一种复杂各向异性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法与流程

本发明涉及油气田开发，尤其涉及一种复杂各向异性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法。

背景技术：

1、与常规砂岩储层相比，非常规砾岩储层整体呈现低孔、低渗特征，具有较强的非均质性，其岩石力学特征与常规砂岩也存在较大的差异。前期压裂过程中发现压裂后增产效果差异明显，其中关键的影响因素之一就是压裂后裂缝扩展的机理无法确定。为此，有充分认识储层力学性质的基础上，探索砾岩储层压裂裂缝扩展机理成为一项很重要的研究工作。

2、目前对非常规油气田开发方式为水平井+体积压裂组合方式。分段分簇过程中，合理规划簇间距，提高形成缝网的复杂形态是增加油气产量的关键因素。储层物性参数各向异性强，缺乏对压裂缝扩展形态及压力场变化的有效预测手段。在地球物理学中，地震波各向异性具体表现为地震波速度随测量方向的变化而变化的性质，利用地震波各向异性可研究地球介质的各向异性，同时各向异性参数在辅助岩性解释方面也有巨大潜力。实验和研究表明不同的矿物岩石在不同的深度时，由于岩石物性不同，它们的各向异性参数也不同，大大影响了压裂改造缝网的体积大小和形成的复杂缝网形态。研究区域缺乏岩性力学各向异性参数测试，对岩石力学各向异性的评估不一，缺少完整的正相关特征。对现有的物性参数、流体参数的分析难以证实压裂缝网规模应由多变量，多因素控制。研究区水平井存在水平段内岩性变化频繁，各向异性特征较为明显，对后期压裂产能影响较大，难以形成针对性研究。

3、经典的压裂模型主要基于储层中水力裂缝为双翼对称平面裂缝的假设，但在实际裂缝性储层中水力裂缝可能会沿着任意的路径产生和发展，在力学上属于非连续介质变形破裂问题。

4、确认裂缝缝网的拓展延伸机理以及复杂缝网的形成成为砾岩致密油气藏开采提高产能的主要问题，地质因素是控制因素，决定了储层压裂能否形成网络裂缝，脆性指数高、天然裂缝或弱面发育好，胶结弱、储层水平主应力差小的储层压裂更容易形成网络裂缝；工程因素可改变水力裂缝网络的复杂性和波及范围，低黏流体可增加裂缝网络的复杂性，提高净压力和增加施工规模是提高缝网波及区域的工艺手段。

5、在中国专利申请文献cn102364489a中公开了一种复杂各向异性本构关系模型的数值模拟方法，该方法将木材弹性阶段的应力-应变关系简化为正交各向异性，选用yamada-sun强度准则，引入损伤因子和弹性应变能，通过设置初始和最终屈服面，并控制屈服面由前者向后者转移来描述木材塑性变形时的应变硬化。使用应变方程来描述木材横纹承压时的二次应变硬化。其优点在于能反映木材各向异性的材料特点，得到较高的预测准确率。该预测方法存在以下几个缺点：1.仅研究了材料的正交各向异性参数对裂缝扩展方向的影响，对于岩石完全各向异性参数对应变的影响并未涉及；2.不适用于非常规致密砾岩油藏；3.未涉及压裂复杂缝网的扩展规律研究；4.无法实现对砾岩油藏特有的各向异性介质扩展模拟。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种复杂各向异性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，基于砾岩油藏渗透率复杂各向异性表征模型，应用非常规裂缝扩展模型和非常规油藏有限元数值模拟技术，能够研究考虑复杂各向异性条件下裂缝网络的扩展规律，判断水力裂缝的扩展方向和扩展路径；能够考虑压裂液流动和支撑剂运移，应用边界元法计算应力阴影，考虑缝间干扰；为能够更准确地预测裂缝扩展形态、几何尺寸和支撑剂分布的方法，综合考虑了储层中的地应力状态和储层渗透率复杂各向异性，能够模拟裂缝网络的的非对称和不规则形态及砾岩油藏特有的压裂缝扩展现象，计算结果可以很好的与微地震、示踪剂数据拟合和校正，获得较高的砾岩压裂复杂缝网拓展模拟精度。

