一种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法与流程

本发明属于油气开发技术领域，涉及低渗致密油藏储层水力压裂设计、水力压裂裂缝三维空间延伸控制、水力压裂裂缝复杂性评估的方法，尤其涉及一种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法。

背景技术

低渗透油田由于储层物性差、渗透率低，自然产能较低，必须进行油层压裂改造。常规压裂仅能形成对称双翼裂缝，在储层物性较好的常规油气藏中可以获得较好的增产效果，但不能完全满足薄互层低渗油气藏增产的需求。若能在单个油层中压开复杂裂缝，则可大幅度减小地层的渗流阻力，增加更多新的产油区，提高油层的动用程度。在压裂改造过程中，在保证形成主裂缝的同时强制形成次生裂缝，并实现次生裂缝继续分支，最终使主裂缝与多级次生裂缝相互交织，形成立体的裂缝网络系统，可实现储层内压裂裂缝波及体积的最大化。上述的复杂压裂裂缝是在自然的地质力学条件(包括地应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性等)和人为的施工条件(包括施工排量、压裂液性质等)联合作用下形成的。传统的物理模拟实验，只能利用小尺度岩芯进行相似材料模拟，来评估复杂压裂裂缝的形成条件，在实验过程中，模型尺度小、边界效应明显、误差大，而且只能考虑相对单一的影响因素、实验周期长且可重复操作性低。

因此迫切需要一种简易实施、成本低、可重复性操作的方法来实现对致密储层复杂压裂裂缝形成条件进行评估。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法，该方法以计算得到的裂缝复杂性指数为阈值，评估包括地应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性、施工排量、压裂液性质等对复杂压裂裂缝形成条件的影响。

本发明的技术方案是，一种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据待压裂改造储层的地质条件，建立几何形状是一个立方体(或长方体)的储层地质力学模型，该地质力学模型中包含：待压裂改造的目的层、相邻上隔层和下隔层，其中直井井眼位置位于模型中部、且与模型z方向中轴线重合。

步骤二，对地质力学模型进行岩性参数和物性参数赋值，包括：目的层及上、下隔层的弹性模量e(量纲：mpa)、泊松比υ(无量纲)、残余应力σr(量纲：mpa)、抗压强度σc(量纲：mpa)、抗拉强度σt(量纲：mpa)、孔隙度φ(无量纲)、渗透率k(量纲：md)、岩体密度数据ρi(量纲：kg/m³)。

步骤三，对地质力学模型进行内外边界条件赋值，包括：获取目的层及相邻上、下隔层的初始地应力，包括最大水平主应力σh(量纲：mpa)、最小水平主应力σh(量纲：mpa)、最大垂直主应力σv(量纲：mpa)，将σh、σh和σv分别施加在地质力学模型的外边界；同时获得压裂施工参数包括注液排量(量纲：m³/min)、压裂液粘度(量纲：mpa·s)、注液时间(量纲：s)，施加在地质力学模型的内边界，也即施加在目的层井眼边界处。

步骤四，影响压裂裂缝复杂性的影响因素包括最小水平主应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性、施工排量、压裂液性质，选取其中一个影响因素为主变量，以单一因素为主变量，利用水力压裂裂缝模拟器(三维版)系统，开展有限元数值计算分析，得到该主变量不同赋值条件下的压裂裂缝三维空间形状参数，包括压裂裂缝在最大水平主应力方向的延伸长度wh、在最小水平主应力方向的波及宽度wh、在垂直主应力方向上的最大延伸长度wv。

步骤五，简单双翼压裂裂缝的裂缝复杂性指数fci0＝0，简单双翼压裂裂缝的体积为fv0。根据步骤四中模拟计算得到的压裂裂缝三维空间形状参数，计算得到复杂性指数较高的压裂裂缝的复杂性指数为：

fci＝wh/wh

计算得到复杂性指数较高的压裂裂缝体积为：

当fci≥30％、且fv/fv0≥3.0时，判定具备了形成复杂裂缝的条件，此时形成的裂缝是复杂体积裂缝。

步骤六，重复步骤一至步骤五，如此循环作业，直至完成对步骤四中所有关键因素对裂缝复杂性影响的评估。

进一步地，上述的压裂裂缝的复杂性指数，是指水力压裂得到的压裂裂缝波及空间椭球体短轴与长轴几何尺寸之比，数值介于0到1之间。

进一步地，上述的直井井眼尺寸为15cm～25cm，根据实际油气井的工程设计而定。

进一步地，上述的目的层、相邻上隔层和下隔层，其厚度根据待压裂改造区块的实际地质情况而定。

上述技术方案直接带来的技术效果是，采用致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法，可以对影响压裂裂缝复杂性的关键影响因素：最小水平主应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性、施工排量、压裂液性质等，做到逐一的、定量化的评估，可重复性好、评估效率高，进而可有效指导致密储层区块水力压裂改造工程的设计。

