CN116971769A - 一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，包括以下步骤：获取地质参数和压裂施工参数；通过砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量生成含砾岩的几何模型；对基质和砾石的参数分别赋值；建立压裂裂缝扩展的岩石变形模型；建立压裂裂缝扩展的流体流动模型；建立水力裂缝与砾石相交作用准则；通过改变砾石大小和砾石含量探究砾石对水力裂缝扩展的影响规律。本发明基于二维位移不连续法，建立了水力裂缝与砾石相交作用准则，能够准确的模拟水力裂缝与砾石相交后的复杂轨迹，有助于揭示水力裂缝与砾石相互作用机理。

Description

一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法

技术领域

本发明涉及一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，属于油气田增产改造领域。

背景技术

水平井体积压裂已成为新疆玛湖砾岩油藏等非常规致密油藏的主要开发方式，准确模拟砾石影响下裂缝扩展规律，对满足国内油气资源和保障国家能源安全至关重要。

砾岩储层具有非均质性强、基础物性差、低孔、低渗、孔隙类型多样和孔隙结构复杂等特点，常规的水力压裂不能获得有效的工业产能，因此需要水平井体积压裂技术，该技术在页岩储层开发已经非常成熟，但砾岩储层由于砾石的存在对水力裂缝延伸轨迹具有一定影响。因此需要探究砾石对水力裂缝的影响规律，地层中砾石的表征也尤为关键，一般包括砾石形状、砾石方位、砾石空间位置分布、砾石粒径以及砾石含量等。水力裂缝与砾石相交后会产生多种复杂的相互作用结果，即出现止砾、穿砾、绕砾等多种复杂压裂裂缝特征，目前尚未建立一套较为完善的裂缝扩展判断准则。

发明内容

本发明为了克服现有技术中未形成一套较为完善的裂缝扩展判断准则，提出了一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取地质参数和压裂施工参数；

步骤2：通过砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量生成含砾岩的几何模型；

步骤3：对基质和砾石的参数分别赋值；

步骤4：建立压裂裂缝扩展的岩石变形模型；

步骤5：建立压裂裂缝扩展的流体流动模型；

步骤6：建立水力裂缝与砾石相交作用准则；

步骤7：通过改变砾石大小和砾石含量探究砾石对水力裂缝扩展的影响规律。

进一步的技术方案是，所述步骤1的地质参数包括储层厚度、砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量、水平最大主应力、水平最小主应力、杨氏模量、泊松比、基质和砾石断裂韧性、胶结面断裂韧性。压裂施工参数包括注入速率、压裂液黏度和压裂液密度。

进一步的技术方案是，所述步骤2的砾石形状及方位采用不规则多边形来表征，在极坐标系统中，确定多边形的形状由顶点数m，极角θ_i以及极半径R_i分别表示为：

θ_i＝η₁×2π (1)

R_i＝A₀+(2η_i-1)×A₁ (2)

式中：η₁为0～1之间的随机数；A₀为极半径R_i的平均值，mm；A₁为极半径R_i的增加值，mm；η_i为0～1之间的随机数。

砾石空间位置分布可表示为：

式中：W_min为研究区域横坐标最小值，m；W_max研究区域横坐标最大值，m；H_min为研究区域纵坐标最小值，m；H_max研究区域纵坐标最大值，m；λ₁，λ₂为0～1之间的随机数。

砾石粒径分布的概率密度函数表示为：

式中：L_a为长轴大小，mm；u为砾石长轴大小的均值，mm；σ为砾石长轴大小的方差，mm²。

砾石含量可表示为：

式中：η为研究区域内砾石含量，％；M为研究区域内砾石数量；S_i为第i个砾石的面积，m²；S为研究区域的总面积，m²。

进一步的技术方案是，所步骤4的压裂裂缝扩展的岩石变形模型为：

式中：σ_n,i,σ_s,i分别为裂缝单元i受到的法向应力和切向应力，MPa；N表示裂缝单元总个数；B表示边界应变影响系数矩阵；D_s,j表示裂缝单元j处的切向位移不连续量；D_n,j表示裂缝单元j处的法向位移不连续量。

