CN114841019A - 一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置，包括：收集计算所需基本参数；通过采用高阶混合偏微分特征方程法、应力分解和叠加法求解，建立水平井筒应力模型，计算任意位置的应力分量；采用三维位移不连续法求解射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数，通过应力分解和叠加原理得到射孔孔眼诱导应力；根据射孔孔眼对应等储层参数，计算的射孔孔眼周围的应力分布；利用垂直层理和平行层理抗张强度计算各向异性抗张强度，进一步基于各向异性破坏准则，计算各向异性储层破裂压力。本申请提供的各向异性储层破裂压力预测模型，相比现有技术考虑因素更加完善，计算结果更加准确。

Description

一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气工程领域，尤其涉及一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置。

背景技术

准确预测破裂压力是压裂施工排量、砂液比等施工参数优化的基础，也是完井管柱、压裂车组功率、压裂井口和地面管汇准备的前提；如果破裂压力预测不准，则会带来施工排量达不到设计要求、压裂施工安全压力窗口小、甚至无法完成压裂施工等一系列问题，进而造成财产损失，准确预测破裂压力对压裂工程非常重要。

由于各向异性储层层理缝发育，存在层状地层的力学特征近似相同，纵向不同位置地层力学参数不相同的各向异性特征。各向异性储层破裂压力的预测技术是调控压裂施工参数、达到预期压裂效果的重要环节，已被各大油田广泛应用。该工艺能否成功的关键就是能否准确预测破裂压力。

然而现有起裂压力预测模型主要针对各向同性、线弹性介质，通过实验物理模拟、有限元、数学方法进行研究，对于层理发育这种强各向异性岩石的动力学损伤本构模型，目前研究较少，不全面，仍认识不清楚。并且尚未全面考虑地层各向异性特征、孔隙压力分布、原地应力、水泥环诱导应力、射孔孔眼诱导应力、水平井井眼轨迹等因素，建立综合考虑岩石力学、套管/水泥环力学特征、压裂液在注入过程中的渗滤特征、流体扰动等影响下的水平井井周应力预测模型，进而基于各向异性地层岩石破坏准则，建立各向异性储层破裂压力预测模型。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置。

一方面，本申请提供了一种各向异性储层破裂压力预测方法，包括以下步骤：

收集计算所需基本参数；

计算各向异性储层由各向异性力学参数差异产生的各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，通过应力分量叠加原理得到水平井筒总应力分布参数，所述水平井筒总应力分布参数包括正应力和切应力；

采用三维位移不连续法求解射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数、压裂液渗滤诱导应力，通过应力分解和叠加原理得到射孔孔眼诱导应力；所述射孔孔眼诱导应力分布参数包括射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；

根据射孔孔眼对应的储层参数，计算的射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；进一步基于岩石本体起裂准则、天然裂缝起裂准则，计算各向异性储层破裂压力；比较不同破坏准则下计算破裂压力大小，进行各向异性储层破裂压力预测。

进一步地，计算所需基本参数包括储层参数、各向异性力学参数、压裂参数、完井参数。

进一步地，所述储层参数包括原始地层压力、储层厚度、储层渗透率、储层孔隙度、地应力、综合压缩系数、裂缝带参数，所述各向异性力学参数包括平行层理杨氏模量、垂直层理杨氏模量、平行层理泊松比、垂直层理泊松比、岩石抗张强度、弱面粘聚力、地层倾向、地层倾角、内摩擦角参数，所述压裂参数包括施工排量、压裂液黏度、簇数、射孔深度、孔眼半径、射孔长度、射孔密度、射孔相位角参数，所述完井参数包括套管杨氏模量、套管泊松比、套管外径、套管内径、井眼半径。

进一步地，所述进行非常规储层压裂多裂缝非均衡扩展智能调控还包括：

基于平衡方程、应变-位移方程、应变相容性方程，采用高阶混合偏微分特征方程法，建立各向异性储层井周应力分布关系式；

基于各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，建立水平井筒总应力关系式；

基于水平井筒总应力，通过应力分解和叠加原理转换到射孔孔眼的应力分布，再叠加射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力、压裂液渗滤诱导应力，建立射孔孔眼应力关系式。