2、本发明提供了一种复杂各向异性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，包括如下步骤：

3、通过测井资料、钻井资料和地震资料获得地层物性参数；

4、建立砾岩储层复杂各向异性表征模型，通过张量的形式表征出储层各方向应力大小不同；

5、建立砾岩油藏地质力学模型，通过直井地震合成记录，反演弹性参数，构建弹性阻抗参数选择角度方程；

6、分析计算与构建弹性参数，分析不同岩性测井参数及弹性参数特征；

7、根据砾岩油藏压裂工艺参数，建立对应的泵注程序；

8、考虑应力阴影效应和压裂液滤失系数，结合泵注程序、地应力场、油藏复杂各向异性岩石力学参数和天然裂缝分布场，采用扩展有限元法，建立裂缝扩展的数值模拟模型，得到裂缝扩展模拟结果。

9、优选地，得到裂缝扩展模拟结果后，还将得到的压裂缝网模拟结果与微地震和示踪剂测试结果进行对比分析，验证模拟结果的准确率。

10、优选地，通过将压裂过程施工曲线拟合对比微地震、示踪剂测试结果与老井生产动态对比拟合，根据拟合度进行模拟结果的准确率判断。

11、优选地，得到裂缝扩展模拟结果后，根据裂缝扩展模拟结果，分析不同岩性参数和流体参数，确定不同物性砾岩储层水力压裂裂缝扩展规律和裂缝最终形态。

12、优选地，确定不同物性砾岩储层水力压裂裂缝扩展规律和裂缝最终形态后，还包括给定不同各向异性强度的参数组合模式，确定复杂各向异性对复杂裂缝网扩展的影响规律。

13、优选地，地层物性参数包括脆性指数、泊松比、杨氏模量和纵横波速度。

14、优选地，所述建立砾岩储层复杂各向异性表征模型，通过张量的形式表征出储层各方向应力大小不同具体为：

15、将砾岩储层正交各向异性弹性参数进行张量表征；

16、采用hudson模型，根据砾岩储层正交各向异性弹性参数的张量表征对弹性各向异性介质分析。

17、裂隙等效理论可以将裂隙参数等效为各向异性介质参数。目前常用的裂隙等效方法为hudson等效理论。

18、hudson等效介质理论认为裂隙存在于各向同性背景下，将各向同性介质看作是其背景介质，裂隙中的物质被看作是很小的量。

19、hudson理论有如下假设条件：①背景介质中有着比地震波长小的多的定向排列的裂隙；②这些裂隙之间是相互独立的，也就是所不存在裂隙之间的流动，且裂隙的孔隙纵横比要相当小；③弱裂隙中含有颗粒物时，它的体积模量以及剪切模量要比其所在各向同性背景介质下的体积模量以及剪切模量小的多。

20、优选地，所述建立砾岩油藏地质力学模型，通过直井地震合成记录，反演弹性参数，构建弹性阻抗参数选择角度方程具体包括如下步骤：

21、通过地震合成记录，得到弹性参数，进行岩石物性分析；

22、建立地层格加模型；

23、根据沉积环境选择随机模拟方法，建立沉积相模型；

24、在考虑到沉积相的控制作用下，模拟沉积单元内储层物性参数的空间分布；

25、对建立的地层格加模型进行网格粗化，使之与油藏数值模拟匹配；

26、进行随机场排序与选择。

27、通过地震合成记录，得到拉梅弹性系数，进行岩石物性分析，是得到岩性物性流体分析因素的基础，也是连接地震-测井-储层岩性流体参数之间的桥梁和纽带。分析后，绘制各种测井曲线和弹性参数交会图量版，可以了解油气层、水层的地震、测井响应特征，落实岩性物性和流体敏感弹性参数，分析叠前同步反演能否起到评价储层岩性、物性和检测油气层的作用，为后续岩性物性流体解释提供定量标准。通过预测横波，计算与构建弹性参数，分析不同岩性测井及弹性参数特征。

28、指示因子参数包括：声波阻抗ai、梯度阻抗gi、模量阻抗si和剪切模量μ。

29、优选地，所述分析计算与构建弹性参数，分析不同岩性测井参数及弹性参数特征具体为通过预测横波，计算与构建弹性参数，分析不同岩性测井参数及弹性参数特征，具体包括：

