水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法

摘要

本发明涉及的是水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法，其为：步骤一、收集计算所需的基本参数，包括泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力等；步骤二、计算第N压裂段最后一个射孔簇处裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力；步骤三、计算第N+1压裂段地层受到的总诱导应力：步骤四、计算第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力：射孔方位沿垂向地应力时，计算各射孔簇处的破裂压力，射孔方位沿最大水平地应力时，计算各射孔簇处的破裂压力为，第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力为二者之间的最小值。本发明考虑了水平井分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时裂缝间的应力阻隔效应和应力干扰效应，更为符合分段多簇压裂的实际工况。

权利要求

1.一种水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法，其特征在于：这种水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法：步骤一、收集计算所需的基本参数，包括泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段和射孔簇的位置；

步骤二、计算第N压裂段最后一个射孔簇处裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力：式中： 为第N压裂段内最后一条裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力，MPa；

pnet为原始裂缝净压力，MPa； 为第i段压裂内的最后一条裂缝对第N压裂段最后一条裂缝产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

其中

式中： 为第i压裂段内最后一条裂缝对第i+1压裂段地层的有效净压力，MPa；L为第i压裂段内最后一条裂缝到第N压裂段最后一条裂缝的水平距离，m；c为裂缝半高，m；v为岩石泊松比；

步骤三、计算第N+1压裂段地层受到的总诱导应力：第i压裂段在第N+1压裂段地层产生的诱导应力为：式中： 和 为第i压裂段内的最后一条裂缝对第N+1压裂段地层产生的最小水平地应力、最大水平地应力、垂向地应力方向的诱导应力，MPa；v为岩石泊松比；

第N+1压裂段地层产生的总诱导应力为：

式中：σ″x、σ″y和σ″z分别为第N+1压裂段地层受到的最小水平地应力、最大水平地应力和垂向地应力方向的总诱导应力，MPa；

步骤四、计算第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力：射孔方位沿垂向地应力时，各射孔簇处的破裂压力为：其中

射孔方位沿最大水平地应力时，各射孔簇处的破裂压力为：式中：v为岩石泊松比；σv为垂向地应力，MPa；σH为最大水平地应力，MPa；σh为最小水平地应力，MPa；pp为地层压力，MPa；σt为岩石抗张强度，MPa；δ为渗透性系数，地层可渗透时δ＝

1,地层不可渗透时δ＝0； 为岩石的孔隙度；α为Biot系数；

第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力为二者之间的最小值，即Pf＝min(Pf0,Pf90)。

说明书

水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水平井分段多簇压裂储层改造技术，具体涉及水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法。

背景技术

[0002] 水平井分段多簇压裂技术是开发非常规低渗透储层的有效手段，这种技术不仅能够实现人工裂缝与天然裂缝的沟通，还能够利用诱导应力促使应力转向产生转向分支裂缝，在储层中形成复杂的裂缝网络，使得任意方向基质中的油气向裂缝的渗流距离“最短”，极大地提高储集层的整体渗透率以及油气井的产能和最终采收率。

[0003] 分段多簇压裂过程中，由于岩石物性、原地应力的差异以及先压裂缝诱导应力的影响，各个射孔簇处的破裂压力各不相同，同一压裂段内的各射孔簇很难同时起裂。而且一旦部分射孔簇率先起裂，还会在未起裂的射孔簇处产生额外的诱导应力，进一步增大未起裂射孔簇处的破裂压力，随着时间的延长未起裂射孔簇会更加难以起裂，最终导致压裂簇失效。Miller等人对100多口页岩气井的生产测井数据分析也证明了大约有三分之一的射孔簇由于未能起裂而对产能无贡献的现象。分段多簇压裂过程中，各簇起裂的最好时机是在施工初期，此时通过快速提高施工排量，根据限流法压裂的基本原理，利用射孔孔眼的节流摩阻作用提高井底压力，短时间内依次压开未破裂的射孔簇，从而实现多簇裂缝的有效起裂和扩展。

[0004] 水平井分段多簇压裂各射孔簇处破裂压力的确定是限流法压裂射孔孔眼设计以及施工参数确定的基本依据，多名学者分别建立了考虑诱导应力影响的水平井射孔簇破裂压力计算模型，为水平井分段压裂设计提供了有效的指导。但是这些研究均认为待压裂段射孔簇处受到的诱导应力为之前所有先压裂缝诱导应力的叠加，这种应力叠加原理适用于水平井分段单簇压裂的工况，即单个压裂段内只有一条裂缝，压裂过程中各条裂缝先后依次扩展形成，这一工况过程与水平井分段多簇压裂存在较大区别。分段多簇压裂时同一压裂段内多个射孔簇处的裂缝同步扩展延伸，其在周围地层中产生的总诱导应力并不是各条裂缝诱导应力的叠加，其原因在于：

