一种水平地应力测量方法及应用与流程

1.本发明属于水压致裂地应力测量技术领域，涉及一种水平地应力测量方法及应用。


背景技术：

2.地应力测量对地质构造研究、地震预报和矿山、水利、国防等工程中有关问题的解决具有理论和实际意义。它是地质力学研究的重要内容之一，通过测量发现,最大主应力的方向几乎都是接近水平的。测量水平地应力的大小和方向可以确定地下远场应力分布，对于油田开采，地下储气和注气等项目，在高压下注入流体时，了解原位应力，特别是储层或盖层上覆密封层内的水平地应力，对于选择最大工作压力至关重要。微型水力压裂试验是最常用的钻孔应力测量方法，在循环流体注入或者关闭期间获得的压力响应，从而可以解释诱发裂缝受水利压裂的起始、扩展和闭合过程。压力响应是通过以恒定速率将流体注入两个封隔器之间密封的钻孔区域中所产生的。
3.检索中国公开号cn109469479a公开了水压致裂地应力测量系统及方法，包括封隔器、封隔注水管路和压裂注水管路，上封隔器、下封隔器均与测试孔的壁面密封形成两段封隔段，上封隔器、下封隔器之间形成压裂测试段，封隔器上设有封隔器芯管和封隔器封孔注水管，还包括调控连接装置，调控连接装置连接上封隔器，封隔器封孔注水管与外界环境通过调控连接装置通断调节。
4.在进行油田开采时，通过现有技术中水力压裂地应力测量方法可以产生垂直裂缝进而测试水平应力，但是在逆断层地应力状态下，垂直地应力小于水平地应力，采用该现有技术水力压裂诱导产生的裂缝必定为水平裂缝，因此不能测试到水平应力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种地应力测量方法及应用，以克服由于在逆断层地应力状态下产生水平裂缝导致不能测试到水平地应力的问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种水平地应力测量方法，包括以下步骤：
8.步骤s1、进行套筒压裂，在目标地层处使一封隔器充水膨胀产生初始诱导裂缝，作为压裂测试起始点；
9.步骤s2、使用跨式封隔器，使初始诱导裂缝置于上部封隔器和下部封隔器之间，形成测试区间；
10.步骤s3、检查测试区间密封性；
11.步骤s4、进行泄露测试，若流体扩散到地层中，则更改目标地层，返回步骤s1；
12.步骤s5、进行水力压裂循环，得到测试参数，使用以压力和时间为变量的解释方法得到地应力估计值；
13.步骤s6、基于局部断层机制，使用应力多边形方法，确定所述地应力估计值的水平
分量。
14.进一步地，所述的初始诱导裂缝为不连续性垂直裂缝。
15.进一步地，所述的检查测试区间密封性包括：
16.步骤s301、使上部封隔器和下部封隔器充水膨胀，直至测试区间内压力开始上升；
17.步骤s302、观察随后的压力下降以检查测试区间的密封性。
18.进一步地，所述的泄露测试为以恒定的流速向井筒中的测试区间注入流体，将井筒加压至使地层破裂的压力的临界值。
19.进一步地，所述的水力压裂循环包括：
20.步骤s501、以恒定的流速向井筒中的测试区间注入流体，从所述的压裂测试起始点延伸裂缝，直至压力稳定；
21.步骤s502、停止注入，使压力衰减到确保裂缝闭合的压力水平，返回步骤s501，直至达到设定周期；
22.在水力压裂循环的过程中，监测诱发裂缝的起裂、扩展、闭合和重新起裂。
23.进一步地，所述的设定周期为2～5个。
24.进一步地，所述的测试参数包括破裂压力、传播压力、瞬时关井压力、关闭压力、重新打开压力和回弹压力。
25.进一步地，所述的解释方法为：以压力和时间为变量做出图像，图像中曲线的拐点作为最小地应力。
