针对微震事件对裂缝几何形状进行校准的方法
【专利说明】针对微震事件对裂缝几何形状进行校准的方法
【背景技术】
[0001] 本公开内容总体涉及用于执行井场操作的方法和系统。更具体地，本公开内容针 对用于执行压裂操作的方法和系统，例如勘测地下地层和表征地下地层中的水力压裂网 络。
[0002] 为了促进从油井和气井中回收碳氢化合物，可对包围这些井的地下地层进行水力 压裂。水力压裂可以用于在地下地层中产生裂缝以允许油或气朝向井移动。通过将高压力 和高流速的特别设计的流体（在这里被称作"压裂流体"或"压裂浆体"）通过一个或多个 井眼引入到地层中来使地层压裂。根据地层内部的固有应力，水力压裂可以远离井眼沿两 个相反的方向延伸几百英尺。在特定环境下，其可以形成复杂的裂缝网络。复杂的裂缝网 络可以包括诱发的水力压裂和天然裂缝，其沿着多个方位角在多个平面和方向、以及多个 区域中可以或可以不交叉。
[0003] 当前的水力压裂监控方法和系统可以绘制出压裂在哪里发生和压裂的程度。微震 监控的一些方法和系统可以通过使用模型化的到达时间和/或射线路径将地震到达时间 和偏振信息绘制到三维空间中来处理地震活动位置。这些方法和系统可以用于推断随着时 间变化的水力压裂扩展。
[0004] 通过压裂增产所产生的水力压裂的模式可以是复杂的并且可以形成如通过相关 的微震事件的分布表示的裂缝网络。复杂的水力压裂网络已经发展成可以表示所产生的 水力压裂。在美国专利 / 申请号 No. 6101447、No. 7363162、No. 7788074、No. 20080133186、 No. 20100138196和No. 20100250215中提供了压裂技术的例子。
【发明内容】
[0005] 在至少一个方面中，本公开内容涉及在井场执行压裂操作的方法。井场位于地下 地层附近，地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络。裂缝网络具有在其中的天然 裂缝。可以通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括获 得包括天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的地质力学模型并且生成 裂缝网络的随着时间变化的水力压裂发展模式。该生成包括从井眼延伸水力压裂并且使其 进入地下地层的裂缝网络中以形成包括天然裂缝和水力压裂的水力压裂网络，在延伸之后 确定水力压裂的水力压裂参数，确定支撑剂通过水力压裂网络的传输参数，以及根据所确 定的水力压裂参数、所确定的传输参数和地质力学模型确定水力压裂的裂缝尺寸。该方法 还包括在水力压裂上执行应力投影以确定水力压裂之间的应力干涉并且基于所确定的应 力干涉重复上述生成。
[0006] 如果水力压裂遇到天然裂缝，该方法还可包括基于所确定的应力干涉来确定水力 压裂与遇到的裂缝之间的交叉特性，并且该重复可以基于所确定的应力干涉和交叉特性来 重复该生成。该方法还可包括通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增 产。
[0007] 该方法还可以包括，如果水力压裂遇到天然裂缝，则确定在遇到的天然裂缝处的 交叉特性，并且其中，所述重复包括基于所确定的应力干涉和所述交叉特性来重复所述生 成。裂缝发展模式可以由交叉特性改变或不改变。水力压裂网络的压裂压力可以大于作用 在遇到的裂缝上的应力，并且裂缝发展模式可以沿着遇到的裂缝扩展。裂缝发展模式可以 沿着遇到的裂缝继续发展直到到达天然裂缝的端部。裂缝发展模式可以在天然裂缝的端部 改变方向，并且裂缝发展模式可以在天然裂缝的端部处沿垂直于最小应力的方向上延伸。 裂缝发展模式可根据应力投影垂直于局部主应力扩展。
[0008] 应力投影可包括对水力压裂中的每一个执行位移不连续法。应力投影包括在井场 的多个井眼附近执行应力投影并且使用在多个井眼上执行的应力投影来重复该生成。应力 投影可包括在井眼中的多个增产阶段执行应力投影。
[0009] 该方法还可包括验证裂缝发展模式。该验证可包括将裂缝发展模式与裂缝网络的 增产的至少一个模拟结果相比较。
[0010] 该延伸可包括基于天然裂缝参数和地下地层上的最小应力和最大应力沿着裂缝 发展模式延伸水力压裂。确定裂缝尺寸可包括评估地震测量、蚂蚁追踪、声波测量、地质测 量以及其组合中的一种。井场数据可包括地质学数据、岩石物理数据、地质力学数据、测井 测量数据、完井数据、历史数据以及其组合中的至少一种。天然裂缝参数可以通过观测井孔 成像记录、根据井眼测量估算裂缝尺寸、获得微震图像以及其组合中的一个来生成。