进一步地，所述进行各向异性储层破裂压力预测还包括：

利用垂直层理和平行层理抗张强度计算各向异性抗张强度；

基于岩石本体起裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

基于天然裂缝张性破裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

基于天然裂缝剪性破裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

比较基于三个各向异性破坏准则计算的各向异性储层破裂压力，以破裂压力最小进行各向异性储层破裂压力预测。

另一方面，本申请提供一种各向异性储层破裂压力预测装置，包括：

基本参数获取模块，用于收集计算所需的基本参数；

各向异性诱导应力获取模块，用于通过高阶混合偏微分特征方程法，建立各向异性储层井周应力分布模型，计算各向异性诱导应力分量；

水平井筒总应力获取模块，用于由各向异性力学参数差异产生的各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，通过应力分量叠加原理，获取水平井筒总应力分布参数；

射孔孔眼诱导应力获取模块，用于计算射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数、压裂液渗滤诱导应力得到射孔孔眼周围的孔眼诱导应力参数；

各向异性储层破裂压力预测模块，用于根据射孔孔眼对应的储层参数，计算的射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；进一步基于岩石本体起裂准则、天然裂缝起裂准则，计算各向异性储层破裂压力；比较不同破坏准则下计算破裂压力大小，进行各向异性储层破裂压力预测。

进一步地，计算所需基本参数包括储层参数、各向异性力学参数、压裂参数、完井参数。

进一步地，所述进行各向异性储层破裂压力预测还包括：

基于各向异性破坏准则计算最小破裂压力的最小值，其判别方法为：

式中：为基于岩石本体起裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa；为基于天然裂缝剪切破裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa；为基于天然裂缝张性破裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa。

进一步地，还包括：

三维位移不连续量计算单元，用于求解出射孔孔眼方向离散单元的三维位移不连续量，进而计算射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力。

进一步地，还包括：

压裂液渗滤诱导应力计算单元，用于建立射孔孔眼应力分布关系式；

孔弹系数计算单元，用于建立各向异性破裂准则关系式。

本申请提供了一种考虑层理发育的强各向异性岩石的动力学损伤本构模型，全面考虑地层各向异性特征、孔隙压力分布、原地应力、水泥环诱导应力、射孔孔眼诱导应力、水平井井眼轨迹等因素的影响，提供了一种各向异性储层破裂压力预测模型，相比现有技术考虑因素更加完善，计算结果更加准确。

附图说明

图1本发明实施例中岩石杨氏模量与含水量关系为示意图。

图2为本发明实施例中不同平行层理杨氏模量与垂直层理杨氏模量之比下破裂压力变化示意图。

图3为本发明实施例中不同平行层理泊松比与垂直层理泊松比之比下破裂压力变化示意图。

图4为本发明实施例中不同原始地层孔隙压力破裂压力变化示意图。

图5为本发明实施例中不同储层渗透率破裂压力变化示意图。

图6为本发明实施例中不同排量破裂压力变化示意图。

图7为本发明实施例中不同粘度破裂压力变化示意图。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

在本发明中提出了一种各向异性储层破裂压力预测方法及装置，该方法包括以下步骤：

1、收集计算所需基本参数，计算所需基本参数包括储层参数、各向异性力学参数、压裂参数、完井参数，储层参数包括原始地层压力、储层厚度、储层渗透率、储层孔隙度、地应力、综合压缩系数、裂缝带参数，各向异性力学参数包括平行层理杨氏模量、垂直层理杨氏模量、平行层理泊松比、垂直层理泊松比、岩石抗张强度、弱面粘聚力、地层倾向、地层倾角、内摩擦角参数，压裂参数包括施工排量、压裂液黏度、簇数、射孔深度、孔眼半径、射孔长度、射孔密度、射孔相位角参数，完井参数包括套管杨氏模量、套管泊松比、套管外径、套管内径、井眼半径。

2、计算各向异性储层由各向异性力学参数差异产生的各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，通过应力分量叠加原理得到水平井筒总应力分布参数，所述水平井筒总应力分布参数包括正应力和切应力。