26.进一步地，所述的应力多边形方法为使用安德森应力和断层分类系统估计在任何给定深度和孔隙压力下可能的应力状态范围。
27.一种岩石稳定性的确定方法，通过使用所述的水平地应力测量方法，测量目标区域的地应力，根据地应力值对照岩石质量等级，进而实现确定岩石的稳定性。
28.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
29.1.本发明使封隔器充水膨胀，在逆断层地应力状态和非逆断层地应力状态下，诱导产生的均为竖直方向裂缝，根据竖直方向裂缝可以测出水平地应力，与现有技术相比，实现在逆断层地应力状态下也可以进行测试水平地应力，操作简单。
30.3.本发明参考了应力多边形和局部断层机制，根据项目场地地质背景条件进行分析，实现了相对精确地确定水平地应力。
附图说明
31.图1为本发明方法流程示意图；
32.图2为本发明封隔器布置示意图；
33.图3为本发明实施例提供的试点项目水力压裂循环阶段完整的封隔器充水压力时间记录；
34.图4为本发明实施例提供的试点项目所记录的在某一深度地层进行水力压裂循环测试的压力历史；
35.图5为本发明实施例提供的试点项目在试验段某一深度处的应力多边形图。
36.图中标记说明：
37.1—上、下封隔器充水、2—泄露测试、3—压降、4—第一次循环、5—第一次下降、
6—返排、7—第二次循环、8—第二次下降、9—返排、10—封隔器放气、11—垂直井壁的裂缝、12—上封隔器、13—测试区间、14—下封隔器、15—水力扩展的裂缝。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
39.实施例1
40.本发明提供了一种水平地应力测量方法，见图1，包括以下步骤：
41.步骤s1、进行套筒压裂，在目标地层处放置一跨式封隔器，使上部封隔器充水膨胀产生初始诱导裂缝，目的是为了在井壁上产生一系列不连续性裂缝，作为压裂测试起始点，见图2；
42.其中，跨式封隔器允许套筒压裂和水力压裂循环过程按照测试间隔或深度进行，所述初始诱导裂缝为不连续性垂直裂缝。
43.在常规条件下，水平地应力小于垂直地应力，水力压裂过程中产生的裂缝会垂直于最小主应力的方向，即诱导裂缝为垂直裂缝，这时可以通过水力压裂方法测得水平地应力。但是，在逆断层地应力状态下，垂直地应力小于水平地应力，水力压裂诱导产生的裂缝必定为水平裂缝，此时采用常规水力压裂方法根本不能进行水平地应力的测试。本专利中套筒压裂阶段可以确保产生的诱导裂缝为垂直方向，从而进行逆断层地应力状态下的水平地应力测试。使用水力压裂技术进行地应力测试的首要目标是创建裂缝，以提供尽可能接近最小原位应力的闭合应力估计值。在多个测试阶段中，当裂缝打开或关闭时，通过检查与裂缝导流能力突然变化相关的流动状态，可以检测闭合应力(或压力)的估计。在每个阶段，确定闭合压力的各种估计值。通过协调所有循环的估计值，可以估算闭合应力和最小原位应力。
44.测试开始时，应将流体以恒定的速度泵入测试装置的一个封隔器，直至该封隔器能够承受的最大允许压力，从而导致稳定的裂缝形成，这一阶段可以通过破裂或压力平台来识别裂缝的起裂。然后对封隔器放水并重新定位，使封隔器与产生的裂缝处于同一水平段，这一过程确保了裂缝从测试段水平开始延伸。此外，套筒压裂是用于在逆断层地应力状态下测试水平应力的一种方法，先通过套筒膨胀在井壁诱导产生竖向张裂缝，从而后期水力压裂产生竖向裂缝的可能性大大提高。
45.步骤s2、对上部封隔器进行压降，使初始诱导裂缝置于上部封隔器和下部封隔器之间，形成测试区间，见图2；
46.步骤s3、检查测试区间密封性；