进一步的技术方案是，所述步骤5的压裂裂缝扩展的流体流动模型为：

式中：q(s,t)为当前时刻s断面流量，m³/min；q_t(s,t)为当前时刻s断面单位缝长的压裂液滤失速率，m²/min；A(s,t)当前时刻s断面裂缝截面积，m²；t为压裂施工时长，min；p为水力裂缝中的流体摩阻；n表水流体幂律指数；k表示流体粘度指数；h为储层的厚度，m；w表示水力裂缝宽度，m；C_t为压裂液滤失系数，m/min^0.5；t₀为裂缝开启时间，min。

进一步的技术方案是，所述步骤6水力裂缝与砾石相交作用准则。

水力裂缝止砾的判断准则可表达为：

K_e＜min(K_{IC_C},K_{IC_G}) (10)

式中：K_e为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa·m^0.5；K_{IC_C}为基质与砾石之间胶结面的临界断裂韧性，MPa·m^0.5；K_{IC_G}为砾石的临界断裂韧性，MPa·m^0.5。

水力裂缝穿过砾石的判断准则可表达为：

式中：K_v1，K_v2表示水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面扩展相对容易与相对较难的虚拟等效应力强度因子，其计算表达式为：

式中：为水力裂缝与砾石相交时的逼近角，°。

一般发生绕砾的情况又可分为4种，水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面单向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面双向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿胶结面扩展时发生单向偏移或双向偏移行为的判断准则为：

式中：K_v0为水力裂缝沿当前胶结面扩展方向的虚拟等效应力强度因子，即MPa·m^0.5。

如果不满足上述偏移条件，则水力裂缝可能继续沿胶结面扩展或扩展到胶结面端点时，进而转向基质岩石中继续扩展。

进一步的技术方案是，所述步骤7改变砾石大小和砾石含量探究砾石对水力裂缝扩展的影响规律，对比不同砾石大小和砾石含量水力裂缝的延伸轨迹，从而揭示水力裂缝与砾石相互作用机理。

本发明具有以下有益效果：本发明充分考虑砾石的形状、砾石方位、砾石空间位置分布、砾石粒径以及砾石含量等，建立了一套完善的裂缝扩展判断准则，有助于揭示水力裂缝与砾石相互作用机理。

附图说明

图1为含砾岩的几何模型示意图

图2为水力裂缝与砾石相互作用过程示意图

图3为不同砾石含量水力裂缝延伸轨迹对比图

图4为不同砾石粒径水力裂缝延伸轨迹对比图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明的一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，能准确、快速计算出砾石形状和分布，并能模拟水力裂缝与砾石相交后会产生多种复杂的相互作用结果，主要包括以下步骤：

步骤1：获取地质参数和压裂施工参数；

其中地质参数包括储层厚度、砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量、水平最大主应力、水平最小主应力、杨氏模量、泊松比、基质和砾石断裂韧性、胶结面断裂韧性。压裂施工参数包括注入速率、压裂液黏度和压裂液密度。

步骤2：通过砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量生成含砾岩的几何模型；

其中砾石形状及方位采用不规则多边形来表征，在极坐标系统中，确定多边形的形状由顶点数m，极角θ_i以及极半径R_i分别表示为：

θ_i＝η₁×2π (1)

R_i＝A₀+(2η_i-1)×A₁ (2)

式中，η₁为0～1之间的随机数；A₀为极半径R_i的平均值，mm；A₁为极半径R_i的增加值，mm；η_i为0～1之间的随机数。

砾石空间位置分布可表示为：

式中：W_min为研究区域横坐标最小值，m；W_max研究区域横坐标最大值，m；H_min为研究区域纵坐标最小值，m；H_max研究区域纵坐标最大值，m；λ₁，λ₂为0～1之间的随机数。