(1)各向异性储层起裂物理模型

现场岩石起裂的有效方式是向井筒中泵入压裂液，使水平井筒和射孔孔眼周围应力重新分布达到岩石抗张强度，使得地层起裂产生水力裂缝的过程，如图1描述了在水平井筒泵入压裂液后由于水平井筒和射孔孔眼压力变化使得应力重新分布；应力分布模型涉及5个坐标系：①整体坐标系(X，Y，Z)，也称大地坐标系；②地应力坐标系(X_s，Y_s，Z_s)，最大水平主应力σ_H，最小水平主应力σ_h，最小水平地应力与北坐标夹角为βs；③井眼坐标系(x，y，z)，井眼与Z方向的夹角为井斜角ψ；井眼投影与正北方向的夹角为方位角β；三个坐标方向对应主应力

④圆柱坐标系(R，θ，z)，以井眼坐标系为参考，θ也为射孔方位角；⑤孔眼坐标系(x^p，y^p，z^p)，⑥地层坐标系(x_w，y_w，z_w)，其中地层层理倾角为α_w、倾向为β_w。

(2)水平井筒应力分布

本专利针对水平井筒应力分布研究主要采用高阶混合偏微分特征方程法、应力分解和叠加法求解，将无限大储层中一个圆柱井筒，井筒面作用应力，对于岩石各向异性横观各向同性地层，根据广义胡克定律，在小变形的情况下，反映弹性体内应力和应变之间的本构方程为：

式中：E—平行层理平面的弹性模量，MPa；E’—垂直层理平面的弹性模量，MPa；v—平行层理平面的泊松比，无量纲；v’—垂直层理平面的泊松比，无量纲。

根据上述假设，平衡方程可以写成：

应变-位移方程为：

应变相容性方程为：

结合广义平面假设条件ε_z＝0和本构方程(1)，σ_z可以由下式表示：

引入两个应力函数F(x，y)和Ψ(x，y)来求解这些方程。应力分量可表示为F(x，y)和Ψ(x，y)的函数：

式(5)与式(6)代入本构方程(1)，则可以用F(x，y)和Ψ(x，y)表示应变。再代入相容性方程(4)，得到Beltrami Michel相容性方程：

L₂、L₃和L₄是二阶、三阶和四阶微分算子，其定义如下：

式中

其中a_ij是柔度矩阵的组成部分。

采用高阶混合偏微分特征方程法给出了方程(7)的通解：

其中Re代表其参数的实部；F_i(z_i)(i＝1,2,3)是复变量z_i＝x+μ_iy的解析函数，其中(x，y)是计算应力分量的点的位置。μ_i(i＝1,2,3)与地层方位角β_w和地层倾角α_w转化到井筒坐标系相关，值为方程(10)的三个根：

其中l₂、l₃和l₄分别是三个微分算子L₂、L₃、L₄的特征方程：

Lekhnitskii证明了方程(10)只有复根或纯虚根。这些根其中三个是另外三个的共轭复数。因此，设μ_i(i＝1,2,3)是等式(10)的三个根。λ_i(i＝1,2,3)可以定义为：

Lekhnitskii随后引入了三个解析函数φ_i(z_i)(i＝1,2,3)，其定义如下：

结合等式(12)和(13)，得到：

因此，各向异性应力分量可以用F(x，y)和Ψ(x，y)的函数来表示。用φ_i'(z_i)(i＝1,2,3)表示各向异性储层井周应力分布解析解为：

式中：

其中系数D_W、E_W、F_W为：

式中：θ为射孔方位角，°；p_w井底压力，MPa。

井眼形成引起的应力分量。对于不考虑内压的情况，井眼形成后井壁应力为0，则对井壁上任意点(R_w，θ)，其边界条件为边界条件为：

横观各向同性介质中圆形孔内部压力为零。对于沿孔壁的任意点(R_w，θ)，边界条件可写成：

则式(19)可以表示为解析函数φ_i(z_i)(i＝1,2,3)的三个方程：

将式(15)中各向异性诱导应力转化到井筒坐标系为：

(2)原地应力诱导应力

地层原地应力状态包含三个相互正交的主应力，即垂向地应力σ_v，最小水平主应力σ_h和最大水平主应力σ_H。水平井井筒轴线与大地坐标系Z轴的夹角即井斜角ψ(ψ＝π/2)，而井筒轴线与正北方向的夹角β，即为方位角。原地应力在井眼周围的正应力分量和剪应力分量为：

