的基本计算单元；

图4为基于单段理想井单条裂缝模型下的主应力StressYY结果；

图5为基于单段理想井三条裂缝模型下的主应力StressYY结果；

图6为基于单段理想井单条裂缝模型下的沿X轴方向的各应力分量折线图；

图7为基于单段理想井单条裂缝模型下的沿Y轴方向的各应力分量折线图；

图8为基于单段理想井的单条和三条裂缝模型下的沿X轴方向的各应力分量折线对比图；

图9为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1

S1、确定对象井的基本概况，包括基本参数和是否分段与重复压裂等。本实例中油藏岩石弹性模量为40GPa、泊松比为0.2，分别建立单段水平井和单口水平井的模型，其中单口水平井分为20段，每段井身长75m。

S2、确定水力压裂裂缝的基本参数，包括裂缝位置坐标、基本尺寸与数量等。本实例中裂缝数量在单段水平井上分别取1条和3条进行对照；裂缝位置坐标可首先根据实测井身任意的一系列三维坐标点首先确定井身轨迹，再根据裂缝的任一坐标推算出其三维坐标；裂缝的高度和长度限制范围可通过微地震监测系统获得，而最大裂缝宽度可通过总压裂液流量除以裂缝面积进行，也可通过其他方法获得的结果进行调整取值；

S3、将水力压裂裂缝简化为多边形，以裂缝宽度方向矢量代替位错。

本实施例中取裂缝长度L＝400m，高度H＝200m。裂缝总宽度为24mm，对于单条裂缝情况，裂缝位于井段中间，宽度24mm，如图1所示；对于三条裂缝情况，中间裂缝位于井段中间，另外两条与中间裂缝距离25m，位于两边，每条裂缝宽度均为8mm，如图2所示。

S4、对不符合位错理论应力场计算公式的直线段进行坐标转换使其满足计算公式(非必经步骤)。计算直线段位错产生的应力场公式是基于位错直线段位于Z轴上编写的，而对象的状态变化简化为的多条直线段不可能全集中在一条直线上，因此需要用到坐标转换的知识。以对象直线段所在直线方向为新Z轴，以同时垂直于原Z轴和新Z轴的直线为旋转轴确定旋转角θ，再根据新Z轴和旋转角θ确定坐标转换矩阵R，便可进行空间点和位错的新旧坐标转换。

S5、计算每一条直线段位错产生的应力场。基本计算单元如图3所示，位于Z轴上长度为r’的直线段产生dI₂的位错，研究该位错对空间内任意一点(x,y,z)应力场的影响。位于Z轴的直线度发生位错对周围空间任一点的六个应力分量影响计算公式见上文。

S6、将上一步算得每一条直线段的应力场进行线性叠加。先将之前算得的每一条直线段位错产生的应力场进行叠加，由于应力场在上一步中已经全部转换为原坐标系下的，状态的变化也可看作是瞬时完成的，此处进行应力场的线性叠加即可，图4和图5为本发明基于单段理想井的单条和三条裂缝模型下分析得出的主应力StressYY方向的云图，图6和图7为本发明基于单段理想井单条裂缝模型下分析得出的沿X轴方向和沿Y轴方向的各应力分量折线图。

作为实施例，在S6得到完整应力场的基础上可以进行更深层次的研究。首先对比单端井身上单条裂缝和三条裂缝的应力情况，图8为本发明基于单段理想井的单条和三条裂缝模型下分析得出的沿X轴方向的各应力分量折线对比图，对比可得两种情况误差较小，可以得出单条裂缝在一定精确度范围内可以代替三条或者多条裂缝的结论。

Claims (3)

1.一种基于位错理论计算水力压裂产生应力场的方法，特征是，包括以下步骤：

S1、确定对象井的情况，包括地质参数和压裂参数,压裂参数为分段压裂或重复压裂参数；

S2、确定对象井的水力压裂裂缝的基本参数，包括裂缝位置坐标、基本尺寸与数量；

S3、通过S2中水力压裂裂缝面沿不同方向的位错表征实际的拉伸或剪切水力裂缝；将水力压裂裂缝简化为多边形，以裂缝宽度方向矢量代替位错；

S4、对不符合位错理论应力场计算公式的直线段进行坐标转换使其满足计算公式；

S5、计算每一条水力裂缝位错产生的应力场；

S6、通过应力叠加理论对S5中应力场进行叠加得到区域的完整应力场；

步骤S5中单条拉伸水力裂缝位错对周围空间任一点的六个应力分量分别计算如下：

式中：

(x,y,z)——空间内任一点坐标；

z’——产生位错直线段坐标值；

(b_x,b_y,b_z)——位错矢量；

σ₀＝E/8π(1-ν²)，E——弹性模量，ν——泊松比；

λ＝z′-z；

R²＝x²+y²+(z′-z)²。

2.如权利要求1所述方法，特征是，裂缝高度和长度通过微地震监测系统获得，而最大裂缝宽度通过总压裂液流量除以裂缝面积进行估计。

3.如权利要求1所述方法，特征是，所述S6具体为：由于应力场在S5中已经全部转换为原坐标系下，状态的变化看作是瞬时完成，应力场采用线性叠加即可。

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