CN114462272A - 一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法 - Google Patents

一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法 Download PDF

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CN114462272A CN202210067539.3A CN202210067539A CN114462272A CN 114462272 A CN114462272 A CN 114462272A CN 202210067539 A CN202210067539 A CN 202210067539A CN 114462272 A CN114462272 A CN 114462272A
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Abstract

本发明公开一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，包括：获取数据；计算地层诱导应力分量和当前地应力；确定页岩气水平井井眼轨迹；计算各条水力裂缝延伸参数；计算压力和滤失量；分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点；计算破坏点所在模型网格的体积；重复进行下一时步的计算，直到压裂时间结束，绘制深层复杂构造下页岩气分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图。本发明考虑了深层复杂构造下非均匀应力场的影响，优化最佳的页岩气水平井井眼轨迹，实现页岩气水平井缝网体积最大化，解决了深层复杂构造下页岩气水平井非均匀应力场井眼轨迹缺少准确优化方法的问题，进一步提高深层复杂构造下页岩气压裂设计的科学性和针对性。

Description

一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法
技术领域
本发明涉及一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，属于页岩气开发技术领域。
背景技术
压裂过程中水力裂缝的延伸行为对页岩气增产改造效果至关重要。然而部分页岩地层断层较发育，附近地应力场呈现非均匀分布，最大水平主应力方向随空间位置发生变化，若水平井筒仍沿垂直于原始最大水平主应力方向部署，水力裂缝可能出现非平面偏转延伸行为，进而影响缝网体积。因此，需要对深层复杂构造下的页岩气水平井井眼轨迹进行优化，使水平井筒沿实际最大水平主应力方向部署，从而可以实现减小射孔孔眼摩阻，减少施工压力损失，提高缝内净压力，增大缝网体积的目的。
国内外部分学者围绕深层复杂构造附近地应力表征、水力裂缝延伸和缝网扩展模拟开展了一系列研究。地应力表征方面，Zhou等通过对几个典型断裂构造场附近的地应力进行测量分析，得出了非均匀地应力场的分布受到断裂构造的空间分布、动力机制和地层岩性的影响。Wang等对地层构造附近非均匀应力场进行了敏感因素分析，并通过实例确定了应力扰动和远场应力的量化方法。水力裂缝延伸模拟方面，Peirce等新开发了一个平面三维水力裂缝扩展模型，研究如何最大限度地减少应力阴影的负面影响，从而促进裂缝均匀扩展。
Lecampion等建立了平行径向水力裂缝的起裂和延伸数值模型，研究了一系列水力裂缝的优先启动和扩展行为。缝网扩展模拟方面，Yu等建立了一种三维解析模型，用于模拟各向异性弹性介质压裂过程中的缝网体积随时间的增长情况。Maulianda等同样也提出了一种新的解析模型，用于精确模拟非常规油藏水力压裂水平井的缝网体积参数。
综上所述，目前分别关于非均匀应力场、裂缝扩展以及缝网体积的数值模拟研究已较为充分，但是非均匀应力场下的裂缝扩展和计算缝网体积的数值模拟研究尚不全面，该类研究通常建立在均匀应力场的基础上，断层所产生的干扰应力场通常被忽视。然而在断层产生的干扰应力下，水力裂缝会发生偏转延伸行为，可能会影响最终的缝网体积。同时现场井下射孔成像、分布式光纤温度和声监测结果也表明，均匀应力场下数值模拟计算的水力裂缝构型与实际地下的水力裂缝几何形状之间差异性较大，因此均匀应力场下的数值模拟研究方法无法有效用于断层构造条件下水力裂缝延伸模拟和缝网体积的准确计算。
因此，亟需建立一种适用于深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，将有助于进一步提高深层复杂构造下页岩气压裂设计的科学性和针对性，改善深层复杂构造多发育页岩气储层的压裂增产效果。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、天然裂缝参数和模型网格参数；
步骤二、建立深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型，利用位移不连续的方法对模型求解计算深层页岩任一点由复杂构造引起的地层诱导应力分量和当前地应力；
步骤三、分别绘制深层复杂构造下地层应力分量xx、yy、xy方向分布图和绘制深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图，再根据任一点处井眼轨迹均垂直于该点处的最大水平主应力方向的原则，由深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图确定页岩气水平井井眼轨迹；
步骤四、根据页岩气水平井井眼轨迹比运用流固耦合理论建立深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型，并计算各条水力裂缝延伸参数；
步骤五、通过求解方程求解深层复杂构造下的页岩气储层压力场，计算储层中任意一点处的压力和滤失量；
步骤六、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点；
步骤七、根据张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点，通过空间数值积分计算破坏点所在模型网格的体积，即为页岩气水平井的缝网体积；