式中：σ_H、σ_h、σ_v——最大、最小水平主应力和垂向应力，MPa；ψ、β——井斜角和方位角，°。

(3)套管水泥环诱导应力

对于套管射孔完井的各向异性储层，由于套管杨氏模量、泊松比等力学性质与地层力学性质相差较大，当高压压裂液不断注入井筒时，由于套管与地层发生错动产生应力应变，产生诱导套管水泥环应力。

沿着径向距离，套管井周围的岩石的诱导应力分布可以写成如下：

式中：

—井眼周围由套管诱导产生的径向应力和周向应力，MPa；TF—传导系数，代表着井眼中的压力往地层岩石中传导。

式中：

R_o、R_i分别为套管的外径和内径，m；E、E_c地层和套管的杨氏模量，MPa；v、v_c—地层和套管的泊松比，无因次。

(4)水平井筒总应力

考虑各向异性储层原地应力、套管水泥环的影响，通过叠加各向异性诱导应力和井底压力的综合效应，可以得到水平井筒总应力分布：

式中：

—水平井筒坐标系中径向、周向、轴向正应力，径向与周向、周向与轴向、径向与轴向切应力，MPa。

3、采用三维位移不连续法求解射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数，通过应力分解和叠加原理得到射孔孔眼诱导应力；所述射孔孔眼诱导应力分布参数包括射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力。

(1)射孔孔眼诱导应力

在套管水力压裂时往往需要射孔，产生薄弱面和流体进液优势通道。而射孔孔眼导致周围岩石发生应力应变，产生射孔孔眼诱导应力集中，导致射孔孔道附近的岩石中产生应力的重新分布。而沿着射孔孔道应力分布求解较为复杂，需要采用半解析、解析、数值模拟等方法进行求解。

射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，采用三维位移不连续法求解射孔孔道附近的岩石中产生应力的重新分布为：

其中C_r为：

其中f(x₁,x₂,x₃)为：

如

等偏导数表示f(x₁,x₂,x₃)先对x₁求偏导数，再对x₃求偏导数。

首先将射孔孔道长度方向离散为N个对称平面。初始时刻，射孔孔道附近正应力和剪应力都为注液孔隙压力p_w。代入到式(26)即可求解出射孔孔眼方向离散单元的三维位移不连续量

和

进而求出射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力。

水平井筒总应力通过应力分解和叠加原理转换到射孔孔眼的应力分布，再叠加射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，得到总射孔孔眼诱导应力：

式中：σ_rp、σ_θp、σ_zp、τ_θzp、τ_rθp、τ_rzp—射孔孔眼坐标系中径向、周向、轴向正应力，周向与轴向、径向与周向、径向与轴向切应力，MPa；θ^*—轴σ_zp投影到射孔孔眼截面之后在截面转过的角度，°；下标p—射孔孔眼。

(2)压裂液渗滤诱导应力

通过引入压力扩散方程，考虑压裂过程中地层压力变化。当压裂液注入到井筒，将在渗透性岩石中诱导一个外径向流动应力。将地层考虑为均质可渗透，同时孔隙流体的特性与压裂液一致。则流体渗滤产生的渗滤诱导应力为：

式中：上标f—由压裂液渗滤产生的径向、周向、轴向、切向诱导应力，MPa；R(t)—激动半径，m；r_w—射孔孔眼半径，m；p_e—原始地层压力，MPa；r—地层中任意一点到射孔孔眼处的距离，m。

孔隙压力p和激动半径R(t)共同取决于地层孔隙压力分布；初始时刻以定排量Q_i注入地层时，压裂液通过多孔介质岩石进行渗滤，导致井眼周围孔隙压力p分布发生变化。根据达西一维径向渗流模型：

式中：k—岩石渗透率；

—地层孔隙度，无量纲；μ—压裂液黏度，mPa·s；c—为压裂液压缩系数，MPa^-1；t—注入时间，s。

相应的初始和边界条件如下：

初始条件：

t＝0,p(r)＝p_e (32)

