CN113849999A - 一种多层地层多缝压裂缝高预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层地层多缝压裂缝高预测方法，具体步骤包括：(1)获取基础参数；(2)计算人工裂缝的位移不连续量；(3)计算裂缝产生的诱导应力；(4)不考虑缝尖塑性下，计算缝尖端处的应力强度因子；(5)计算塑性区尺寸；(6)考虑塑性区，计算缝尖端处的应力强度因子；(7)判断应力强度因子与断裂韧性的关系。本发明适用于多层地层，考虑了尖端塑性、诱导应力、地应力和岩石力学参数等的影响，计算结果更准确，计算效率更高。

Description

一种多层地层多缝压裂缝高预测方法

技术领域

本发明涉及油气田开发过程中压裂增产技术，特别是涉及一种多层地层多缝压裂缝高预测方法，属于油气田增产改造领域。

背景技术

水力压裂和酸压已是油气藏增产的重要技术手段。裂缝高度作为描述裂缝几何形态的重要参数，对其准确预测可有效避免一些风险，具有重要意义。随着勘探开发的不断进行，现有油气层多为薄层，各油气层间存在隔夹层，因此，多层压裂是未来的一个发展趋势。此外，随着钻井技术不断提高，大跨度长井段的油气井越来越多，多级分段压裂逐渐流行，然而先压裂形成的人工裂缝对后压裂的裂缝扩展具有显著影响。另外，由于裂缝尖端应力集中效应，使得裂缝尖端出现塑性区，线弹性断裂理论不再适用于缝高扩展预测。因此，有必要开发一种考虑多裂缝、尖端塑性、地应力、岩石力学等因素且适用于多层地层压裂的缝高预测方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出一种多层地层多缝压裂缝高预测方法，具体技术方案如下。

步骤S1：获取地质、岩石力学、人工裂缝参数，具体包括地应力、弹性模量、泊松比、断裂韧性、人工裂缝位置和高度。

步骤S2：计算n条人工裂缝的位移不连续量。可采用位移不连续法DDM，将每条裂缝划分为m个位移不连续单元，由下式可计算每条裂缝每个单元的位移不连续量(JizhouTang,Kan Wu,Yanchao Li,Xiaodong Hu.Numerical investigation of theinteractions between hydraulic fracture and bedding planes with non-orthogonal approach angle[J].Engineering Fracture Mechanics,2018,200:1-16.)：

其中：

式中：D——位移不连续量，m；A——应力影响系数，Pa/m；σ——应力，Pa；SL、SH、NN——下标，分别表示缝长方向、缝高方向、缝宽方向；i、k——上标，分别表示第i、k单元；γ——单元i与单元k倾角之差(γ＝β_i-β_j)，rad；

——单元i与单元k偏转角之差

rad；G——剪切模量，Pa；v——泊松比。

步骤S3：计算n条人工裂缝对第n+1条裂缝产生的诱导应力。同样，将第n+1条裂缝划分为m个位移不连续单元，则n条人工裂缝对第n+1条裂缝的第j单元产生的诱导应力可由下式计算：

其中：

式中：Δσ——诱导应力，Pa；B——应力影响系数，Pa/m。

步骤S4：基于平衡高度理论，计算第n+1条裂缝在不考虑缝尖塑性下缝尖端处的应力强度因子。可由下式分别计算出裂缝上尖端K_I+和下尖端K_I-处应力强度因子(Liu,Songxia,Valkó,Peter P.A Rigorous Hydraulic-Fracture Equilibrium-Height Modelfor Multilayer Formations[J].SPE Production&Operations,2018,33(02):214-234.)：

其中：

式中：δ——地层层数；ρ——流体密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²；p_ref——射孔中部深度处压力，Pa；d_mid——裂缝中部深度，m；d_ref——射孔中部深度，m；σ^r _h——第r层最小水平主应力，Pa；c——裂缝半高，m。

步骤S5：计算第n+1条裂缝尖端处塑性区尺寸。可由下式分别计算出上尖端S_u和下尖端S_l处塑性区尺寸(李玉伟,龙敏,汤继周,陈勉,付晓飞.考虑裂尖塑性区影响的水力压裂缝高计算模型[J].石油勘探与开发,2020,47(01):175-185.)：

步骤S6：考虑塑性区，计算第n+1条裂缝尖端处的应力强度因子。可由下式分别计算出裂缝上尖端K’_I+和下尖端K’_I-处应力强度因子：

式中：y_r——深度，m。

步骤S7：判断应力强度因子K’_I+和K’_I-是否大于缝尖端处的断裂韧性。若是，则跳回步骤S4。若否，结束运算，输出第n+1条裂缝高度。

上述计算方法中，所有公式中涉及的相同符号，前后符号意义一致，标注一次后，全部通用。

本发明公开的缝高计算流程如图1所示。

发明人发现，现有专利CN108280275B公开了一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，仅适用于3层地层(隔层或盖层-储层-隔层或底层)，且使用的是商业软件ABAQUS，基本原理是有限元法，未考虑诱导应力和塑性区影响。专利CN110348032A公开了层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，CN112257304A公开了页岩地层直井水力裂缝高度预测方法，采用扩展有限元法，同样未考虑多层地层、塑性区、诱导应力的影响。该系列专利与本发明的方法相比，主要区别有：(1)基本思想原理不同，计算方法不同；(2)最终目的相似，实现途径不同，本发明计算效率更高；(3)本发明适用地层层数不受限制且考虑因素更为全面，计算结果更准确。

本发明的有益之处在于：本发明适用于多层地层，考虑了尖端应力集中作用使得岩石由弹性转变为塑性，考虑了相邻人工裂缝对新生缝扩展的影响，考虑了变地应力和岩石力学参数等的影响，最终缝高预测更为准确；使用位移不连续法和平衡高度理论，计算速度更高。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为多层地层多缝压裂缝高预测计算流程图。

图2多层地层多缝压裂裂缝高度剖面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

对某一致密砂岩气藏进行压裂施工，测得其基础参数如表1所示。

表1基础参数表

令n＝1，第n裂缝与第n+1裂缝相距25m，第n裂缝高度25m，射孔中部深度处压力为42.6～MPa，压力步长设为0.01MPa，基于表1中的数据，依次运行步骤S1-S7，公式为数值解，最终计算结果如图2所示。

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做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 (2)

1.一种多层地层多缝压裂缝高预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取地质、岩石力学、人工裂缝参数；

S2：基于位移不连续法，计算n条人工裂缝的位移不连续量D；

S3：计算n条人工裂缝对第n+1条裂缝产生的诱导应力Δσ；

S4：基于平衡高度理论，计算第n+1条裂缝在不考虑缝尖塑性下缝尖端处的应力强度因子K_I+和K_I-；

S5：计算第n+1条裂缝尖端处塑性区尺寸S_u和S_l；

S6：考虑塑性区，计算第n+1条裂缝尖端处的应力强度因子K’_I+和K’_I-；

S7：判断应力强度因子K’_I+和K’_I-是否大于缝尖端处的断裂韧性；若是，则跳回步骤S4；若否，结束运算，输出第n+1条裂缝高度。

2.如权利要求1所述的一种多层地层多缝压裂缝高预测方法，其特征在于，步骤S6中，第n+1条裂缝上尖端K’_I+和下尖端K’_I-处应力强度因子为：

式中：ρ——流体密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²；p_ref——射孔中部深度处压力，Pa；d_mid——裂缝中部深度，m；d_ref——射孔中部深度，m；σ^r _h——第r层最小水平主应力，Pa；c——裂缝半高，m；y_r——深度，m。

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