[0011] 在另一个方面中，本公开内容涉及在井场执行压裂操作的方法，井场位于地下地 层附近，地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络，裂缝网络包括天然裂缝，通过将 具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括获得包括天然裂缝 的天然裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的地质力学模型，生成裂缝网络的随时间变 化的水力压裂发展模式，在水力压裂上执行微震活动性解释以确定水力压裂之间的应力干 涉，以及基于所确定的应力干涉重复该生成。该生成包括从井眼延伸水力压裂并且使其进 入地下地层的裂缝网络中以形成包括天然裂缝和水力压裂的水力压裂网络，在延伸之后确 定水力压裂的水力压裂参数，确定支撑剂通过水力压裂网络的传输参数，以及根据所确定 的水力压裂参数、所确定的传输参数和地质力学模型确定水力压裂的裂缝尺寸。
[0012] 在另一个方面中，提供了在井场执行压裂操作的方法，井场位于地下地层附近，地 下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络。裂缝网络包括天然裂缝，并且通过将具有 支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括生成包括天然裂缝的天然 裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的微震事件的测量，基于该井场数据对裂缝网络的 水力压裂进行建模并且定义该水力压裂的水力压裂几何形状，基于该井场数据使用地质力 学模型生成该水力压裂的应力场，确定包括在该裂缝网络附近的断裂包络线和应力状态的 剪切断裂参数，根据该断裂包络线和应力状态确定该裂缝网络的剪切断裂的位置，以及通 过对于所测量的微震事件而将该建模的水力压裂和剪切断裂的位置相比较来校准该水力 压裂几何形状。该方法还可以包括在井场测量井场数据和微震事件，基于该校准来调整天 然裂缝参数操作，执行增产操作（该增产操作包括通过将注射流体注入到裂缝网络中而使 井场增产），和/或基于该校准来调整增产操作。
[0013] 提供本
【发明内容】
是为了引入一系列概念，其在下面的【具体实施方式】中进一步描 述。本
【发明内容】
不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于辅助限制 所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0014] 参照附图描述用于表征井眼应力的系统和方法的实施例。遍及附图使用相同的数 字以标记相同的特征和部件。
[0015] 图1. 1为示出压裂操作的水力压裂现场的示意图；
[0016] 图1.2为在水力压裂现场上示出有微震活动的示意图；
[0017] 图2为2D压裂的示意图；
[0018] 图3为应力投影效应的示意图；
[0019] 图4为将两个平行的直线裂缝的2D位移不连续法（DDM)和Flac3D进行比较的示 意图。
[0020] 图5. 1-5. 3为示出延伸的裂缝在各个位置的应力的2D DDM和Flac3D曲线图；
[0021] 图6. 1-6. 2为示出两个初始平行的裂缝分别在各向同性和各向异性的应力场中 的扩展路径的曲线图；
[0022] 图7. 1-7. 2为示出两个初始偏移的裂缝分别在各向同性和各向异性的应力场中 的扩展路径的曲线图；
[0023]图8为沿着水平井的横向平行裂缝的示意图；
[0024] 图9为示出五个平行裂缝的长度的曲线图；
[0025] 图10为示出图9的平行裂缝的UFM压裂形状和宽度的示意图；
[0026] 图11. 1-11. 2为分别示出高射孔摩擦情况和大型压裂空间情况下裂缝形状的示 意图；
[0027] 图12为示出微震绘制的图；
[0028]图13. 1-13. 4分别为与阶段1-4的微震测量相比较的模拟压裂网络的示意图；
[0029] 图14. 1-14. 4为示出各个阶段分布的压裂网络的示意图；
[0030] 图15为示出执行压裂操作的方法的流程图；
[0031] 图16. 1-16. 4为示出在压裂操作过程中在井眼附近的压裂发展的示意图；
[0032] 图17为示出应用到水力压裂上的应力的示意图；
[0033] 图18为示出岩石介质的莫尔-库伦（Mohr-Coulomb)包络线与莫尔圆的图形；
[0034] 图19. 1和19. 2分别为表示应用到水力压裂上的应力的截面图和地图视图的示意 图；