砾石粒径分布的概率密度函数表示为：

式中：L_a为长轴大小，mm；u为砾石长轴大小的均值，mm；σ为砾石长轴大小的方差，mm²。

砾石含量可表示为：

式中：η为研究区域内砾石含量，％；M为研究区域内砾石数量；S_i为第i个砾石的面积，mm²；S为研究区域的总面积，mm²。

从而得到含砾岩的几何模型。

步骤3：对基质和砾石的参数分别赋值；

其中将步骤1中有关基质和砾石的基础参数赋值给含砾岩的模型。

步骤4：建立压裂裂缝扩展的岩石变形模型；

其中压裂裂缝扩展的岩石变形模型：

式中：σ_n,i,σ_s,i分别为裂缝单元i受到的法向应力和切向应力，MPa；N表示裂缝单元总个数；B表示边界应变影响系数矩阵；D_s,j表示裂缝单元j处的切向位移不连续量；D_n,j表示裂缝单元j处的法向位移不连续量。

步骤5：建立压裂裂缝扩展的流体流动模型；

其中压裂裂缝扩展的流体流动模型为：

式中：q(s,t)为当前时刻s断面流量，m³/min；q_t(s,t)为当前时刻s断面单位缝长的压裂液滤失速率，m²/min；A(s,t)当前时刻s断面裂缝截面积，m²；t为压裂施工时长，min；p为水力裂缝中的流体摩阻；n表水流体幂律指数；k表示流体粘度指数；h为储层的厚度，m；w表示水力裂缝宽度，m；C_t为压裂液滤失系数，m/min^0.5；t₀为裂缝开启时间，min。

步骤6：建立水力裂缝与砾石相交作用准则；

其中水力裂缝止砾的判断准则可表达为：

K_e＜min(K_{IC_C},K_{IC_G}) (10)

式中，K_e为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa·m^0.5；K_{IC_C}为基质与砾石之间胶结面的临界断裂韧性，MPa·m^0.5；K_{IC_G}为砾石的临界断裂韧性，MPa·m^0.5。

水力裂缝穿过砾石的判断准则可表达为：

其中，K_v1,K_v2表示水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面扩展相对容易与相对较难的虚拟等效应力强度因子，其计算表达式为：

式中：为水力裂缝与砾石相交时的逼近角，°。

一般发生绕砾的情况又可分为4种，水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面单向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面双向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿胶结面扩展时发生单向偏移或双向偏移行为的判断准则为：

式中：K_v0为水力裂缝沿当前胶结面扩展方向的虚拟等效应力强度因子，即MPa·m^0.5。

如果不满足上述偏移条件，则水力裂缝可能继续沿胶结面扩展或扩展到胶结面端点时，进而转向基质岩石中继续扩展。

步骤7：通过改变砾石大小和砾石含量探究砾石对水力裂缝扩展的影响规律。

其中改变砾石大小和砾石含量通过改变砾石的参数从而改变含砾岩的几何模型来探究对砾石水力裂缝扩展的影响规律，对比不同砾石大小和砾石含量水力裂缝的延伸轨迹，从而揭示水力裂缝与砾石相互作用机理。

实施例：

步骤1：本发明的地质和压裂施工参数如表1所示。

表1砾岩地层计算所采用基本参数表

步骤2：设置模型大小为0.1m×0.4m，注入点位于模型中心位置，随机分布砾石大小为10～12mm，砾石的形状为七边形，砾石含量为40％，含砾岩的几何模型如图1所示。

步骤3：对基质和砾石的参数分别赋值。

步骤4-6：将表1的参数带入本发明所建立的方程组进行模拟，水力裂缝与砾石相互作用过程示意图如图2所示。

步骤7：算例1：探究不同砾石含量对水力裂缝扩展的影响规律。设定砾石大小为10～12mm，砾石含量分别为20％、40％和60％，其余参数与表1保持一致。模拟结果如图3所示。随着砾石含量的增加，水力裂缝与砾石的相互作用占据了主导地位。当砾石含量较低时，水力裂缝形态整体相对平直，局部发生绕砾，伴有穿砾、止砾。当砾石含量增加到60％时，水力裂缝以绕砾扩展为主，导致水力裂缝变得更为曲折。