上述技术方案的难点在于，无论单一裂缝还是复杂裂缝，都是目的层岩石在自然的地质力学条件和人为的施工条件共同作用下形成的，也即：含目的层和相邻上下隔层的地质力学模型在内外边界的共同作用下形成压裂裂缝的过程。能够以直观、量化的手段计算得到裂缝复杂性，就能准确地评估致密储层复杂压裂裂缝形成条件。这一客观规律的揭示和发现，是本发明技术思想形成的前提和基础，是本发明技术方案的核心关键点。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下显著效果：

1、本发明可以清晰直观地给出复杂压裂裂缝从起裂到延伸的全过程三维空间形貌，这是在物理实验以及现场测试中都是难以获得的；

2、本发明可以对影响压裂裂缝复杂性的关键影响因素做到逐一的、定量化的评估，可重复性好，评估效率高；

3、本发明通过对待压裂改造区块地质力学模型的精细建模，实现了对压裂过程中自然地质力学条件和人为施工条件的精准识别，可有效指导现场压裂设计。

附图说明

图1是待压裂改造目的层地质力学模型示意图。

图2是简单双翼压裂裂缝形貌的俯视图。

图3是复杂性指数较低的压裂裂缝形貌俯视图。

图4是复杂性指数较高的压裂裂缝形貌俯视图。

图5是复杂性指数较高的沿井筒剖面的压裂裂缝形貌正视图。

图6是对压裂裂缝复杂性的量化评估结果示意图。

图7是对压裂裂缝体积提高量的评估结果示意图。

图中：1目的层；2上隔层；3下隔层；4井眼；5简单双翼压裂裂缝；6复杂性指数较低的压裂裂缝；7复杂性指数较高的体积裂缝；8在俯视图上的压裂裂缝复杂性评估椭球体；9在正视图上的压裂裂缝复杂性评估椭球体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。

本发明的一种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立待压裂改造储层的地质力学模型，如图1，包括确定该地质力学模型x、y、z三方向的几何尺寸，x方向长150m，y方向长150m，z方向长15m，确定目的层1的厚度为5m、上隔层2和下隔层3的厚度均为5m，确定压裂施工井眼4位于模型正中，且与z轴平行。

步骤二，对目的层1、上隔层2、下隔层3的岩性参数和物性参数进行赋值，目的层1的参数：弹性模量e＝30000mpa、泊松比υ＝0.2、残余应力σr＝15mpa、抗压强度σc＝70mpa、抗拉强度σt＝7mpa、孔隙度φ＝0.25、渗透率k＝1md、岩体密度数据ρi＝2450kg/m3。

上隔层2和下隔层3的参数相同，分别为：弹性模量e＝25000mpa、泊松比υ＝0.22、残余应力σr＝17mpa、抗压强度σc＝85mpa、抗拉强度σt＝9mpa、孔隙度φ＝0.06、渗透率k＝0.1md、岩体密度数据ρi＝2400kg/m3。。

步骤三，将初始最大水平主应力σh＝70mpa、最小水平主应力σh＝60mpa、最大垂直主应力σv＝75mpa，分别施加在地质力学模型目的层1、上隔层2和下隔层3的外边界；同时将压裂施工参数包括注液排量12m³/min、压裂液粘度10mpa·s、注液时间3600s，施加在地质力学模型的内边界井眼4处。

步骤四，影响压裂裂缝复杂性的影响因素包括最小水平主应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性、施工排量、压裂液性质，实施例中选取其中的施工排量为单一主变量，开展有限元数值计算分析，得到如图2所示的施工排量5m³/min时的简单双翼压裂裂缝三维空间形貌图、如图3所示的施工排量12m³/min时的压裂裂缝三维空间形貌图、如图4和图5所示的施工排量16m³/min时的复杂性指数较高的压裂裂缝三维空间形貌图。

步骤五，根据压裂裂缝在最大水平主应力方向的延伸长度wh、在最小水平主应力方向的波及宽度wh，计算得到如图6所示的压裂裂缝复杂性指数图板曲线、以及如图7所示的压裂裂缝体积提高量的评估结果图板曲线，根据阈值fci≥30％和fv/fv0≥3.0，判断在对应的施工排量条件下具备形成复杂裂缝的条件。

步骤六，重复步骤一至步骤五，如此循环作业，直至完成对最小水平主应力差、目的层及隔层弹性参数、目的层厚度、目的层孔渗特性、压裂液性质等所有关键因素对裂缝复杂性影响的评估。

结果表明，此种致密储层复杂压裂裂缝形成条件的评估方法，不仅可以对影响压裂裂缝复杂性的关键影响因素做到逐一的、定量化的评估，可重复性好，评估效率高，且成本较低，操作简单。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。