CN113326599A - 一种裸眼井破裂压力剖面计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裸眼井破裂压力剖面计算方法，其包含：步骤一：基于裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力；步骤二：基于裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角；步骤三：基于地应力参数、岩石力学参数、孔隙度、地层压力、井斜角以及相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的裸眼井的破裂压力剖面。本发明考虑储层物性差异的影响和多种井型应用对象，有效解决了裸眼井破裂压力剖面计算准确性和适用性的难题，能够广泛为不同岩性(砂岩、页岩、碳酸盐岩、火成岩)、不同井型(直井、水平井、定向井)的裸眼井破裂压力剖面计算提供有效指导。

Description

一种裸眼井破裂压力剖面计算方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，具体地说，涉及一种裸眼井破裂压力剖面计算方法。

背景技术

破裂压力定义为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。破裂压力是石油工程方案设计中一项重要的基础参数，钻完井工程中的泥浆密度设计、水力压裂或酸化压裂中的施工参数优化、注水工程中注水压差控制都直接依赖于地层的破裂压力大小。

随着油气勘探开发的深入，在原来直井的基础上，定向井、水平井、大位移井越来越多，破裂压力的预测也由原来单点单层破裂压力预测向长井段破裂压力剖面发展。由于裸眼完井具有建井成本低、泄流面积大、自然产能高、压裂难度低等优势，裸眼井在油田开发中的应用越来越多。因此，裸眼井破裂压力剖面的准确预测显得至关重要。

现有的裸眼井破裂压力计算方法尚存在以下局限：①长井段破裂压力剖面的计算中，未考虑储层物性差异对破裂压力的影响；②针对井型单一(如直井或水平井)，难以考虑实际井身轨迹的差异，无法同时考虑多种井型。

因此，本发明提供了一种裸眼井破裂压力剖面计算方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种能够为钻井、压裂、注水中的方案优化提供重要参数依据的裸眼井破裂压力剖面计算方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于所述裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力；

步骤二：基于所述裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角；

步骤三：基于所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述孔隙度、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的所述裸眼井的破裂压力剖面。

根据本发明的一个实施例，所述地应力参数包含最小水平主应力、最大水平主应力以及垂向应力。

根据本发明的一个实施例，所述岩石力学参数包含泊松比以及抗张强度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三中，具体包含以下步骤：

依据所述孔隙度，通过所述Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数；

依据所述Biot系数，结合所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过所述破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力；

导出按照井深步长计算得到的所述破裂压力，获得破裂压力随井深变化的所述破裂压力剖面。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示所述Biot系数；φ表示所述孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数；υ表示所述泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示所述最小水平主应力，MPa；σ_H表示所述最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的所述相对方位角，°；σ_v表示所述垂向应力，MPa；p_p表示所述地层压力，MPa；σ_t表示所述抗张强度，MPa；θ表示所述井斜角，°；p_f表示所述破裂压力，MPa。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种裸眼井破裂压力剖面计算装置，所述装置包含：

第一模块，其用于基于所述裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力；

第二模块，其用于基于所述裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角；

第三模块，其用于基于所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述孔隙度、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的所述裸眼井的破裂压力剖面。

根据本发明的一个实施例，所述第三模块中还包含：

第一单元，其用于依据所述孔隙度，通过所述Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数；

第二单元，其用于依据所述Biot系数，结合所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过所述破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力；

第三单元，其用于导出按照井深步长计算得到的所述破裂压力，获得破裂压力随井深变化的所述破裂压力剖面。

根据本发明的一个实施例，所述第一单元通过以下公式计算得到所述Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示所述Biot系数；φ表示所述孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

根据本发明的一个实施例，所述第二单元通过以下公式计算得到所述破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数；υ表示泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示最小水平主应力，MPa；σ_H表示最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的所述相对方位角，°；σ_v表示垂向应力，MPa；p_p表示所述地层压力，MPa；σ_t表示抗张强度，MPa；θ表示所述井斜角，°；p_f表示所述破裂压力，MPa。