47.一旦测试设备正确定位，通过对跨式封隔器装置加压来隔离测试层段，直到测试段中的压力开始上升。然后观察随后的压力下降以检查封隔器密封的质量。如果密封效果不够理想，对封隔器进一步加压。
48.步骤s4、进行泄露测试，若流体快速扩散到地层中，则更改目标地层，返回步骤s1；
49.以恒定的流速向井段注入液体，将井筒加压至低于地层破裂的压力。目的是检查井下泵提供足够的流量来以克服流体通过泥浆扩散到地层中的可能性。
50.步骤s5、进行水力压裂循环，得到测试参数，使用压力-时间数据分析变量解释方法得到最小地应力估计值；
51.所述测试参数包括破裂压力、传播压力、瞬时关井压力、关闭压力、重新打开压力和回弹压力。
52.再次以恒定的流速向该测试段注入流体，然后裂缝被延伸。裂缝延伸后，继续注入流体直到压力稳定。然后停止注入，使压力衰减到一定的压力水平，以确保裂缝闭合。垂直于断裂表面的应力值是通过监测诱发裂缝的起裂、扩展、闭合和重新打开来确定的。一般来说，裂缝沿垂直于最小应力的方向生长。压力测试通常包含二到五个这样的周期。一旦作业者对测试井段获得数据质量感到满意，就将封隔器放气，测试装置就会移动到下一个测试井段。
53.目前已经开发了多种解释方法来根据在水力压裂循环测试期间获得的压力记录来估计最小主应力的大小。在这些解释方法中可能会使用到以下参数(如测试阶段可以测量)：破裂压力、传播压力、瞬时关井压力、关闭压力、重新打开压力和回弹压力。
54.在多个测试阶段中，当裂缝打开或关闭时，通过检查与裂缝导流能力突然变化相关的流动状态，可以检测闭合应力(或压力)的估计。在每个阶段，确定闭合压力的各种估计值。通过协调所有循环的估计值，可以估算闭合应力和最小原位应力。
55.获得测试阶段的数据后，使用压力-时间数据分析变量来确定最小地应力的方法如下：
56.(1)压力与关井时间的平方根：假设在停止向地层注入流体后，只要裂缝保持打开状态，由于流体泄漏引起的压力下降应该是线性的。这种方法通常与压力-时间的对数图进行结合使用。在对数图上，裂缝线性流动状态由其特征半斜率确定。该图表明闭合应力是否在压力与关井时间平方根图上得到了准确的识别。由于关井，压力与关井时间平方根的关系曲线通常是一条下降的直线，但一旦裂缝闭合，就会偏离直线。该点被视为闭合应力或最小原位应力。
57.(2)线性流量图：在线性流量图中，这种类型的曲线将注入期间线性流动压力叠加在下降时的线性流动压力上。基本假设是，在裂缝闭合之前，流动是线性的，不久之后，流动就变成非线性的。
58.(3)测井压力与关井时间的关系：通常是井底压力的测井曲线与关井时间的关系。这种类型的图基于闭合后发生指数级别的泄漏。因此，曲线斜率上的拐点被认为等于瞬时关井压力或最小地应力。
59.(4)log dp-log dt曲线：该曲线基于闭合后指数级别的泄漏。该图在油藏工程中经常用于估算井筒储存持续时间。井筒储存结束后，只要裂缝保持开放，裂缝中就会出现线性或双线性流动。裂缝闭合时，dp/dt曲线偏离直线。与直线偏离对应的dp值表示裂缝闭合。一旦这个值dp已知，就可以得到瞬时关井压力或最小地应力。
60.(5)压力衰减率：停止注入流体后的压力衰减是由于裂缝扩大以及注入流体从裂缝泄漏到地层造成的。随着这些过程的继续，压力最终达到一个值，该值等于垂直于裂缝的远场应力，导致裂缝闭合。该方法基于压力衰减由两个不同的阶段组成的假设：当裂缝仍然打开时，处于线性流动阶段；裂缝闭合后的径向流动阶段。因此，单位时间内的压力变化(dp/dt)与压力(p)可以绘制出一条表示打开和关闭裂缝压力状态的双线性曲线。这两条线
性曲线的交点被认为是闭合应力或最小地应力。