[0005] 1、分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时存在应力阻隔效应

[0006] 水平井分段多簇压裂时，假设每段内各射孔簇处形成尺寸相同且均与井筒垂直的平行裂缝。以第N段3簇压裂为例，压裂过程中3个射孔簇处的裂缝N1、N2、N3同步平行扩展延伸，如图1所示。

[0007] 在第N段压裂过程中，由于N1、N2、N33条裂缝同步扩展延伸，裂缝N2、N3受到裂缝N1的阻隔，其所产生的诱导应力并不能传递到A点，即第N段压裂过程中A点受到的诱导应力是由裂缝N1产生的，而不是N1、N2、N33条裂缝诱导应力的叠加；N3裂缝受到N2裂缝的阻隔也不会对N1、N2裂缝之间的B点产生诱导应力，B点受到的诱导应力是N1、N2两条裂缝诱导应力的叠加，而与裂缝N3无关；同理N1、N2裂缝受到N3裂缝的阻隔也不会对C点产生诱导应力，C点受到的诱导应力是由裂缝N3产生的。分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时，各条裂缝产生的诱导应力受到其他裂缝的阻挡会出现应力阻隔效应，第N段压裂过程中段内某点产生的诱导应力是与其相邻裂缝引起的：段内缝外靠近上一压裂段的诱导应力由第一个射孔簇处的裂缝产生；段内缝间的诱导应力由与其相邻的两个射孔簇处裂缝叠加形成；段内缝外靠近下一压裂段的诱导应力由最后一个射孔簇处的裂缝产生。由此可知，第N段压裂之前段内各点受到的诱导应力为之前各段最后一个射孔簇处裂缝产生的诱导应力的叠加。

[0008] 2、分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时存在应力干扰效应

[0009] 第N段压裂过程中，由于之前N-1段压裂所形成的裂缝已经在本段裂缝处产生了诱导应力，该诱导应力增大了最小水平地应力，增大的最小水平地应力抵消了一部分裂缝内的原始净压力，使得实际净压力减小。因此第N段压裂裂缝内的实际净压力并不是原始净压力，而是应该减去之前N-1段压裂在该段裂缝处所形成的最小水平地应力方向的诱导应力，定义该实际净压力为有效净压力。水平井分段多簇压裂要考虑之前N-1段压裂对裂缝处产生的最小水平地应力方向的诱导应力对其有效净压力的影响，重新计算各条裂缝内的有效净压力以及由此引起的诱导应力。

[0010] 由于水平井分段多簇压裂段内多个射孔簇处的裂缝同步扩展延伸时存在应力阻隔效应和应力干扰效应，待压段各射孔簇处受到的诱导应力并不是各条裂缝在该点产生的诱导应力的叠加，现有的水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力的计算方法并不适用于分段多簇压裂的工况。目前尚未有人提出符合水平井分段多簇压裂工况的考虑多条裂缝同步扩展时的应力阻隔和应力干扰效应以及由此引起的缝内有效净压力变化的射孔簇破裂压力计算方法。

发明内容

[0011] 本发明的一个目的是提供水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法，这种水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法用于解决目前的破裂压力计算方法未考虑多条裂缝同步扩展时的应力阻隔和应力干扰效应以及由此引起的缝内有效净压力的变化而与实际压裂工况不相符的问题。

[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法：

[0013] 步骤一、收集计算所需的基本参数，包括泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段、射孔簇的位置；

[0014] 步骤二、计算第N压裂段最后一个射孔簇处裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力：

[0015]

[0016] 式中： 为第N压裂段内最后一条裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力，MPa；pnet为原始裂缝净压力，MPa； 为第i压裂段内的最后一条裂缝对第N压裂段最后一条裂缝产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

[0017] 其中

[0018] 式中： 为第i压裂段内最后一条裂缝对第i+1压裂段地层的有效净压力，MPa；L为第i压裂段内最后一条裂缝到第N压裂段最后一条裂缝的水平距离，m；c为裂缝半高，m；v为岩石泊松比；

[0019] 步骤三、计算第N+1压裂段地层受到的总诱导应力：

[0020] 第i压裂段在第N+1压裂段地层产生的诱导应力为：

[0021]

