确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法及设备与流程

本发明实施例涉及非常规油气储层增产改造技术领域，尤其涉及一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法及设备。

背景技术：

目前国内外页岩气藏高效开发中水平井分段压裂改造技术是关键。但其压后单井产量常表现为初期产量高、递减快、稳产期短的特征。为了页岩气能够长期的增能稳产上产，常采用钻大量“新井”抵消“老井”的产量递减方式，导致区块开发需要投入大量资金。而重复压裂技术是增加页岩气单井产量稳产期、减少递减速率、提高最终可采资源量的有效手段。目前重复压裂的主要作用是张开老缝和起裂新缝，而重复压裂前地应力场分布规律是明确裂缝张开或起裂的先决条件，尤其是重复压裂前水平主应力发生转向，且转向后的水平应力差异系数小于0.25更易于形成缝网。因此，准确预测重复压裂前地应力场的分布规律，对暂堵重复压裂时机和工艺参数的选取起到决定性作用，进一步达到增能挖潜效果。

在现阶段，国内外的研究领域均为涉及确定页岩气藏水平井重复压裂时机未考虑在保障剩余可采储量充足下，水平主应力转向后的水平应力差异系数小于0.25这一形成缝网的关键因素。因此，建立一种准确可靠的方法确定页岩气藏水平井重复压裂时机，来指导页岩气藏水平井重复压裂施工优化设计，就成为业界亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，包括：获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。

进一步地，所述获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，包括：采用每段裂缝的缝内净压力的加权平均值作为缝内净压力值，结合二维裂缝干扰应力场计算方法，获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场。

进一步地，所述二维裂缝干扰应力场计算方法，包括：

σy诱导＝μs(σx诱导+σz诱导)

其中，σx诱导、σy诱导及σz诱导分别为x，y，z方向上的干扰应力；pn为裂缝壁面上净压力；r为裂缝中心距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；r1为裂缝底部距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；r2为裂缝顶部距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；θ为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝中心的角度；θ1为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝底部的角度；θ2为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝顶部的角度；c为缝高的一半；μs为静态泊松比。

进一步地，所述采用每段裂缝的缝内净压力的加权平均值作为缝内净压力值，包括：

li＝i*lf/n

其中，pn0为最大缝宽处裂缝壁面上净压力；li为距离井筒的裂缝长度；γ为裂缝内净压力分布指数；g为岩石剪切模量；w为缝长对应的缝宽；lf为等效缝长；n为缝长分割段数；μs为静态泊松比；pni为第i段裂缝的缝内净压力；pn为裂缝壁面上净压力；es为静态杨氏模量。

进一步地，所述根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，包括：

其中，σz为深度h处的垂向应力；ρr(h)为随深度变化的上覆岩体密度；h为压裂层位深度；g为重力加速度；σh和σh分别为最大、最小水平主应力；μs为岩石静态泊松比；kh和kh分别为最大、最小水平地应力方向的构造应力系数；α为biot系数；pp为孔隙压力。

进一步地，所述根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场，包括：

其中，pe为原始地层压力；pwf为井底流压；a和b为二项式产能方程系数；q为产量；qn为归一化拟产量；gp为累积产气量；t为物质平衡时间；zi为原始地层孔隙压力下的天然气偏差系数，采用dranchuk-abu-kassem方法获取；z为当前地层孔隙压力下的天然气偏差系数；g为原始地质储量；δpp为孔隙压力降低值；p为当前底层压力。

进一步地，所述将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布，包括：

其中，σz为深度h处的垂向应力；g为重力加速度；σh和σh分别为最大、最小水平主应力；σ′h和σ′h分别为现地应力场的最大、最小水平主应力；σx诱导(i)和σy诱导(i)分别为第i段裂缝在x，y方向上的干扰应力；μs为静态泊松比；α为biot系数；δpp为孔隙压力降低值；ρs为静态岩体密度。

第二方面，本发明的实施例提供了一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的装置，包括：

初始应力场获取模块，用于获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；

现地应力场获取模块，用于将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；

页岩气藏水平井重复压裂时机确定模块，用于根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法。

本发明实施例提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法及设备，通过考虑缝内净压力分布影响下的多段簇主裂缝干扰应力场，明确单井产量随生产时间变化关系并确定孔隙压力降干扰应力场，可以获得不同段簇主裂缝分布特征和不同生产时间孔隙压力降对现地应力场的影响，并确定页岩气藏水平井重复压裂的时机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法流程图；

图2为现有技术提供的典型压裂施工曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的页岩长水平段多段簇裂缝干扰应力场变化示意图；

图4为本发明实施例提供的生产3年后页岩气藏水平井应力转向后水平应力差异系数分布示意图；

图5为本发明实施例提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的装置结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，参见图1，该方法包括：

