一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法

1.本发明涉及一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法，属于非常规储层体积压裂勘探开发技术领域。


背景技术：

2.岩石的力学参数在工程技术领域有十分重要的应用，在《工程岩体试验方法标准》中对于连续体介质的力学参数测试给出了推荐的方法。对于岩体剪切性质的测试主要包括三轴压缩试验测试和直接剪切试验测试。刘建锋和谢和平等发明了《一种岩石结构面剪切试验方法及其实施装置》(201210223787)，将岩石样品试块上下两部分通过填充分别固定在口面相对的上下两开口剪切盒内，且使上下两剪切盒的口面保持一定的间距，以使岩石样品试块剪切试验结构面暴露在上下两剪切盒口面之间；对上下剪切盒体实施一对方向相反的剪切载荷，通过剪切盒内的填充物作用于岩石样品试块上，进而作用于岩石样品试块结构面上，从而获得岩石样品试块结构面的抗剪强度参数。徐荣超等针对采用传统的测试方法及试样进行试验无法获取剪切面非均匀受力时岩石抗剪强度的问题，发明了《一种岩石抗剪强度的测试方法与流程》(201710937345)，可用于测试不同类型岩石在剪切面非均匀受力条件下的抗剪强度。显然，这些方法和装置都是针对均匀连续体介质的实验测试方法，获得的是连续介质体的内摩擦系数等力学参数。
3.近年来，为满足国家能源战略安全形势需要，对非常规储层实施缝网体积压裂改造技术得到快速发展，引领了油气藏增产改造技术的发展方向，尤其是促使业界极度关注含天然裂缝介质的破裂机制及其延伸演化进程。研究表明：天然裂缝的内摩擦系数显著制约了水力裂缝—人工裂缝相互制约条件条的网络裂缝扩展行为，进而决定压裂增产改造范围而显著影响了体积压裂改造效果。因此，获得天然裂缝壁面的内摩擦系数非常重要。但由于获取含天然裂缝介质的岩石样品十分困难，并且储层中充满了地层流体。因此，前述实验测试方法并不能满足含天然裂缝介质中获取天然裂缝壁面的内摩擦系数的工程要求。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法。
5.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法，包括以下步骤：
6.a、收集天然裂缝性储层的天然裂缝走向、水平最大主应力方向、水平最大主应力、水平最小主应力、孔隙弹性常数和地层流体压力；
7.b、基于天然裂缝走向与水平最大主应力方向计算天然裂缝逼近角；
8.c、基于水平最大主应力、水平最小主应力、天然裂缝逼近角计算天然裂缝面的法向应力和剪应力；
9.d、基于孔隙弹性常数、地层流体压力、法向应力和剪应力计算天然裂缝中的有效
法向正应力和有效剪应力；
10.e、基于天然裂缝中的有效法向正应力和有效剪应力计算天然裂缝内摩擦系数。
11.进一步的技术方案是，所述步骤a中采用成像测井或定向取芯的镜下观察获取天然裂缝走向；采用微地震监测或岩心实验测试方法获取水平最大主应力方位；通过测试压裂解释或者kaiser效应岩心测试或者校正后的测井解释方法确定水平最大主应力、水平最小主应力；通过岩心实验测试确定岩石孔隙弹性常数。
12.进一步的技术方案是，所述步骤b中的计算公式为：
13.β＝天然裂缝走向-水平最大主应力方位
14.式中：β为天然裂缝逼近角。
15.进一步的技术方案是，所述步骤c中的计算公式为：
[0016][0017][0018]
式中：σ1、σ3分别为水平最大主应力、水平最小主应力；σ为法向应力；τ为剪应力。
[0019]
进一步的技术方案是，所述步骤d中的计算公式为：
[0020]
σ
n,e
＝σ-α.ps[0021]
τe＝τ
[0022]
式中：α为孔隙弹性常数；ps为地层流体压力；τe为有效剪应力；σ
n,e
为有效法向正应力。
[0023]
进一步的技术方案是，所述步骤e中的计算公式为：
[0024]
μ＝τe/σ
n,e
[0025]
式中：μ为天然裂缝内摩擦系数。
[0026]
本发明具有以下有益效果：本发明考虑在原地应力场、地层流体共同作用下，提出一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法，该方法应用力学原理和强度准则通过数学方法获得含有天然裂缝介质的岩体中高角度天然裂缝内摩擦角计算方法；从而填补了获取高角度天然裂缝内摩擦系数方法的空白，解决了困惑近年来非常规储层体积压设计中获取所涉及的天然裂缝内摩擦系数的困难。
附图说明
[0027]
图1是天然裂缝与主应力方向的几何关系图；
[0028]
图2是成像测井解释xj-j102井(1380-1403m井段)的天然裂缝优势走向图；
[0029]
图3是微地震测试确定目标工区的水平最大主应力方位图；
[0030]
图4是天然裂缝内摩擦系数与逼近角的关系图。
具体实施方式