[0022] 式中： 和 为第i压裂段内的最后一条裂缝对第N+1压裂段地层产生的最小水平地应力、最大水平地应力、垂向地应力方向的诱导应力，MPa；

[0023] 第N+1压裂段地层产生的总诱导应力为：

[0024]

[0025] 式中：σ″x、σ″y和σ″z分别为第N+1压裂段地层受到的最小水平地应力、最大水平地应力和垂向地应力方向的总诱导应力，MPa；

[0026] 步骤四、计算第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力：

[0027] 射孔方位沿垂向地应力时，各射孔簇的破裂压力为：

[0028]

[0029] 其中

[0030] 射孔方位沿最大水平地应力时，各射孔簇处的破裂压力为：

[0031]

[0032] 式中：v为泊松比；σv为垂向地应力，MPa；σH为最大水平地应力，MPa；σh为最小水平地应力，MPa；pp为地层压力，MPa；σt为岩石抗张强度，MPa；δ为渗透性系数，地层可渗透时δ＝1,地层不可渗透时δ＝0； 为岩石的孔隙度；α为Biot系数；

[0033] 第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力为二者之间的最小值，即Pf＝min(Pf0,Pf90)。

[0034] 本发明具有以下有益效果：

[0035] 1、本发明考虑了水平井分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时裂缝间的应力阻隔效应和应力干扰效应，更为符合分段多簇压裂的实际工况。

[0036] 2、根据本发明得出的分段多簇压裂同一压裂段内不同射孔簇的破裂压力，可以为限流法压裂设计提供最基本的依据，确保同一压力段内多个射孔簇处的裂缝同步起裂扩展。

[0037] 3、根据本发明可以计算沿水平段内不同位置处的射孔簇破裂压力，从而为射孔簇位置及压裂段设计提供优化依据。

[0038] 4、根据本发明得出的分段多簇压裂同一压裂段内不同射孔簇的破裂压力，可以作为射孔簇是否起裂的判别标准，从而压裂施工参数改进提供依据；

[0039] 5、根据本发明得出的分段多簇压裂同一压裂段内不同射孔簇的破裂压力，可以作为段内多条裂缝流量分配的依据，从而进一步指导水力裂缝的模拟分析及压后产能的准确计算。

具体实施方式

[0040] 下面对本发明作进一步的说明：

[0041] 这种水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力计算方法：

[0042] 步骤一、收集计算所需的基本参数，包括泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段和射孔簇的位置等参数；

[0043] 步骤二、计算第N压裂段最后一个射孔簇处裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力：

[0044]

[0045] 式中： 为第N压裂段内最后一条裂缝相对于第N+1压裂段地层的有效净压力，MPa；pnet为原始裂缝净压力，MPa； 为第i段压裂内的最后一条裂缝对第N压裂段最后一条裂缝产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa，第i压裂段是指自第N-1压裂段至第一压裂段中的任意一个压裂段。

[0046] 其中

[0047] 式中： 为第i压裂段内最后一条裂缝对第i+1压裂段地层的有效净压力，MPa；L为第i压裂段内最后一条裂缝到第N压裂段最后一条裂缝的水平距离，m；c为裂缝半高，m；v为岩石泊松比；

[0048] 步骤三、计算第N+1压裂段地层受到的总诱导应力：

[0049] 第i压裂段在第N+1压裂段地层产生的诱导应力为：

[0050]

[0051] 式中： 和 为第i压裂段内的最后一条裂缝对第N+1压裂段地层产生的最小水平地应力、最大水平地应力、垂向地应力方向的诱导应力，MPa；

[0052] 第N+1压裂段地层产生的总诱导应力为：

[0053]

[0054] 式中：σ″x、σ″y和σ″z分别为第N+1压裂段地层受到的最小水平地应力、最大水平地应力和垂向地应力方向的总诱导应力，MPa；

[0055] 步骤四、计算第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力：

[0056] 射孔方位沿垂向地应力时，各射孔簇处的破裂压力为：

[0057]

[0058] 其中

[0059] 射孔方位沿最大水平地应力时，各射孔簇处的破裂压力为：

[0060]

[0061] 式中：v为泊松比；σv为垂向地应力，MPa；σH为最大水平地应力，MPa；σh为最小水平地应力，MPa；pp为地层压力，MPa；σt为岩石抗张强度，MPa；δ为渗透性系数，地层可渗透时δ＝1,地层不可渗透时δ＝0； 为岩石的孔隙度；α为Biot系数；

[0062] 第N+1压裂段各射孔簇的破裂压力为二者之间的最小值，即Pf＝min(Pf0,Pf90)。