101、获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；具体地，获取岩石力学动态参数及静态参数包括：

岩石力学动态参数通过测井数据(纵波时差、横波时差、泥质含量、密度、孔隙度)解释获取；进一步地，页岩气藏储层中发育的天然裂缝与层理导致测井资料响应产生异常(密度测井、声波测井、电阻率测井等等)，可间接反映对动态岩石力学参数的影响。其中动态岩石力学参数计算公式如下：

其中，μd为动态泊松比；δts和δtp分别为岩石的横波和纵波时差；ed为动态杨氏模量；ρ为岩石密度。然后，建立岩石力学参数动静态转换关系：静态岩石力学参数通过室内实验同步测试获取，对同一研究目标井层(岩石)，其动静态参数(杨氏模量e、泊松比μ)之间存在满足μs＝a1+k1μd与es＝a2+k2ed的转换关系。利用线性回归方法对同一研究目标井层(岩石)的岩石力学参数进行回归，可得到动静态参数转换关系；其中，μs为静态泊松比；μd为动态泊松比；a1和k1分别为动静态泊松比转换关系常数；es为静态杨氏模量；ed为动态杨氏模量；a2和k2分别为动静态弹性模量转换关系常数。

102、将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；

103、根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，包括：采用每段裂缝的缝内净压力的加权平均值作为缝内净压力值，结合二维裂缝干扰应力场计算方法，获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述二维裂缝干扰应力场计算方法，包括：

σy诱导＝μs(σx诱导+σz诱导)(3)

其中，σx诱导、σy诱导及σz诱导分别为x，y，z方向上的干扰应力；pn为裂缝壁面上净压力；r为裂缝中心距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；r1为裂缝底部距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；r2为裂缝顶部距离二维空间中干扰应力场研究目标点的距离；θ为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝中心的角度；θ1为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝底部的角度；θ2为二维空间中干扰应力场研究目标点偏离裂缝顶部的角度；c为缝高的一半；μs为静态泊松比。页岩长水平段多段簇裂缝干扰应力场的变化请参见图3，图3中包括：干扰应力差介于0至2mpa阶段301、干扰应力差介于-2至-4mpa阶段302和干扰应力差介于-4至-6mpa阶段303。在图3中，横纵轴的单位为米，在裂缝缝长为0米，水平井筒方向3300米处，干扰应力差最大(超过6mpa)，其余位置干扰应力差逐渐减小。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述采用每段裂缝的缝内净压力的加权平均值作为缝内净压力值，包括：

li＝i*lf/n(7)

其中，pn0为最大缝宽处裂缝壁面上净压力；li为距离井筒的裂缝长度；γ为裂缝内净压力分布指数；g为岩石剪切模量；w为缝长对应的缝宽；lf为等效缝长；n为缝长分割段数；μs为静态泊松比；pni为第i段裂缝的缝内净压力；pn为裂缝壁面上净压力；es为静态杨氏模量。该实施例中的具体步骤如下：

将给定的等效缝长lf分割成n等份，当i＝0,1,2,3,…,n时，缝长li＝i*lf/n；给定等效主裂缝最大缝宽值，由式(5-2)和(5-3)计算i＝0时的缝内净压力，此时缝长l0＝0；由式(5-1)计算i＝1,2,3,…,n时的缝内净压力pn,i；将计算的每一等份(i＝0,1,2,3,…,n时)所对应的缝内净压力pn,i进行加权平均得到缝内净压力pn，计算公式为式(6)。然后，将计算的缝内净压力pn代入(2)式，联立(3)式和(4)式求得多段簇裂缝应力干扰应力场。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，包括：

其中，σz为深度h处的垂向应力；ρr(h)为随深度变化的上覆岩体密度；h为压裂层位深度；g为重力加速度；σh和σh分别为最大、最小水平主应力；μs为岩石静态泊松比；kh和kh分别为最大、最小水平地应力方向的构造应力系数；α为biot系数；pp为孔隙压力。在此基础上请参见图2，在图2中，a曲线代表致密岩石，b曲线代表微缝高渗岩石，压力增大到f点时进入破裂阶段，此时加入前置液，之后进入加砂阶段，在该阶段加入携砂液，之后进入顶替阶段。在e点顶替阶段结束后就进入停泵阶段，在停泵阶段内裂缝闭合，裂缝闭合在c点处结束，在e点和c点之间包括管内摩阻和净裂缝延伸压力两个阶段。初次压裂施工曲线上裂缝闭合压力pc近似为最小水平主应力σh，进而由式(8-2)确定最小水平地应力方向的构造应力系数kh。对于页岩水平井，破裂压力计算式表述为pf＝3σh-σz-αpp+σt，可根据初次压裂施工曲线破裂压力数值确定最大水平地应力方向的构造应力系数kh。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场，包括：