步骤八、重复步骤四至步骤七进行下一时步的计算，直到压裂时间结束；并绘制深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化后分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图。
进一步的技术方案是，所述断层参数包括断层类型、断层长度、断距；
所述储层地质参数包括地层最小水平主应力、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
所述压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界。
进一步的技术方案是，所述深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型包括诱导应力分量计算方程、压前非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure BDA0003480775060000041
Figure BDA0003480775060000042
Figure BDA0003480775060000043
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy分别表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；ν表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt分别表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前非均匀地应力场计算方程为：
Figure BDA0003480775060000044
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz (0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa。
进一步的技术方案是，所述深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型包括裂缝开度方程、单条裂缝内流体流动方程、单条裂缝延伸物质平衡方程、裂缝高度方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
其中裂缝开度方程为：
Figure BDA0003480775060000051
式中：ν表示泊松比，无量纲；E表示杨氏模量，Pa；
其中单条裂缝内流体流动方程为：
Figure BDA0003480775060000052
式中：pi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流体压力，Pa；qi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流量，m3/s；hi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处高度，m；wi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处开度，m；si表示第i条裂缝长度方向坐标，m；μ表示压裂液体粘度，Pa·s；
所述单条裂缝延伸物质平衡方程为：
Figure BDA0003480775060000053
其中：
Figure BDA0003480775060000054
式中：qL,i(s,t)表示压裂液滤失速度，m/s；CL表示压裂液滤失系数，m/s0.5；t表示压裂时间，s；τi表示第i条裂缝s位置开始滤失时间，s；
所述裂缝高度方程为：
Figure BDA0003480775060000055
式中：KIC表示地层岩石断裂韧性，Pa·m0.5；σh表示地层最小水平主应力，Pa；
所述裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure BDA0003480775060000061
式中：Qi(t)表示t时刻第i条裂缝缝口流量，m3/min；Li(t)表示t时刻第i条裂缝半长，m；QT表示压裂排量，m3/min。
进一步的技术方案是，所述步骤五中求解方程为：
Figure BDA0003480775060000062
式中：
Figure BDA0003480775060000063
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx、ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
初始条件和边界条件分别为：
p(x,y,0)＝pi
p(xi,y,t)＝pf(xi),0≤y≤Lf
p(+∞,+∞,t)＝pi
式中：pi表示原始地层压力，MPa；xi表示第i个射孔位置。
进一步的技术方案是，所述步骤五中滤失量的计算方程为：
Figure BDA0003480775060000064
式中：qL表示裂缝壁面滤失速度，m/s；
Figure BDA0003480775060000065
表示天然裂缝储层表观渗透率张量，D；
Figure BDA0003480775060000066
表示垂直于裂缝壁面的单位向量；Kxx、Kxy、Kxz表示天然裂缝储层渗透率张量分量，D；μ表示压裂液粘度，mPa·s；p表示流体压力，Pa，Δt表示滤失时间，s；ΔX、ΔY、ΔZ表示压力场三维模型中x、y、z轴方向网格边长，m；下标f表示水力裂缝所在网格单元；x±、y±、z±分别表示水力裂缝网格单元±x、±y、±z方向的相邻网格单元。
进一步的技术方案是，所述判断任意产状天然裂缝的破坏准则包括天然裂缝张性破坏的判断公式和天然裂缝剪切破坏的判断公式；
其中天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；pf表示裂缝内流体压力，MPa；σnn表示天然裂缝面上的正应力，MPa；
其中天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa；σττ表示天然裂缝面上的切应力，MPa。