内边界条件：

外边界条件：

r→∞,p(r,Q_i)＝p_e,t＞0 (34)

式中：Q_i—第i个射孔簇压裂液注入排量，m³/min；N_p,i—第i个射孔簇孔眼数量，无因次；L_p,i—第i个射孔簇孔眼深度，m。

针对公式(31)，Lhomme等中给出采用复杂积分计算方法，求解困难繁琐。因此，采用点源解求解一维径向渗流问题，第i簇射孔位置处孔隙压力为：

式(35)中Ei为幂积分函数：

压力分布的激动半径R(t)与压力激动前缘相关联。考虑时间变化，得到不同时间和位置的孔隙压力分布；当从点源位置到地层边界移动一定半径距离，孔隙压力逐渐减小；则获取激动半径R(t)条件为孔隙压力等于原始地层压力。

(3)射孔孔眼应力分布

在井壁R_w处，射孔孔眼总应力可以通过原地应力、各向异性诱导应力、套管水泥环诱导应力、射孔孔眼诱导应力、压裂液渗滤诱导应力分量叠加得到射孔孔眼周围的径向应力σ_rp，周向应力σ_θp，轴向应力σ_zp，切向应力τ_θzp、τ_rθp和τ_rzp：

4、根据射孔孔眼对应等储层参数，计算的射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；利用垂直层理和平行层理抗张强度计算各向异性抗张强度，进一步基于各向异性破坏准则，计算各向异性储层破裂压力，所述各向异性破坏准则包括岩石本体起裂准则、天然裂缝起裂准则

各向异性储层储层受天然裂缝和倾角的影响，水力裂缝在水平井壁处存在2种起裂方式，分别为岩石本体起裂和沿天然裂缝面破裂。因此，根据地层地应力状态及天然裂缝的产状，建立了岩石层理天然裂缝发育水平井压裂水力裂缝2种起裂方式的水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。

(1)岩石本体起裂准则

张性破坏通常被用来预测裂缝起裂压力，它假设当井壁上任意一点的最大主应力分量达到岩石抗张强度时，则射孔孔眼起裂，对应的三个主应力如下：

σ₁＝σ_rp (38)

通过对比公式(38)-(40)可知，σ₃表示孔眼壁处最大张应力(负值)。当考虑孔弹系数时会减小有效最大张应力：

岩石吸水后，会导致地层岩石杨氏模量变化，进而影响岩石孔弹性系数。在孔弹系数α定义为：

式中：K_ma—岩石骨架体积模量，MPa。

为了获取杨氏模量与含水量关系，开展了龙马溪组页岩吸水实验。实验温度为25℃，压力为1个大气压。首先将制备的25mm×50mm的标准岩样在烘干箱中干燥24小时，然后称重，记为干燥岩样的质量m₀；紧接着将岩样完全浸没于滑溜水压裂液(淡水+0.1％降阻剂+0.1％防膨剂+1％助排剂)，然后每隔6小时取出一块岩样测量此时岩样质量m，测量完后开展三轴压缩试验(围压40MPa)获取杨氏模量和泊松比，而含水量ω按照ω＝(m-m₀)/m₀×100％计算。表1为龙马溪组页岩岩样吸水后三轴实验获取的杨氏模量数据。结果表明，随着含水量的增加，杨氏模量降低，泊松比变化不大。

表1龙马溪组页岩吸水后杨氏模量和泊松比变化

为进一步明确杨氏模量与含水量的关系，做出杨氏模量随含水量变化的关系曲线，如图1所示。

拟合杨氏模量E与含水量ω的关系，得：

E＝-2708.5ω+34034 (43)

压裂过程中射孔孔眼附近的含水量可以定义为某时间段注入压裂液的质量与激动半径所波及范围内岩石质量的比值。当岩石吸水未饱和时，含水率是注入量的函数；当岩石吸水达到饱和时，含水率不发生变化，即：

式中：ρ_s为压裂液密度，kg/m³；ρ_r为岩石骨架密度，kg/m³。

将式(44)代入式(43)后再代入式(42)，得孔弹性系数表达式为：

在流体注入过程中的体积平衡，也遵循单位时间内压裂井的注入体积等于弹性流体在扰动区域压缩的改变量。激动区域的平均压力为：

最大张应力准则用来确定起裂压力：

σ_f≤-σ_t (47)