算例2探究不同砾石粒径对水力裂缝扩展的影响规律，设定砾石平均粒径分别为6.6mm、13.2mm和22.0mm，其余参数与表1保持一致。模拟结果如图4所示。随着砾石粒径的增加，水力裂缝仍以绕砾扩展为主，同时伴有穿砾、止砾以及分叉。但是，当砾石粒径较小时，分布的砾石数目较多，水力裂缝与砾石更多的发生相互作用，伴有少量穿砾、止砾，导致裂缝轨迹曲折复杂，而砾石粒径较大时，分布的砾石数目较少，水力裂缝有足够的自由扩展空间，使得产生的水力裂缝整体相对平直，仅局部裂缝轨迹相对曲折。

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 (3)

1.一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取地质参数和压裂施工参数；

步骤2：通过砾石形状及方位、砾石空间位置分布、砾石粒径、砾石含量生成含砾岩的几何模型；

步骤3：对基质和砾石的参数分别赋值；

步骤4：建立压裂裂缝扩展的岩石变形模型；

步骤5：建立压裂裂缝扩展的流体流动模型；

步骤6：建立水力裂缝与砾石相交作用准则；

步骤7：通过改变砾石大小和砾石含量探究砾石对水力裂缝扩展的影响规律。

2.根据权利要求1所述的一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

在极坐标系统中，确定多边形的形状由顶点数m，极角θ_i以及极半径R_i分别表示为：

θ_i＝η₁×2π (1)

R_i＝A₀+(2η_i-1)×A₁ (2)

式中：η₁为0～1之间的随机数；A₀为极半径R_i的平均值，mm；A₁为极半径R_i的增加值，mm；η_i为0～1之间的随机数；

砾石空间位置分布可表示为：

式中：W_min为研究区域横坐标最小值，m；W_max研究区域横坐标最大值，m；H_min为研究区域纵坐标最小值，m；H_max研究区域纵坐标最大值，m；λ₁，λ₂为0～1之间的随机数；

砾石粒径分布的概率密度函数表示为：

式中：L_a为长轴大小，mm；u为砾石长轴大小的均值，mm；σ为砾石长轴大小的方差，mm²；

砾石含量可表示为：

式中：η为研究区域内砾石含量，％；M为研究区域内砾石数量；S_i为第i个砾石的面积，mm²；S为研究区域的总面积，mm²。

3.根据权利要求1所述的一种砾岩水力裂缝扩展方向的预测方法，其特征在于，具体水力裂缝与砾石相交作用准则为：

水力裂缝止砾的判断准则可表达为：

K_e＜min(K_{IC_C},K_{IC_G}) (10)

式中：K_e为裂缝尖端等效应力强度因子，MPa·m^0.5；K_{IC_C}为基质与砾石之间胶结面的临界断裂韧性，MPa·m^0.5；K_{IC_G}为砾石的临界断裂韧性，MPa·m^0.5；

水力裂缝穿过砾石的判断准则可表达为：

其中：K_v1，K_v2表示水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面扩展相对容易与相对较难的虚拟等效应力强度因子，其计算表达式为：

式中：为水力裂缝与砾石相交时的逼近角，°；

一般发生绕砾的情况又可分为4种，水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面单向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿基质与砾石之间胶结面双向绕砾的判断准则可表达为：

水力裂缝沿胶结面扩展时发生单向偏移或双向偏移行为的判断准则为：

式中：K_v0为水力裂缝沿当前胶结面扩展方向的虚拟等效应力强度因子，即MPa·m^0.5；

如果不满足上述偏移条件，则水力裂缝可能继续沿胶结面扩展或扩展到胶结面端点时，进而转向基质岩石中继续扩展。