61.(6)裂缝重新打开试验：最小原位应力可以从裂缝重新打开试验中估算。在地层初始破裂后以恒定的速率随后注入流体时，压力与时间曲线的斜率应该是恒定的，直到裂缝重新打开。当裂缝重新打开时，会出现偏离直线的情况。该偏移点被认为是重新打开压力，理论上是最小地应力的上限。
62.(7)霍纳图：是压力与log(tinj+dt)/dt的关系图。该图最初用于油藏工程中的压力下降分析。当压力下降数据绘制在霍纳图上时，裂缝闭合处坡度可能会发生变化。该方法假设直到裂缝完全闭合，压力瞬态效应受径向流控制，在霍纳曲线上观察到一条直线；在裂缝闭合之前，这种关系被认为偏离了直线。
63.步骤s6、基于局部断层机制，使用应力多边形方法，确定地应力的水平分量。
64.确定最小地应力后，参考应力多边形和局部断层机制，根据项目场地地质背景条件进行分析，以相对精确地确定地应力的水平分量。
65.本发明将套筒压裂与水力压裂循环相结合，实现在逆断层地应力状态下也可以进行测试水平地应力，得到一系列测试参数，操作简单，效果显著。
66.基于上述装置和方法对水力压裂循环测试问题进行说明，以下部分以在a井某一深度进行的水力压裂循环测试获得的结果为例来说明。
67.图3提供了在水平地应力的测试过程中套筒压裂阶段的完整压力历史总结图。该图还显示了两个循环的压力-时间曲线的斜率变化，用于解释潜在的地层破裂压力。如图所示，起裂压力的大小估计在13.5mpa和14.2mpa之间。
68.在这一阶段的测试中，可能使应力解释复杂化的问题之一是蠕变和应力松弛过程。该测试段的软岩地层在承受持续载荷时，会发生显著的蠕变应变。相反，如果充水膨胀的封隔器在一段时间内保持恒定，并处于固定变形状态，则可能会发生应力松弛，应力随时间而减少。应力松弛在概念上可以看作是蠕变的逆过程，蠕变是压力控制的，而松弛是体积控制的。如图3所示，在两个套筒压裂阶段确定了11个点，其中蠕变和/或应力松弛效应可能会影响试验的两种边界条件。
69.套筒压裂阶段后，移动测试装置的上、下封隔器跨越某一深度进行泄露和水力压裂循环试验。进行了一次泄漏测试，泄漏速度相对较慢，这表明该地层渗透率较低。
70.图4显示了水力压裂循环测试的注入速率和压力随时间的变化记录。本次分析的水力压裂循环试验序列包括两个压裂循环。图中总结了试验的初始泄漏测试、第一次注入和回落测试、第二次注入和回落测试以及测试的第一和第二个回弹阶段。利用上述方法分析了第一次和第二次注入循环以确定重新打开、裂缝扩展、瞬时关井压力和裂缝闭合压力。
71.参考应力多边形和局部断层机制，选择了该项目场地进行分析，以确定地应力的水平分量。首先需要考虑项目所在区域应力状态，该区摩擦系数在0.6到1的相对范围内，与深度无关。此外，有必要考虑用于实验室实验的样品大小与实际断层大小之间的巨大差异以及滑动表面粗糙度的可变性，摩擦系数应高于实验室测量的值。同时假设地应力不能超过将要激活断层的摩擦强度，因此，该参数限制了在任何给定深度和孔隙压力下应力大小的可能范围。应力多边形使用安德森应力和断层分类系统来估计在任何给定深度和孔隙压力下可能的应力状态范围。它说明了在正断层、走滑断层和逆断层条件下，主应力水平分量的允许值范围。对于本实施例，假设为静水孔隙压力状态。图5为试点项目试验段在某一深
度处的应力多边形图。
72.实施例2
73.一种岩石稳定性的确定方法，通过使用水平地应力测量方法，测量目标区域的地应力，根据地应力值对照岩石质量等级，进而实现确定岩石的稳定性。
74.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。