式中：σ_t—岩石抗张强度，MPa。

裂缝起裂的方向通过使用莫尔圆来确定：

式中：γ—裂缝起裂角，rad。

各向异性储层储层的抗张强度考虑为平行层理和垂直层理抗张强度的结合，即为：

式中：T为抗张强度张量，MPa；ξ为抗张强度余量，MPa。

其中抗张强度张量为：

其中ξ为：

ξ＝T₁₁T₂₂T₃₃-T₁₁T₂₃T₃₂-T₂₁T₁₂T₃₃+T₃₁T₁₂T₂₃+T₂₁T₁₃T₃₂-T₃₁T₁₃T₂₂ (51)

式中：α_m、β_m为横观各向同性平面地层的方位角和倾角，°；T_m为垂直层理抗张强度，MPa；T_b为平行层理抗张强度，MPa。

则当压裂液注入使得井底压力逐渐增加到满足式(47)时，岩石本体破裂，此时破裂压力记为

(2)天然裂缝起裂准则

对于天然裂缝发育的地层，水力裂缝起裂形式分为沿天然裂缝剪切破坏和沿天然裂缝张性起裂。天然裂缝带与井筒夹角β_NF，可以利用弱面破坏准则来研究水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂问题。

天然裂缝剪切破裂准则表达式为：

式中：σ₁—最大主应力，MPa；σ₃—最小主应力，MPa；C—弱面粘聚力；μ_w—弱面的内摩擦系数；α_w—为弱面法向与水平最大地应力方位的夹角。

对于裂缝性地层，C＝0，则水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂准则为：

则当压裂液注入使得井底压力逐渐增加到满足式(52)时，水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂，此时破裂压力记为

天然裂缝张性破裂准则，水平最大地应力方位为β_s，裂缝面上正应力的表达式为：

其中：

式中：TR——天然裂缝带的走向为北偏东TR度。

水力裂缝沿天然裂缝张性破裂的准则为：

(3)破裂压力预测模型

对于天然裂缝发育的各向异性地层，水力裂缝起裂形式可能以下3种形式中的一种：水力裂缝在岩石本体起裂；水力裂缝沿天然裂缝张性起裂；水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂。对于特定的天然裂缝地层，水力裂缝的破裂方式和破裂压力p_f取基于各向异性破坏准则计算最小破裂压力的最小值，其判别方法为：

5.计算实例与分析

下面以一个实际算例作为示例，基于本申请中公开的方法，进行了预测破裂压力参数，分析了施工参数、地层参数对破裂压力的影响。

(1)基本参数

表2基础参数

(2)影响因素分析

储层力学参数是影响各向异性岩石破裂压力、安全施工的重要因素。因此，分析了杨氏模量各向异性、泊松比各向异性、孔隙压力等力学参数对破裂压力的影响。

从图2中可以看出，当平行层理与垂直层理杨氏模量之比(Est/En)为1时(图2a)是本文模型退化为各向同性地层，不存在各向异性诱导应力，故破裂压力不随地层倾向、倾角发生变化；当平行层理与垂直层理杨氏模量之比(Est/En)为＝1.5、2.5(，图2b和图2c)是为各向异性地层，由杨氏模量差异诱导的各向异性应力随地层倾向、倾角发生周期性变化，破裂压力随之发生变化，并且在地层倾角小于60°时，地层方位角沿着最小水平主应力方向破裂压力较小，而沿着最大水平主应力方向破裂压力较大；在地层倾角大于60°时，地层方位角沿着最小水平主应力方向破裂压力较大，而沿着最大水平主应力方向破裂压力较大；而随着平行层理与垂直层理杨氏模量之比逐渐增加，破裂压力逐渐减小，这是由于一方面垂直层理和平行层理方向的岩石本体强度差异更大、强度更低，另外一方面各向异性诱导正应力增大和切应力减小，有效应力减小，更容易发生破坏。