本发明提供的裸眼井破裂压力剖面计算方法及装置基于测井资料获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度、地层压力，基于井身轨迹数据获取井斜角、相对方位角，综合各项参数计算破裂压力，最后按深度步长获得完整的破裂压力剖面。本发明考虑了储层物性差异的影响和多种井型应用对象，有效解决了裸眼井破裂压力剖面计算准确性和适用性的难题，能够广泛为不同岩性(砂岩、页岩、碳酸盐岩、火成岩)、不同井型(直井、水平井、定向井)的裸眼井破裂压力剖面计算提供有效指导。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算方法流程图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算方法流程图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的最小水平主应力、最大水平主应力、垂向应力、地层压力、抗张强度、泊松比、孔隙度、井斜角、相对方位角剖面图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的破裂压力计算结果剖面图；以及

图5显示了根据本发明的一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

连续剖面的获取是泥浆密度剖面、分段选段、压裂参数优化的基础，针对目现有技术破裂压力计算方法的局限，需要一种能够同时考虑储层物性差异的影响和多种井型应用对象，并能够准确计算裸眼井破裂压力剖面的方法。

图1显示了根据本发明的一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算方法流程图。

如图1，在步骤S101中，基于裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力。优选地，地应力系数包含最小水平主应力、最大水平主应力以及垂向应力。岩石力学参数包含孔隙度以及抗张强度。

在一个实施例中，最小水平主应力、最大水平主应力可以通过声波和密度测井数据，结合应力模型计算获得；垂向应力可以通过密度测井数据随井深积分计算获得；地层压力可以通过测井资料采用伊顿法计算得到，或者通过钻井液密度值获得，还可以通过同油气藏的邻井地层压力系数获取；泊松比可以通过声波测井数据计算获得；抗张强度可以通过声波、密度测井数据计算获得。

需要说明的是，地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力的获得方式不唯一，其他能够获得的方法也可以应用到本发明的裸眼井破裂压力剖面计算方法中来，本发明不对此作出限制。

如图1，在步骤S102中，基于裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角。一般来说，基于钻完井报告的井身轨迹数据，能够获得随井深变化的井斜角以及相对方位角。其中，当井斜角为0°时，简化为直井，井斜角为90°时，简化为水平井。

如图1，在步骤S103中，基于地应力参数、岩石力学参数、孔隙度、地层压力、井斜角以及相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的裸眼井的破裂压力剖面。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算方法流程图。

如图2，在步骤S201中，依据孔隙度，通过Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数。

优选地，Biot计算模型包含以下公式，通过以下公式(1)计算得到Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示Biot系数，0～1；φ表示孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

根据Biot计算模型分析，Biot系数α与测井孔隙度φ满足对数关系，第一预设系数A和第二预设系数B都属于经验系数，可通过室内实验拟合得到，从而可根据以上公式(1)直接预测不同物性条件下的Biot系数。

如图2，在步骤S202中，依据Biot系数，结合地应力参数、岩石力学参数、地层压力、井斜角以及相对方位角，通过破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力。

优选地，破裂压力计算模型包含以下公式，通过以下公式(2)计算得到破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数，0～0.5；υ表示泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示最小水平主应力，MPa；σ_H表示最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的相对方位角，°；σ_v表示垂向应力，MPa；p_p表示地层压力，MPa；σ_t表示抗张强度，MPa；θ表示井斜角，°；p_f表示破裂压力，MPa。

在步骤S202中，先根据Biot系数α和泊松比υ计算孔隙弹性常数η。然后根据最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、垂向应力σ_v、地层压力p_p、泊松比υ、抗张强度σ_t、井斜角θ、相对方位角

孔隙弹性常数η计算破裂压力计算中间变量p_f1和p_f2。最后根据中间变量p_f1、p_f2、井斜角θ计算破裂压力p_f。公式(2)中井斜角θ为0°时简化为直井，井斜角θ为90°时简化为水平井。

如图2，在步骤S203中，导出按照井深步长计算得到的所述破裂压力，获得破裂压力随井深变化的破裂压力剖面。一般来说，根据测井解释的深度步长，根据以上步骤中按深度步长计算得到整个解释井段的破裂压力p_f，导出结果，得到整个不同深度的连续破裂压力剖面。