30、绘制测井曲线和弹性参数交会图量版；

31、根据绘制的测井曲线和弹性参数交会图量版，得到岩性物性参数和流体敏感弹性参数；

32、将纵波阻抗zp和横波阻抗zs组合起来，并旋转角度θ，得到新的地层属性，定义为指示因子y，数学上表示为如下公式：

33、y＝zp*cos(θ)+zs*sin(θ)。

34、构建弹性参数是叠前岩性物性流体反演的基础，也是连接地震-测井-储层岩性流体参数之间的桥梁和纽带。通过分析，绘制各种测井曲线和弹性参数交会图量版，可以了解油气层、水层的地震、测井响应特征，落实岩性物性和流体敏感弹性参数，分析叠前同步反演能否起到评价储层岩性、物性和检测油气层的作用，为后续岩性物性流体解释提供定量标准。

35、指示因子随着θ角度的改变而变化，且在不同的角度上可以与传统的储层或弹性参数具有较高的相关性，见表1所示。换言之，常规的弹性参数均可以看做纵波阻抗(zp)和横波阻抗(zs)经过坐标旋转的结果，只是不同的参数所旋转的角度不同，以致区分岩性、物性或流体的能力也不同。

36、表1储层或弹性参数随θ角度的变化

37、

38、测井-弹性参数响应特征为:

39、盐岩：低伽玛，低密度，低纵波阻抗、低横波阻抗、较低lame常数、较高lr、高纵横波速度比，高poisson比；

40、砂层：较低伽玛、较低密度、较低纵波阻抗、较低横波阻抗、低lame常数、低lr、低纵横波速度比，低poisson比；

41、泥岩：高伽玛、高密度、高纵波阻抗、高横波阻抗、高lame常数、高lr、高纵横波速度比，高poisson比。

42、由以上方法通过不同的角度可以得到:

43、岩性指示因子(li)：与自然伽玛或者泥质含量相关最大的角度计算出的阻抗组合；

44、物性指示因子(rpi)：与孔隙度参数相关最大的角度所计算出的阻抗组合；

45、流体指示因子(rpi)：与含油饱和度参数相关最大的角度所计算出的阻抗组合。

46、此种方法具有至少具有3个方面的先进性：

47、首先是增大了划分岩性、物性的区分度和识别率；

48、其次是把多参数交会识别有利区降维至单参数识别；

49、第三是一定程度上克服了背景趋势给识别有利区带来的干扰。

50、优选地，泵注程序分为试压、前置液、携砂液和顶替液。

51、优选地，裂缝扩展模拟结果包括压裂产生的裂缝缝长、缝高、缝宽、裂缝开度和裂缝渗透率。

52、优选地，通过将压裂过程中示踪剂及微地震监测效果及施工曲线确定的不同岩性、物性、流体参数条件下水平井的产量进行模拟效果拟合对比，再将岩性、物性、流体参数用数模模拟得到最终的裂缝拓展形态。

53、与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

54、(1)本发明基于砾岩油藏渗透率复杂各向异性表征模型，应用非常规裂缝扩展模型和非常规油藏有限元数值模拟技术，能够研究考虑复杂各向异性条件下裂缝网络的扩展规律，判断水力裂缝的扩展方向和扩展路径；

55、(2)本发明通过指示因子方法筛选储层有利区域的甜点位置，结合后期的分段分簇压裂改造规模，进行提产，在某井区运用此技术手段，较之前单井日产油提高15t/d。验证了此方法的实用性，达到提高单井产量，增加整体eur的可能性；

56、(3)本发明能够考虑压裂液流动和支撑剂运移，应用边界元法计算应力阴影，考虑缝间干扰，为能够更准确地预测裂缝扩展形态、几何尺寸和支撑剂分布的方法，综合考虑了储层中的地应力状态和储层复杂各向异性，能够模拟裂缝网络的的非对称和不规则形态及砾岩油藏特有的压裂缝扩展现象，计算结果可以很好的与微地震、示踪剂数据拟合和校正。最终获得较高的砾岩压裂复杂缝网模拟精度。

57、(4)本发明综合考虑了储层中的地应力状态和储层渗透率复杂各向异性，能够模拟裂缝网络的的非对称和不规则形态及砾岩油藏特有的压裂缝扩展现象，能够更准确地预测裂缝扩展形态、几何尺寸和支撑剂分布的方法，计算结果可以很好的与微地震、示踪剂数据拟合和校正，获得较高的砾岩压裂复杂缝网拓展模拟精度。