进一步的技术方案是，所述步骤七中体积的计算公式为：
Figure BDA0003480775060000071
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m。
进一步的技术方案是，所述水力裂缝延伸参数包括裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝开度、缝内压力、缝内流量。
进一步的技术方案是，所述步骤八中得到的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛。
本发明具有以下有益效果：
1、该方法专门针对深层复杂构造影响下页岩储层的力学特征，建立了深层复杂构造下页岩地层非均匀应力场模型、深层复杂构造下页岩储层缝网体积数值计算模型，从而提出了一种适用于深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法；
2、由于该方法综合考虑了深层复杂构造影响下页岩储层地应力非均匀分布，水力裂缝发生偏转延伸的行为，为此，可根据深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布，优化页岩气水平井井眼轨迹，实现水平井筒沿垂直于原始最大水平主应力方向部署，解决缺少深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化手段问题。
附图说明
图1为本发明的计算流程示意图；
图2为本发明某深层复杂构造附近页岩地层应力分量xx方向分布图；
图3为本发明某深层复杂构造附近页岩地层应力分量yy方向分布图；
图4为本发明某深层复杂构造附近页岩地层应力分量xy方向分布图；
图5为发明某深层复杂构造附近页岩地层最大水平主应力方向矢量平面分布图；
图6为发明深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化前分簇裂缝延伸、微地震监测和缝网体积耦合图；
图7为发明深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化后分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、射孔布簇参数；
其中所述断层参数包括断层类型、断层长度、断距；
储层地质参数包括地层最小水平主应力、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度等；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界等；
步骤二、建立深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型，利用位移不连续的方法对求深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型进行求解并计算得到任一点由深层复杂构造引起的地层诱导应力分量和和当前地应力；
其中深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型包括诱导应力分量计算方程和压前非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure BDA0003480775060000101
Figure BDA0003480775060000102
Figure BDA0003480775060000103
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy) (4)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前非均匀地应力场计算方程为：
Figure BDA0003480775060000104
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz (0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa；
步骤三、分别绘制深层复杂构造下地层应力分量xx、yy、xy方向分布图和绘制深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图，再根据任一点处井眼轨迹均垂直于该点处的最大水平主应力方向的原则，由深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图确定页岩气水平井井眼轨迹；
步骤四、根据页岩气水平井井眼轨迹并运用流固耦合理论建立深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型，并计算各条水力裂缝延伸参数；
其中水力裂缝延伸参数包括延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝延伸开度、裂缝缝内压力和缝内流量等；
其中深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型包括裂缝开度方程、单条裂缝内流体流动方程、单条裂缝延伸物质平衡方程、裂缝高度方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
所述单条裂缝内流体流动方程为：
Figure BDA0003480775060000111
式中：pi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流体压力，Pa；qi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流量，m3/s；hi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处高度，m；wi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处开度，m；si表示第i条裂缝长度方向坐标，m；μ表示压裂液体粘度，Pa·s；
所述单条裂缝延伸物质平衡方程为：
Figure BDA0003480775060000112