从图3中可以看出，当平行层理与垂直层理泊松比之比(vst/vn)为1时(图3a)是本文模型退化为各向同性地层，不存在各向异性诱导应力，破裂压力不随地层倾向、倾角发生变化；当平行层理与垂直层理泊松比之比(vst/vn)为1.5、2.5时(图3b和图3c)是为各向异性地层，由泊松比差异诱导的各向异性应力随地层倾向、倾角发生周期性变化，破裂压力随之发生变化，并且沿着最大水平主应力方向破裂压力较大，而沿着最小水平主应力方向破裂压力较小；而随着平行层理泊松比与垂直层理泊松比之比逐渐增加，破裂压力逐渐增大，这是由于一方面平行层理和垂直层理方向的岩石本体强度差异不明显，另一方面各向异性诱导正应力减小和切应力增大，有效应力增大，更不容易发生破坏。

从图4中可以看出，随着原始地层孔隙压力从33.43MPa减小到25MPa，地层破裂压力逐渐增加。这是由于原始地层孔隙压力减小，一方面导致注入流体作用于岩石骨架的有效应力增加而需要更大的注入流体能量使地层岩石发生破裂；另一方面，在地层不同倾向、倾角的各向异性应力分量差异增加(低角度层理破裂压力增大、高角度层理破裂压力减小)，进而导致高破裂压力倾向、倾角区域增加，低破裂压力倾向、倾角区域相对减小。

渗透率等储层物性参数是影响压裂吸液能力、压裂液渗滤进而影响各向异性岩石破裂压力的重要因素。因此，分析了储层渗透率为0.0014mD、0.005mD、0.05mD、0.5mD对各向异性破裂压力的影响。

从图5中可以看出，随着渗透率从0.0014mD逐渐增加到0.5mD，破裂压力从65.4MPa逐渐减小到53.3MPa，并且随着渗透率逐渐增大，破裂降低幅度逐渐减小。这是因为渗透率越大，流体向地层传递压力的速度更快，更容易波及到储层，激导致激动半径更大，孔隙压力越大，有效应力小，破裂压力就越小。

建立的各向异性储层水平井破裂压力预测模型中考虑施工参数影响，可以分析施工排量、压裂液粘度对各向异性破裂压力的影响规律。

从图6中可以看出，在射孔方位角为60°条件下，施工排量从10m³/min逐渐增加到16m³/min，破裂压力从57.7MPa增加65.4MPa。这是因为施工排量增加，压裂液注入速率增加，一方面会使得在断裂起始处产生一些微裂纹，导致更高的水动力损失和剪切破坏形式的裂缝增长；另一方面岩石吸水导致含水量增加，杨氏模量减小，孔弹系数减小，使得射孔孔眼轴向方向的正应力增加，有效应力增加，破裂压力也逐渐增加。

从图7中可以看出，随着粘度从5mPa·s逐渐增加到20mPa·s，破裂压力从60MPa快速增加到69MPa，但是破裂压力增长率逐渐减小；而随着粘度从20mPa·s逐渐增加到40mPa·s，破裂压力增加不明显。这是由于粘度导致压裂液滤失的速度和地层吸液能力差异所致；在低粘情况下粘度增长，占主导作用的压裂液滤失速度远大于地层吸液速度，增加了与地层中黏性流体的能量损耗，使得孔隙压力减小，有效应力增加，破裂压力上升；高粘情况下，压裂液粘度增加，压裂液滤失速度增加不明显，使得破裂压力上升不明显。

以上通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何限制，也并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和简单变化不脱离本发明技术思想和范围，则均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种各向异性储层破裂压力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

收集计算所需基本参数；

计算各向异性储层由各向异性力学参数差异产生的各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，通过应力分量叠加原理得到水平井筒总应力分布参数，所述水平井筒总应力分布参数包括正应力和切应力；

采用三维位移不连续法求解射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数、压裂液渗滤诱导应力，通过应力分解和叠加原理得到射孔孔眼诱导应力；所述射孔孔眼诱导应力分布参数包括射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；

根据射孔孔眼对应的储层参数，计算的射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；进一步基于岩石本体起裂准则、天然裂缝起裂准则，计算各向异性储层破裂压力；比较不同破坏准则下计算破裂压力大小，进行各向异性储层破裂压力预测。