[0031]
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。
[0032]
本发明的一种计算地层中高角度天然裂缝内摩擦系数的方法，包括以下步骤：
[0033]
a、依据测井资料解释或收集地层中高角度天然裂缝走向、水平最大主应力方向、水平最大主应力、水平最小主应力、孔隙弹性常数和地层流体压力；
[0034]
其中天然裂缝走向通常可以采用成像测井或定向取芯的镜下观察获取；
[0035]
水平最大主应力方位可采用微地震监测或岩心实验测试等方法获取；
[0036]
水平两向主应力数值可通过测试压裂解释或者kaiser效应岩心测试或者校正后的测井解释等方法确定；
[0037]
岩石孔隙弹性常数通过岩心实验测试或其它方法获得；
[0038]
b、基于天然裂缝走向与水平最大主应力方向计算逼近角；
[0039]
β＝天然裂缝走向-水平最大主应力方位
[0040]
式中：β为天然裂缝逼近角；
[0041]
c、基于水平最大主应力、水平最小主应力、天然裂缝逼近角计算天然裂缝面的法向应力和剪应力；
[0042]
在油气藏成藏过程中形成的高角度天然裂缝的俯视图如附图1所示。按照工程力学或岩石力学中应力分解原理，可导出含天然裂缝的岩体介质中两向水平主应力作用于天然裂缝面的法向应力和剪应力计算公式；
[0043][0044][0045]
式中：σ1、σ3分别为水平最大主应力、水平最小主应力，mpa；σ为法向应力，mpa；τ为剪应力，mpa；
[0046]
d、基于孔隙弹性常数、地层流体压力、法向应力和剪应力计算天然裂缝中的有效法向正应力和有效剪应力；
[0047]
储层在未开采前总是充满了地层流体，具有的地层流体压力记为ps。由于岩体破坏是在有效应力作用下诱发的，地层流体压力作用下的结构弱面的有效正应力和有效剪应力根据太沙基原理计算，其表达式为：
[0048]
σ
n,e
＝σ-α.ps[0049]
τe＝τ
[0050]
式中：α为孔隙弹性常数，无因次；ps为地层流体压力，mpa；τe为有效剪应力，mpa；σ
n,e
为有效法向正应力，mpa；
[0051]
e、基于天然裂缝中的有效法向正应力和有效剪应力计算天然裂缝内摩擦系数；
[0052]
考虑原始地层条件下岩体中的天然裂缝不会再产生新的破裂面，也即天然裂缝处于一种静止的力学平衡状态。因此天然裂缝壁面上满足库仑剪切强度理论(即裂缝面剪切力大于抗剪强度时，裂缝发生剪切破裂)。取临界条件下应满足的剪切强度条件表达式为：
[0053]
τe＝c+μ.σ
n,e
[0054]
于是，天然裂缝壁面的内摩擦系数可表示为
[0055]
μ＝(τ
e-c)/σ
n,e
[0056]
通常认为天然裂缝的内聚力可近似取为零。于是有：
[0057]
μ＝τe/σ
n,e
[0058]
式中：μ为天然裂缝内摩擦系数，无因次；c为天然裂缝面的内聚力，mpa。实施例：
[0059]
西部某油田xj-j102井1380-1403m井段油藏天然裂缝发育，建井过程进行成像测井、岩心实验测试原地应力场、压裂微地震监测。
[0060]
现应用本发明方法计算天然裂缝内摩擦系数，步骤如下：
[0061]
a、收集天然裂缝性储层的天然裂缝走向、水平最大主应力方向、水平最大主应力、水平最小主应力、孔隙弹性常数等参数；
[0062]
本实施例应用成像测井解释原理解释1403.0～1380.0m井段高导天然裂缝共计15条，天然裂缝优势走向sn方向，见附图2；
[0063]
本实施例采用微地震压裂裂缝监测获得水平最大主应力方位为ne45
°
，见附图3；
[0064]
本实施例基于kaiser效应等岩心测试方法获得水平最小主应σ3＝25.0mpa、水平最大主应力σ1＝29.5mpa；
[0065]
本实验测试该区岩体孔隙弹性常数α＝0.7、地层压力为ps＝18.5mpa；
[0066]
b、基于天然裂缝走向与水平最大主应力方向计算天然裂缝逼近角；
[0067]
β＝|天然裂缝走向-水平最大主应力方位|＝|azm(sn)-azm(ne45)|＝45
°
[0068]
c、计算天然裂缝面的法向应力和剪切应力；
[0069][0070][0071]
d、计算天然裂缝中的有效应力；
[0072]
σ
n,e
＝27.25-0.7
×
18.5＝14.3mpa
[0073]
τe＝2.25mpa
[0074]
e、确定天然裂缝内摩擦系数；
[0075]
μ＝2.25/14.3＝0.1573
[0076]
则本实施例西部某油田xj-j102井1380-1403m井段油藏天然裂缝内摩擦系数为0.1573。
[0077]
假设原地应力场、地层压力和孔隙弹性常数保持恒定不变，采用类似的计算可以得到天然裂缝优势方位发生变化时，天然裂缝壁面内摩擦系数随逼近角的变化关系如附图4。
[0078]
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。