其中：
Figure BDA0003480775060000113
式中：qL,i(s,t)表示压裂液滤失速度，m/s；CL表示压裂液滤失系数，m/s0.5；t表示压裂时间，s；τi表示第i条裂缝s位置开始滤失时间，s；
所述裂缝高度方程为：
Figure BDA0003480775060000114
式中：KIC表示地层岩石断裂韧性，Pa·m0.5；σh表示地层最小水平主应力，Pa；
所述裂缝开度方程为：
Figure BDA0003480775060000121
式中：ν表示泊松比，无量纲；E表示杨氏模量，Pa；
所述裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure BDA0003480775060000122
式中：Qi(t)表示t时刻第i条裂缝缝口流量，m3/min；Li(t)表示t时刻第i条裂缝半长，m；QT表示压裂排量，m3/min；
步骤五、通过求解方程求解深层复杂构造下的页岩气储层压力场，计算储层中任意一点处的压力和滤失量；
其中深层复杂构造下的页岩气储层压力场的求解方程为：
Figure BDA0003480775060000123
式中：
Figure BDA0003480775060000124
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx，ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
初始条件和边界条件分别为：
p(x,y,0)＝pi (13)
p(xi,y,t)＝pf(xi),0≤y≤Lf (14)
p(+∞,+∞,t)＝pi (15)
式中pi表示原始地层压力，MPa；xi表示第i个射孔位置。
利用差分法求解方程，差分方程为：
Figure BDA0003480775060000131
式中：i，j表示x，y方向的网格编号；A、B、C、D、E、F表示差分方程系数；
所述裂缝滤失量计算方程为：
Figure BDA0003480775060000132
式中：qL表示裂缝壁面滤失速度，m/s；
Figure BDA0003480775060000133
表示天然裂缝储层表观渗透率张量，D；
Figure BDA0003480775060000134
表示垂直于裂缝壁面的单位向量；Kxx、Kxy、Kxz表示天然裂缝储层渗透率张量分量，D；μ表示压裂液粘度，mPa·s；p表示流体压力，Pa，Δt表示滤失时间，s；ΔX、ΔY、ΔZ表示压力场三维模型中x、y、z轴方向网格边长，m；下标f表示水力裂缝所在网格单元；x±、y±、z±分别表示水力裂缝网格单元±x、±y、±z方向的相邻网格单元；
步骤六、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点；
其中判断任意产状天然裂缝的破坏准则的推导方程为：
n＝{njej}＝(nx ny nz) (17)
Figure BDA0003480775060000135
式中：ej为单位向量，无因次；n表示天然裂缝的单位法向量，无因次；nj表示天然裂缝的单位法向量分量，无因次；
Figure BDA0003480775060000136
表示天然裂缝与最大水平主应力间的夹角，°；θ表示天然裂缝与水平面间的夹角，°；
因此天然裂缝面上的受力为：
F＝σn＝σjk{nkej} (19)
式中：e表示正交基矢量；j、k表示坐标，可取值为x、y、z；σ表示地应力二阶对称张量，MPa；σjk表示地应力二阶对称张量分量，MPa；
天然裂缝面上的正应力为：
σnn＝F·n＝njσjknk (20)
天然裂缝面上的切应力为：
Figure BDA0003480775060000141
因此，天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts (22)
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；σnn表示天然裂缝面上的正应力，MPa；
若模型中某点处的力学参数满足以上方程，提取该张性破坏点坐标；
天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf) (23)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa；σττ表示天然裂缝面上的切应力，MPa；
若模型中某点处的力学参数满足以上方程，提取该剪切破坏点坐标；
步骤七、计算页岩气水平井井眼轨迹优化前后缝网体积的变化；
利用张性破坏点坐标和剪切破坏点坐标，通过空间数值积分计算破坏点所在模型网格的体积，即为页岩气水平井的缝网体积，页岩气水平井的缝网体积计算方程为：
Figure BDA0003480775060000142
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m；
步骤八、重复步骤四而至步骤七进行下一时步的计算，直到压裂时间结束并绘制深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化后分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图；
其中的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛；
其收敛与否的判断是根据本时步的水力裂缝延伸参数跟上一时步的水力裂缝延伸参数之差在误差范围内，若在误差范围内则收敛，反之则不收敛。
实施例
已知某一典型深层复杂构造页岩气井矿场实际参数如表1所示，根据图1流程开展实例计算：
表1某深层复杂构造页岩气井矿场实际参数表
Figure BDA0003480775060000151
Figure BDA0003480775060000161
首先，建立深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型，结合以下公式，利用位移不连续的方法进行求解并计算实例1中任一点由深层复杂构造引起的地层诱导应力分量和最大水平主应力偏转角：
具体步骤为：联立方程式(1)～(5)，利用位移不连续法，计算储层内任一点由深层复杂构造引起的地层诱导应力分量和最大水平主应力偏转角；