2.根据权利要求1所述各向异性储层破裂压力预测方法，其特征在于，计算所需基本参数包括储层参数、各向异性力学参数、压裂参数、完井参数。

3.根据权利要求2所述各向异性储层破裂压力预测方法，其特征在于，所述储层参数包括原始地层压力、储层厚度、储层渗透率、储层孔隙度、地应力、综合压缩系数、裂缝带参数，所述各向异性力学参数包括平行层理杨氏模量、垂直层理杨氏模量、平行层理泊松比、垂直层理泊松比、岩石抗张强度、弱面粘聚力、地层倾向、地层倾角、内摩擦角参数，所述压裂参数包括施工排量、压裂液黏度、簇数、射孔深度、孔眼半径、射孔长度、射孔密度、射孔相位角参数，所述完井参数包括套管杨氏模量、套管泊松比、套管外径、套管内径、井眼半径。

4.根据权利要求1所述各向异性储层破裂压力预测方法，其特征在于，所述进行非常规储层压裂多裂缝非均衡扩展智能调控还包括：

基于平衡方程、应变-位移方程、应变相容性方程，采用高阶混合偏微分特征方程法，建立各向异性储层井周应力分布关系式；

基于各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，建立水平井筒总应力关系式；

基于水平井筒总应力，通过应力分解和叠加原理转换到射孔孔眼的应力分布，再叠加射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力、压裂液渗滤诱导应力，建立射孔孔眼应力关系式。

5.根据权利要求1所述各向异性储层破裂压力预测方法，其特征在于，所述进行各向异性储层破裂压力预测还包括：

利用垂直层理和平行层理抗张强度计算各向异性抗张强度；

基于岩石本体起裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

基于天然裂缝张性破裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

基于天然裂缝剪性破裂准则，结合射孔孔眼应力关系式，计算各向异性储层破裂压力；

比较基于三个各向异性破坏准则计算的各向异性储层破裂压力，以破裂压力最小进行各向异性储层破裂压力预测。

6.一种各向异性储层破裂压力预测装置，包括：

基本参数获取模块，用于收集计算所需的基本参数；

各向异性诱导应力获取模块，用于通过高阶混合偏微分特征方程法，建立各向异性储层井周应力分布模型，计算各向异性诱导应力分量；

水平井筒总应力获取模块，用于由各向异性力学参数差异产生的各向异性诱导应力，叠加原地应力诱导应力、套管水泥环诱导应力，通过应力分量叠加原理，获取水平井筒总应力分布参数；

射孔孔眼诱导应力获取模块，用于计算射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力，再叠加水平井筒总应力分布参数、压裂液渗滤诱导应力得到射孔孔眼周围的孔眼诱导应力参数；

各向异性储层破裂压力预测模块，用于根据射孔孔眼对应的储层参数，计算的射孔孔眼周围的径向应力、周向应力、轴向应力、切向应力；进一步基于岩石本体起裂准则、天然裂缝起裂准则，计算各向异性储层破裂压力；比较不同破坏准则下计算破裂压力大小，进行各向异性储层破裂压力预测。

7.根据权利要求6所述各向异性储层破裂压力预测装置，其特征在于，计算所需基本参数包括储层参数、各向异性力学参数、压裂参数、完井参数。

8.根据权利要求7所述各向异性储层破裂压力预测装置，其特征在于，所述进行各向异性储层破裂压力预测还包括：

基于各向异性破坏准则计算最小破裂压力的最小值，其判别方法为：

式中：

为基于岩石本体起裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa；

为基于天然裂缝剪切破裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa；

为基于天然裂缝张性破裂准则计算的各向异性储层破裂压力，MPa。

9.根据权利要求6所述各向异性储层破裂压力预测装置，其特征在于，还包括：三维位移不连续量计算单元，用于求解出射孔孔眼方向离散单元的三维位移不连续量，进而计算射孔孔眼导致周围岩石发生应变错动产生额外的诱导应力。

10.根据权利要求6所述各向异性储层破裂压力预测装置，其特征在于，还包括：压裂液渗滤诱导应力计算单元，用于建立射孔孔眼应力分布关系式；

孔弹系数计算单元，用于建立各向异性破裂准则关系式。

Images