一种油气井致密储层裂缝转向能力大小的判断方法与流程

本发明属于石油天然气工程中水力压裂领域，尤其涉及一种油气井致密储层裂缝转向能力大小的判断方法。

背景技术：

页岩油气、致密油气等储层基质渗透率较低，必须通过体积压裂改造技术形成复杂缝网才能进行高效开发。转向压裂改造是增强裂缝网络扩展和控制程度的重要手段，当地应力差等客观因素不利于裂缝转向时，可通过暂堵转向剂引入人工附加遮挡，封堵先前形成的裂缝和高渗流通道，用于进行控制转向压裂，提高改造范围和效果。

zhou等人将地层温度自动可降解纤维用于碳酸盐油气藏的转向酸压施工中，增加沟通缝洞体的机率，现场试验表明纤维可有效暂堵裂缝，迫使裂缝转向；室内实验与现场施工表明：压力增加，暂堵裂缝有效。cohen等人通过暂堵能力评价实验装置评价了纤维可有效暂堵炮眼，使酸液转向；控制转向的两个关键参数是纤维滤饼渗透率与初滤失。allison等人研制了一种可降解变形颗粒转向剂，密度为1.25g/cm³，可以用低粘度液体或者交联体系液体携带；采用两种粒径的颗粒混配使用，在地层条件下颗粒发生变形，可形成较为致密的遮挡层；将其用于barnett页岩重复压裂施工，转向效果良好。bryant通过utwid软件模拟了暂堵转向压裂中的裂缝竞争开裂过程，并对几个关键设计参数进行了敏感性分析。结果表明转向剂可以使已扩展的裂缝停止增长，从而使较高破裂压力的裂缝起裂扩展。

确定储层裂缝转向能力可为转向压裂改造提供基础判据，目前还没一套有效的办法来判断致密储层裂缝转向能力。本发明给出了一种致密储层裂缝转向能力大小的判断方法，可用来判断致密储层是否适合用暂堵转向压裂技术。

技术实现要素：

为了实现上述目的，考虑人工裂缝倾角、地应力差、断裂韧性和流体压力四个因素，本发明提供了一种油气井致密储层裂缝转向能力大小的判断方法，该方法包括如下步骤：

1)选取初始裂缝倾角、地应力差、岩石断裂韧性和流体压力这四个主要因素，进行4因素3水平l⁹(3⁴)正交试验方案设计，以作为不同的输入参数；

2)以第1)步正交试验方案作为输入参数，利用扩展有限元单元法模拟转向裂缝扩展路径；

3)定义破裂角为转向裂缝与初始人工裂缝的夹角，根据第2)步中转向裂缝路径，计算对应的破裂角大小；

4)对上述4个因素进行归一化处理，公式如下：

其中，xi(i＝1,2,3,4)分别表示第1步中初始裂缝倾角、地应力差、岩石断裂韧性和流体压力四个因素的数值大小；也即x1表示初始裂缝倾角，为角度值；x2表示地应力差，单位为兆帕；x3表示岩石断裂韧性，单位为mpa·m^1/2，即兆帕·米^1/2；x4表示裂缝内的流体压力，单位为兆帕，ximin和ximax分别表示每个因素中的最小值和最大值；xid为每个因素归一化处理后的数值大小；由于流体压力、岩石断裂韧性与转向能力正相关，初始裂缝倾角、地应力差因素与转向能力负相关，因此流体压力和岩石断裂韧性这两个因素用公式(1)进行归一化处理，初始裂缝倾角和地应力差这两个因素用公式(2)进行归一化处理；

5)将以上四个因素均考虑到数学模型中，建立转向能力判断模型，以判断裂缝的转向能力，计算公式如下：

其中di为转向能力指数，转向能力指数di是归一化水平地应力差、归一化初始人工裂缝倾角、归一化岩石断裂韧性和归一化缝内流压的总和；

6)判断转向能力大小：每个归一化裂缝转向能力影响因素取值范围为0～1，因此裂缝转向能力指数变化范围为0～4；裂缝转向能力指数di＝4.0，说明裂缝转向能力最强；如果di＝0，裂缝转向能力最差；di值越大，说明裂缝越容易发生转向；

7)绘制裂缝转向能力指数di与第3)步对应的破裂角大小之间对应的曲线，如果它们之间呈现正相关性，说明转向能力指数计算合理，即转向裂缝破裂角越大，裂缝越容易发生转向。

优选的，所述致密储层包括干热岩、非常规油气藏中的页岩气、煤层气或致密油气储层，常规油气藏中的低渗透或超低渗透储层。

优选的，所述油气井包括上述致密储层中的直井、水平井或斜井。

优选的，裂缝转向能力指数di与对应的破裂角大小之间呈现正相关性，即转向裂缝破裂角越大，裂缝越容易发生转向。

优选的，裂缝转向能力指数di值越大，说明裂缝越容易发生转向，该致密储层越适合应用暂堵转向压裂技术。

例如，裂缝内的流体压力x4采用公式(2)进行归一化处理，即从而得到裂缝内流体压力x4无量纲量x4d，其中x4max、x4min分别表示裂缝内的流体压力x4向量的元素最大值、最小值；岩石断裂韧性x3采用公式(2)进行归一化处理，即从而得到岩石断裂韧性x3无量纲量x3d，其中x3max、x3min分别表示裂缝内的岩石断裂韧性x3向量的元素最大值、最小值；

初始裂缝倾角x1采用公式(1)进行归一化处理，即从而得到初始裂缝倾角x1无量纲量x1d，其中x1max、x1min分别表示初始裂缝倾角x1向量的元素最大值、最小值；水平主应力差x2采用公式(1)进行归一化处理，即从而得到水平主应力差x2无量纲量x2d，其中x2max、x2min分别表示水平主应力差x2向量的元素最大值、最小值。

本发明带来的有益效果如下：

采用本方案可以快速、准确地得到致密储层裂缝转向能力的大小，无需开展室内大型物模实验，降低了实验带来的昂贵费用。

附图说明

图1为裂缝转向能力指数与破裂角之间的关系图。

在图1中，横坐标为裂缝转向能力指数，无量纲；纵坐标为破裂角，单位为角度(非弧度)。

具体实施方式

考虑初始裂缝倾角、地应力差、岩石断裂韧性和流体压力这4个主要因素，初始裂缝倾角分别为30度、45度、60度三个水平，水平地应力差分别取0兆帕、5兆帕、10兆帕三个水平，断裂韧性分别取0兆帕·米^1/2、0.5兆帕·米^1/2和1兆帕·米^1/2三个水平，裂缝内流体压力分别取60兆帕、70兆帕、80兆帕三个水平，进行4因素3水平l9(3⁴)正交试验方案设计，以作为不同的输入参数；利用扩展有限单元法进行了转向裂缝扩展路径的模拟，定义破裂角为转向裂缝与初始人工裂缝的夹角，根据第2步中转向裂缝路径，得到了破裂角大小，然后利用公式(1)—公式(2)上述4个因素进行归一化处理，将以上四个因素都考虑到数学模型中，建立转向能力判断模型，通过公式(3)计算了转向能力指数的大小，结果如表1：

利用以上提出的新模型，根据表1中各项参数计算了转向能力指数大小，并绘制了转向能力指数di与破裂角间的关系曲线，如图1所示。可看出，转向能力指数与破裂角间存在良好的正线性关系，说明转向能力判断模型的可靠性与合理性。

表1不同因素水平下的转向裂缝破裂角与转向能力指数