[0035]图20为示出具有微震事件时水力压裂与天然裂缝间的相互作用的示意时间轴；
[0036] 图21为示出水力压裂和天然裂缝相互作用的发展的示意图；
[0037] 图22. 1和22. 2分别为示出离散裂缝网络与具有模拟的水力压裂网络的裂缝网络 的不意图；
[0038] 图23. 1和23. 2为示出用于执行压裂操作的方法的流程图；以及
[0039] 图24为示出关于坐标轴的断裂平面的示意图。
【具体实施方式】
[0040] 后面的描述包括体现了本发明主题的技术的典型的设备、方法、技术以及控制序 列。然而，可以理解的是描述的实施例在没有这些具体的细节时也可以实施。
[0041] I ?压裂模型
[0042] 已经形成用于获悉地下裂缝网络的模型。该模型考虑到各种因素和/或数据，但 是可以不必考虑裂缝和注射的流体之间以及裂缝之间栗送的流体量或机械作用的限制。限 定的模型可以提供对涉及的机理的基本理解，但是在数学描述上是复杂的和/或需要计算 机处理数据源和时间以提供对水力压裂扩展的准确模拟。限定的模型可以配置成执行模拟 以考虑随着时间变化并且在期望条件下的因素，例如裂缝之间的相互作用。
[0043] 一种非传统的压裂模型（UFM)(或者复合模型）可以用于模拟具有预先存在的天 然裂缝的地层中的复杂裂缝网络扩展。多个裂缝分支可以同时扩展并且彼此交叉/交错。 每一个开放的裂缝可以对周围的岩石和相邻的裂缝施加额外的应力，这可以被称作"应力 投影"效应。应力投影可能引起对裂缝参数（例如，宽度）的限制，这例如可能导致很大的 支撑剂渗透的风险。该应力投影还可能改变裂缝扩展路径并且影响裂缝网络模式。该应力 投影可能影响复杂裂缝模型中裂缝之间相互作用的建模。
[0044]提出了一种计算复杂水力压裂网络中应力投影的方法。该方法可以基于具有对有 限的裂缝高度进行校正的增强的2D位移不连续法（2D DDM)或3D位移不连续法（3D DDM) 执行。通过2D DDM计算出的应力场可以与3D数值模拟（3D DDM或者flac3D)进行比较以 确定3D裂缝问题的近似值。这种应力投影计算可以集成在UFM中。两个裂缝的简单情况 的结果显示，每一个裂缝例如根据它们的初始相关位置彼此吸引或排斥，并且可以与独立 的2D非平面水力压裂模型进行比较。
[0045] 提供了来自多射孔群的平面和复合裂缝扩展的附加例子，显示出裂缝相互作用可 以控制裂缝的尺寸和扩展模式。在具有小应力各向异性的地层中，由于裂缝趋于彼此排斥 因而裂缝相互作用可能导致裂缝发生巨大的背离。然而，即使当应力各向异性很大并且由 于裂缝相互作用受限而发生裂缝转向时，应力投影对裂缝宽度仍然可能具有很强的作用， 这可能影响到分配进入多射孔群的注射速率，并且由此影响整个裂缝网络形状和支撑剂放 置。
[0046] 图1. 1和1. 2示出了关于井场100的裂缝扩展。井场具有从井口装置108开始在 地面位置延伸并且穿过位于其下的地下地层102延伸的井孔104。裂缝网络106在井孔104 附近延伸。栗系统129位于井口装置108附近，以用于使流体通过管道142。
[0047] 栗系统129被示出为受记录维护和运行数据和/或根据规定的栗送安排表执行操 作的现场操作者127控制。栗系统129在压裂操作中将流体从地面栗送到井眼104。
[0048] 栗系统129可包括水源，例如多个水罐131，向凝胶水合单元133提供水。凝胶水 合单元133将来自水罐131的水与凝胶剂混合形成凝胶。凝胶接着被送入搅拌机135,在其 中与来自支撑剂运送装置137的支撑剂混合，形成压裂流体。凝胶剂可以用于提高压裂流 体的粘性，并且使支撑剂悬浮在压裂流体中。其还可以作用为摩擦减小剂使得在具有较小 摩擦压力的同时具有较高的栗送速率。
[0049] 压裂流体接着从搅拌机135被栗送到具有柱塞栗的处理车120中，如实线143所 示。每一个处理车120接收低压压裂流体并且将其排放到处于高压的共用集管139 (有时 被称作发射拖车或发射器）中，如虚线141所示。发射器139接着将压裂流体从处理车120 引导到井眼104中，如实线115所示。可以使用一个或多个处理车120来提供具有期望流 速的压裂流体。
[0050] 每一个处理车120通常可以以任意的速率运行，例如在其最大运行容量下很好地 运行。在运行容量下工作的处理车120可以允许其中一个失效并且其余的在较高的速度下 运行以弥补失效栗的缺席。可以采用计算机操作的控制系统在压力运行过程中管理整个栗 系统129。