大量水平井分段压裂改造施工经验表明，针对同一口井长井段，实际储层物性(如孔隙度)差异显著的情况下，破裂压力的差异也很显著。储层物性对破裂压力的影响可以通过Biot系数和孔隙弹性常数进行分析。其中，Biot系数反映流体压力作用于岩石骨架的程度，孔隙弹性常数反映反应渗流过程中流体对孔隙弹性效应的影响。

一般来说，物性好的储层，Biot系数和孔隙弹性常数越高，压裂改造时，流体越容易渗入地层，降低骨架上的有效压应力越明显，从而更易压开地层。现有技术的破裂压力计算方法中，Biot系数和孔隙弹性常数均为常数，难以反映储层物性的影响，存在明显的计算误差，对特别需要明确破裂压力差异的裸眼井长井段剖面计算则更为明显。因此，本发明将储层物性差异的影响和多种井型应用对象纳入考虑，改进了现有技术的缺陷。

下面结合实例详细描述本发明的实施方式，以某裸眼定向井4800～4880m井段为例。

基于声波测井及密度测井资料获得计算基础参数(如图3所示)，井段斜深为4880～4880m(垂深4628～4703.8m)，最小水平主应力σ_h为88.6～94.3MPa，最大水平主应力σ_H为107.1～115.1MPa、垂向应力σ_v为101.1～108.1MPa、孔隙度φ为2.91％～18.5％、泊松比υ为0.23～0.27、抗张强度σ_t为2.29～5.87MPa。根据气藏地层压力系数1.55，计算地层压力p_p为70.5～71.8MPa。以4800m处为例，最小水平主应力σ_h为91.4MPa，最大水平主应力σ_H为111.2MPa、垂向应力σ_v为104.9MPa、孔隙度φ为9.18％、泊松比υ为0.256、抗张强度σ_t为4.29MPa，地层压力p_p为70.56MPa，如图3中第1～7列曲线所示。

基于井身轨迹数据，获得4800～4880m井段的井斜角θ为23.1°～29.6°，相对方位角

为35.5°～45.6°。以4800m处为例，井斜角θ为27.9°，相对方位角

为40.5°，如图3中第8～9列曲线所示。

该区域通过室内实验拟合得到经验系数A为0.148、B为0.2383。基于图3中的孔隙度曲线，采用Biot计算模型计算得Biot系数α为0.396～0.670。以4800m处为例，孔隙度φ为9.18％，根据Biot计算模型计算得Biot系数α为0.566，如图4中的第1列曲线所示。

基于获取的最小水平主应力σ_h、最大水平主应力σ_H、垂向应力σ_v、地层压力p_p、泊松比υ、抗张强度σ_t，之后获得的井斜角θ、相对方位角

Biot系数α。采用破裂压力计算模型计算得4800～4880m的孔隙弹性常数η为0.128～0.220；中间变量p_f1为108.2～136.4MPa、中间变量p_f2为165.7～201.8MPa，破裂压力p_f为124.6～155.0MPa。以4800m处为例，采用破裂压力计算模型计算得孔隙弹性常数η为0.186；中间变量p_f1为119.2MPa、中间变量p_f2为181.8MPa，破裂压力p_f为136.8MPa，如图4中第2～5列曲线所示。

基于上述计算结果，获得破裂压力随深度变化的连续剖面结果，如图4中的第5列曲线所示。

本发明的裸眼井破裂压力剖面计算方法已在四川盆地某气田开展20余井次的现场实施应用，平均计算误差3.2％，与传统破裂压力计算方法相比，计算误差降低5.3％，应用效果显著。

图5显示了根据本发明的一个实施例的裸眼井破裂压力剖面计算装置结构框图。如图5所示，计算装置500包含第一模块501、第二模块502以及第三模块503。其中，第三模块503包含第一单元5031、第二单元5032以及第三单元5033。

其中，第一模块501用于基于裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力。优选地，地应力参数包含最小水平主应力、最大水平主应力以及垂向应力。岩石力学参数包含泊松比以及抗张强度。

第二模块502用于基于裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角。

第三模块503用于基于地应力参数、岩石力学参数、孔隙度、地层压力、井斜角以及相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的裸眼井的破裂压力剖面。