其中在某一射孔位置处最大水平主应力偏转角为13.9°；
再就是，分别绘制深层复杂构造下地层应力分量xx、yy、xy方向分布图(如图2至图4所示)、深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图(如图5所示)；
再根据任一点处井眼轨迹均垂直于该点处的最大水平主应力方向的原则，由深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图(如图5所示)确定页岩气水平井井眼轨迹(如图7所示的井眼轨迹)；
随后，分别根据优化后的井眼轨迹以及优化前的井眼轨迹，再分别运用流固耦合理论，建立深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型，又结合以下公式计算实施例1中各条水力裂缝延伸情况：
具体步骤为：联立方程式(6)～(11)，利用有限差分方法，计算深层复杂构造下页岩气水平井压裂过程中各条水力裂缝延伸长度、高度、开度，以及裂缝内压力。
随后，求解深层复杂构造下的页岩气储层压力场，又结合以下公式计算实施例1中储层中任意一点处的压力：
具体步骤为：联立方程式(12)～(16)，利用有限差分方法，求解深层复杂构造下的页岩气储层压力场方程，计算储层中任意一点处的压力。
随后，根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法，又结合以下公式推导实施例1中判断任意产状天然裂缝的破坏准则：
具体步骤为：联立方程式(17)～(23)，利用张量计算的方法，推导实判断深层复杂构造页岩储层中任意产状天然裂缝的破坏准则。
随后，又结合以下公式计算实施例1中页岩气水平井井眼轨迹优化前后缝网体积的变化：
具体步骤为：结合方程式(24)，利用数值积分的方法，计算实施例1中某射孔位置处页岩气水平井井眼轨迹优化前后的缝网体积；
随后，运用如图1所示的本发明方法的数值计算流程框图开展实例计算，并根据计算结果分别绘制深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化前分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图(如图6所示)、深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化后分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图(如图7所示)；
其中，在该射孔位置处页岩气水平井井眼轨迹优化前的缝网体积为107.5×104m3，页岩气水平井井眼轨迹优化后的缝网体积为142.7×104m3，相比原始布井方式增大了32.7％。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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，可利用上述揭示的技术内容作出些变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 (10)

1.一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取断层参数、储层地质参数、压裂施工参数、天然裂缝参数和模型网格参数；
步骤二、建立深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型，利用位移不连续的方法对模型求解计算深层页岩任一点由复杂构造引起的地层诱导应力分量和当前地应力；
步骤三、分别绘制深层复杂构造下地层应力分量xx、yy、xy方向分布图和绘制深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图，再根据任一点处井眼轨迹均垂直于该点处的最大水平主应力方向的原则，由深层复杂构造下最大水平主应力方向矢量平面分布图确定页岩气水平井井眼轨迹；
步骤四、根据页岩气水平井井眼轨迹并·运用流固耦合理论建立深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型，并计算各条水力裂缝延伸参数；
步骤五、通过求解方程求解深层复杂构造下的页岩气储层压力场，计算储层中任意一点处的压力和滤失量；
步骤六、根据Warpinski二维准则，利用张量计算的方法建立判断任意产状天然裂缝的破坏准则，并分别确定张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点；
步骤七、根据张性破坏与剪切破坏天然裂缝位置的坐标点，通过空间数值积分计算破坏点所在模型网格的体积，即为页岩气水平井的缝网体积；
步骤八、重复步骤四至步骤七进行下一时步的计算，直到压裂时间结束；并绘制深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化后分簇裂缝延伸和缝网体积耦合图。
2.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述断层参数包括断层类型、断层长度、断距；
所述储层地质参数包括地层最小水平主应力、地层岩石断裂韧性、地层岩石杨氏模量、地层岩石泊松比；
所述压裂施工参数包括压裂排量、压裂液量、压裂时间、压裂液体粘度、压裂液滤失系数、压裂液密度、压裂注入支撑剂平均浓度、射孔簇数、单簇射孔孔眼数量、射孔孔眼直径；
所述天然裂缝参数包括天然裂缝平均倾角、天然裂缝平均逼近角、天然裂缝平均长度、天然裂缝平均高度；
所述模型网格参数包括模型x方向边界、y方向边界、z方向边界。
3.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述深层复杂构造下页岩气非均匀应力场模型包括诱导应力分量计算方程、压前非均匀地应力场计算方程；
其中诱导应力分量计算方程为：
Figure FDA0003480775050000021
Figure FDA0003480775050000022
Figure FDA0003480775050000023
Δσzz＝ν(Δσxx+Δσyy)