其中，pe为原始地层压力；pwf为井底流压；a和b为二项式产能方程系数；q为产量；qn为归一化拟产量；gp为累积产气量；t为物质平衡时间；zi为原始地层孔隙压力下的天然气偏差系数，采用dranchuk-abu-kassem方法获取；z为当前地层孔隙压力下的天然气偏差系数；g为原始地质储量；δpp为孔隙压力降低值；p为当前底层压力。在(9)式和(10)式之间还存在孔隙压力变化引起水平主应力的改变的情况。具体地，水平主应力的改变如下：

其中，δσh和δσh分别为最大和最小水平主应力方向上的应力改变值；α为biot系数；δpp为地层孔隙压力降低值。

此外，天然气偏差系数z采用dranchuk-abu-kassem方法计算，具体包括：

采用牛顿迭代法对z进行迭代计算，其中a1＝0.3265，a2＝-1.0700，a3＝-0.5339，a4＝0.01569，a5＝-0.05165，a6＝0.5457，a7＝-0.7361，a8＝0.1844，a9＝0.1056，a10＝0.6134，a11＝0.7210。其中，tpr为对比温度；ρpr为对比密度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，所述将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布，包括：

其中，σz为深度h处的垂向应力；g为重力加速度；σh和σh分别为最大、最小水平主应力；σ′h和σ′h分别为现地应力场的最大、最小水平主应力；σx诱导(i)和σy诱导(i)分别为第i段裂缝在x，y方向上的干扰应力；μs为静态泊松比；α为biot系数；δpp为孔隙压力降低值；ρs为静态岩体密度。

根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。具体地，若满足σ′h＞σ′h，则水平应力发生转向。计算现地应力场中的水平应力差异系数具体可以为|σ′h-σ′h|/min(σ′h,σ′h)，若某一生产时间时，满足剩余可采储量充足，计算转向后的水平应力差异系数小于0.25(此处的判断阈值为0.25)，则有利于重复压裂形成复杂缝网(即此时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机)。页岩气藏水平井生产3年后，且水平井应力转向后的水平应力差异系数如图4所示，图4中包括：水平应力差异系数介于0.15至0.2阶段401、水平应力差异系数介于0.1至0.05阶段402和水平应力差异系数介于0至-0.05阶段403。在图4中，横纵轴的单位为米，在裂缝缝长为0米，水平井筒方向3300米处，水平应力差异系数最小(介于0至0.05之间)，其余位置水平应力差异系数逐渐变大。

本发明实施例提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法，通过考虑缝内净压力分布影响下的多段簇主裂缝干扰应力场，明确单井产量随生产时间变化关系并确定孔隙压力降干扰应力场，可以获得不同段簇主裂缝分布特征和不同生产时间孔隙压力降对现地应力场的影响，并确定页岩气藏水平井重复压裂的时机。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种确定页岩气藏水平井重复压裂时机的装置，该装置用于执行上述方法实施例中的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的方法。参见图5，该装置包括：

初始应力场获取模块501，用于获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；

现地应力场获取模块502，用于将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；

页岩气藏水平井重复压裂时机确定模块503，用于根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。

本发明实施例提供的确定页岩气藏水平井重复压裂时机的装置，采用初始应力场获取模块、现地应力场获取模块和页岩气藏水平井重复压裂时机确定模块，通过考虑缝内净压力分布影响下的多段簇主裂缝干扰应力场，明确单井产量随生产时间变化关系并确定孔隙压力降干扰应力场，可以获得不同段簇主裂缝分布特征和不同生产时间孔隙压力降对现地应力场的影响，并确定页岩气藏水平井重复压裂的时机。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)601、通信接口(communicationsinterface)604、至少一个存储器(memory)602和通信总线603，其中，至少一个处理器601，通信接口604，至少一个存储器602通过通信总线603完成相互间的通信。至少一个处理器601可以调用至少一个存储器602中的逻辑指令，以执行如下方法：获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。

此外，上述的至少一个存储器602中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。例如包括：获取水平井多段簇主裂缝干扰应力场，根据岩石力学动态参数及静态参数，确定原始地应力场，根据页岩气藏水平井生产规律，确定孔隙压力降干扰应力场；将所述水平井多段簇主裂缝干扰应力场、原始地应力场及孔隙压力降干扰应力场进行叠加，获取现地应力场分布；根据所述现地应力场分布，获取水平应力差异系数，若所述水平应力差异系数小于判断阈值，则确定当前时刻为页岩气藏水平井重复压裂的时机。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。