[0051] 各种流体，例如传统的具有支撑剂的激发流体，都可以用于产生压裂。其它流体， 例如粘性凝胶、"滑溜水（slick water，其具有摩擦减少物（聚合物）和水）"也可以用于 水力压裂页岩气井。这种"滑溜水"可以是薄流体形式（例如，接近于水的粘性）并且可以 用于产生更复杂的裂缝，例如通过监测可检测到的多微震裂缝。
[0052] 如图1. 1和1. 2所示，裂缝网络包括位于在井眼104附近的各个位置处的裂缝。这 些裂缝可以是在流体注射之前具有的天然裂缝144,或者在注射过程中在地层102附近的 水力压裂146。图1. 2示出基于使用传统方法聚集的微震活动148的裂缝网络106。
[0053]多级增产是非传统气藏开发的规范。然而，对页岩气藏完井进行最优化的障碍可 能包括缺少能够正确地模拟在这些地层中经常能看到的复杂裂缝扩展的水力压裂模型。已 经开发出了复杂的压裂网络模型（或者UFM)(例如参见Weng，X.，Kresse，0?，Wu，R.，and Gu，H.，Modeling of Hydraulic Fracture Propagation in a Naturally Fractured Formation. Paper SPE 140253presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition，Woodlands，Texas，USA，January 24-26(2011)(此后称作"Weng 2011"); Kresse，0?，Cohen，C，Weng，X，Wu，R.，and Gu，H 2011 (此后称作"Kresse2011") ? Numerical Modeling of Hydraulic Fracturing in Naturally Fractured Formations. 45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，San Francisco, CA，June 26-29，其全部内容通过引 用由此并入本文）。
[0054] 现有的模型可以用于模拟裂缝扩展、岩石变形以及流体在处理过程中产生的复杂 裂缝网络中的流动。该模型还可以用于解决在裂缝网络中流动的流体以及裂缝的弹性变形 的完全耦合问题，其与传统的虚拟3D压裂模型具有相似的假设和控制方程。栗送的流体和 支撑剂的每种组分的迀移方程都可以被解决。
[0055] 传统的平面压裂模型可以对裂缝网络的各个方面进行建模。提供的UFM还可以包 括模拟具有预先存在的天然裂缝的水力压裂的相互作用的能力，即确定当它们相互作用并 且沿着天然裂缝继续扩展时水力压裂扩展穿过天然裂缝还是被天然裂缝阻止。水力压裂在 与天然裂缝的交叉点上的分支促进了复杂裂缝网络的发展。
[0056]交叉模型可以从Renshaw and Pollard(例如参见，Renshaw, C E. and Pollard,D. D.1995,An Experimentally Verified Criterion for Propagation across Unbounded Frictional Interfaces in Brittle, Linear Elastic Materials. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. &Geomech. Abstr.，32:237-249 (1995)，其全部内容通过引用由此并入本文）界面 交叉标准延伸，应用于任意的交叉角度，并且可以被开发（例如参见，Gu，H. and Weng，X. Criterion for Fractures Crossing Frictional Interfaces at Non-orthogonal Angles. 44th US Rock symposium，Salt Lake City，Utah，June 27-30, 2010 (此后被称 作〃Gu和Weng 2010")，其全部内容通过引用由此并入本文）并且经过实验数据的查验 (例如参见 Gu，H.，Weng，X.，Lund，J.，Mack，M.，Ganguly，U. and Suarez-Rivera R. 2011. Hydraulic Fracture Crossing Natural Fracture at Non-〇rthogonal Angles,A Criterion, Its Validation and Applications. Paper SPE 139984presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands, Texas,Januar