式中：Δσxx、Δσyy、Δσzz、Δσxy分别表示断层诱导应力分量，MPa；G表示储层岩石的剪切模量，Pa；ν表示储层岩石泊松比，无量纲；Dn、Dt分别表示断层的法向断距和切向断距，m；ζ表示全局坐标系中的y转换到局部坐标系中的值；e和g分别是局部坐标系ζ轴与全局坐标系x轴和y轴夹角的余弦值；Fk表示Papkovitch函数偏导方程，k∈{3-6}；
其中压前非均匀地应力场计算方程为：
Figure FDA0003480775050000031
式中：σxx (0)、σyy (0)、σzz (0)、σxy (0)、σyz (0)、σxz (0)表示原始地应力值分量，Pa；σxx、σyy、σzz、σxy、σyz、σxz表示当前地应力值分量，Pa。
4.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述深层复杂构造下页岩气水平井压裂分簇裂缝延伸模型包括裂缝开度方程、单条裂缝内流体流动方程、单条裂缝延伸物质平衡方程、裂缝高度方程、裂缝延伸边界条件与初始条件方程；
其中裂缝开度方程为：
Figure FDA0003480775050000032
式中：ν表示泊松比，无量纲；E表示杨氏模量，Pa；
其中单条裂缝内流体流动方程为：
Figure FDA0003480775050000033
式中：pi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流体压力，Pa；qi(s,t)表示t时刻第i条裂缝内s位置处流量，m3/s；hi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处高度，m；wi(s,t)表示t时刻第i条裂缝s位置处开度，m；si表示第i条裂缝长度方向坐标，m；μ表示压裂液体粘度，Pa·s；
所述单条裂缝延伸物质平衡方程为：
Figure FDA0003480775050000034
其中：
Figure FDA0003480775050000041
式中：qL,i(s,t)表示压裂液滤失速度，m/s；CL表示压裂液滤失系数，m/s0.5；t表示压裂时间，s；τi表示第i条裂缝s位置开始滤失时间，s；
所述裂缝高度方程为：
Figure FDA0003480775050000042
式中：KIC表示地层岩石断裂韧性，Pa·m0.5；σh表示地层最小水平主应力，Pa；
所述裂缝延伸边界条件与初始条件方程为：
Figure FDA0003480775050000043
式中：Qi(t)表示t时刻第i条裂缝缝口流量，m3/min；Li(t)表示t时刻第i条裂缝半长，m；QT表示压裂排量，m3/min。
5.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤五中求解方程为：
Figure FDA0003480775050000044
式中：
Figure FDA0003480775050000045
表示孔隙度，无因次；p表示流体压力，MPa；Ct表示储层综合压缩系数，MPa-1；kx、ky分别表示x和y方向的渗透率，D；
初始条件和边界条件分别为：
p(x,y,0)＝pi
p(xi,y,t)＝pf(xi),0≤y≤Lf
p(+∞,+∞,t)＝pi
式中：pi表示原始地层压力，MPa；xi表示第i个射孔位置。
6.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤五中滤失量的计算方程为：
Figure FDA0003480775050000051
式中：qL表示裂缝壁面滤失速度，m/s；
Figure FDA0003480775050000052
表示天然裂缝储层表观渗透率张量，D；
Figure FDA0003480775050000053
表示垂直于裂缝壁面的单位向量；Kxx、Kxy、Kxz表示天然裂缝储层渗透率张量分量，D；μ表示压裂液粘度，mPa·s；p表示流体压力，Pa，Δt表示滤失时间，s；ΔX、ΔY、ΔZ表示压力场三维模型中x、y、z轴方向网格边长，m；下标f表示水力裂缝所在网格单元；x±、y±、z±分别表示水力裂缝网格单元±x、±y、±z方向的相邻网格单元。
7.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述判断任意产状天然裂缝的破坏准则包括天然裂缝张性破坏的判断公式和天然裂缝剪切破坏的判断公式；
其中天然裂缝张性破坏的判断公式为：
pf＞σnn+Ts
式中：Ts表示天然裂缝抗张强度，Pa；pf表示裂缝内流体压力，MPa；σnn表示天然裂缝面上的正应力，MPa；
其中天然裂缝剪切破坏的判断公式为：
σττ＞Fnj+fmc·(σnn-pf)
式中：fmc表示天然裂缝的摩擦因数，无因次；Fnj表示天然裂缝的内聚力，MPa；σττ表示天然裂缝面上的切应力，MPa。
8.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤七中体积的计算公式为：
Figure FDA0003480775050000061
式中：Vtotal表示储层总改造体积，m3；Vs表示储层剪切破坏改造体积，m3；Vt表示储层张性破坏改造体积，m3；εs表示剪切破坏的网格单元，εt表示发生张性破坏的网格单元；Δx(ε)、Δy(ε)、Δz(ε)表示网格单元x，y，z方向的边长，m。
9.根据权利要求1所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述水力裂缝延伸参数包括裂缝延伸长度、裂缝延伸高度、裂缝开度、缝内压力、缝内流量。
10.根据权利要求9所述的一种深层复杂构造下页岩气水平井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤八中得到的水力裂缝延伸参数与上一时步的水力裂缝延伸参数进行判断收敛；其中裂缝开度即为裂缝宽度，若计算所得裂缝宽度不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至裂缝宽度收敛；若计算所得缝内流量不收敛，则改变裂缝长度进行迭代计算直至缝内流量收敛；若计算所得滤失量不收敛，则改变缝内压力进行迭代计算直至滤失量收敛。
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