第一单元5031用于依据孔隙度，通过Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数。

优选地，第一单元通过以下公式计算得到Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示Biot系数；φ表示孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

第二单元5032用于依据Biot系数，结合地应力参数、岩石力学参数、地层压力、井斜角以及相对方位角，通过破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力。

优选地，第二单元通过以下公式计算得到破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数；υ表示泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示最小水平主应力，MPa；σ_H表示最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的相对方位角，°；σ_v表示垂向应力，MPa；p_p表示地层压力，MPa；σ_t表示抗张强度，MPa；θ表示井斜角，°；p_f表示破裂压力，MPa。

第三单元5033用于导出按照井深步长计算得到的破裂压力，获得破裂压力随井深变化的破裂压力剖面。

本发明提供的裸眼井破裂压力剖面计算方法及装置基于测井资料获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度、地层压力，基于井身轨迹数据获取井斜角、相对方位角，综合各项参数计算破裂压力，最后按深度步长获得完整的破裂压力剖面。本发明考虑了储层物性差异的影响和多种井型应用对象，有效解决了裸眼井破裂压力剖面计算准确性和适用性的难题，能够广泛为不同岩性(砂岩、页岩、碳酸盐岩、火成岩)、不同井型(直井、水平井、定向井)的裸眼井破裂压力剖面计算提供有效指导。

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、处理步骤或材料，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。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种裸眼井破裂压力剖面计算方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于所述裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力；

步骤二：基于所述裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角；

步骤三：基于所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述孔隙度、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的所述裸眼井的破裂压力剖面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地应力参数包含最小水平主应力、最大水平主应力以及垂向应力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述岩石力学参数包含泊松比以及抗张强度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，具体包含以下步骤：

依据所述孔隙度，通过所述Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数；

依据所述Biot系数，结合所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过所述破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力；

导出按照井深步长计算得到的所述破裂压力，获得破裂压力随井深变化的所述破裂压力剖面。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示所述Biot系数；φ表示所述孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数；υ表示所述泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示所述最小水平主应力，MPa；σ_H表示所述最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的所述相对方位角，°；σ_v表示所述垂向应力，MPa；p_p表示所述地层压力，MPa；σ_t表示所述抗张强度，MPa；θ表示所述井斜角，°；p_f表示所述破裂压力，MPa。

7.一种裸眼井破裂压力剖面计算装置，其特征在于，所述装置包含：

第一模块，其用于基于所述裸眼井的测井资料按照井深步长分别获取地应力参数、岩石力学参数、孔隙度以及地层压力；

第二模块，其用于基于所述裸眼井的井深轨迹数据按照井深步长分别获取井斜角以及相对方位角；

第三模块，其用于基于所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述孔隙度、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过Biot计算模型以及破裂压力计算模型，得到沿井深变化的所述裸眼井的破裂压力剖面。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三模块中还包含：

第一单元，其用于依据所述孔隙度，通过所述Biot计算模型，按照井深步长计算得到Biot系数；

第二单元，其用于依据所述Biot系数，结合所述地应力参数、所述岩石力学参数、所述地层压力、所述井斜角以及所述相对方位角，通过所述破裂压力计算模型，按照井深步长计算得到破裂压力；

第三单元，其用于导出按照井深步长计算得到的所述破裂压力，获得破裂压力随井深变化的所述破裂压力剖面。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一单元通过以下公式计算得到所述Biot系数：

α＝Alnφ+B

其中，α表示所述Biot系数；φ表示所述孔隙度，无因次；A、B分别表示第一预设系数以及第二预设系数。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二单元通过以下公式计算得到所述破裂压力：

其中，η表示孔隙弹性常数；υ表示泊松比，无因次；p_f1、p_f2分别为破裂压力计算中间变量，MPa；σ_h表示最小水平主应力，MPa；σ_H表示最大水平主应力，MPa；

表示井筒方位与最大水平主应力的所述相对方位角，°；σ_v表示垂向应力，MPa；p_p表示所述地层压力，MPa；σ_t表示抗张强度，MPa；θ表示所述井斜角，°；p_f表示所述破裂压力，MPa。

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