本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透油氣藏儲層直井體積壓裂儲層改造體積的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

低滲透儲層物性差，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面孔率低、吼道細(xì)小，常規(guī)壓裂技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期的增產(chǎn)效果。體積壓裂技術(shù)是改造低滲透油氣田，實現(xiàn)增產(chǎn)的一項重要工藝措施。水平井體積壓裂是低滲透油氣藏增產(chǎn)改造的主要技術(shù)手段，但我國的低滲透油氣儲層以陸相沉積為主，部分油田區(qū)塊中(如長慶油田、吉林油田的部分區(qū)塊)發(fā)育的低滲透儲層具有成藏面積小，縱向上小層多，厚度薄的特征，水平井體積改造技術(shù)表現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性，使得直井體積壓裂技術(shù)被大規(guī)模的應(yīng)用于此類儲層的開發(fā)。準(zhǔn)確的壓后儲層改造體積解釋結(jié)果有利于合理評價直井體積壓裂效果，優(yōu)化壓裂施工設(shè)計和精確預(yù)測壓后產(chǎn)量。目前國內(nèi)外常用的體積壓裂裂縫現(xiàn)場監(jiān)測手段主要有微地震監(jiān)測、測斜儀監(jiān)測和分布式聲傳感裂縫監(jiān)測。其中，微地震監(jiān)測能夠檢測到復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)體的方位、縫長、縫寬、縫高和傾角，是目前應(yīng)用較多的裂縫監(jiān)測手段，但該方法技術(shù)成本高，不適合大規(guī)模多井次應(yīng)用。若采用儲層改造體積數(shù)學(xué)模型預(yù)測體積壓裂儲層改造體積，則可大大降低成本?，F(xiàn)有的儲層改造體積預(yù)測方法主要包括半解析法、產(chǎn)量擬合法和離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模擬法。半解析法和產(chǎn)量擬合法實施時對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，前者需要采用目標(biāo)區(qū)塊部分井的微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，才能得出可靠的預(yù)測結(jié)果，而后者則必須根據(jù)壓后產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)測儲層改造體積大小。離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模擬法雖不需要事先獲取微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)和壓后產(chǎn)量數(shù)據(jù)，但該方法的基礎(chǔ)理論較為復(fù)雜，計算量大，模型收斂性差，不易實施。由此可知，現(xiàn)有的儲層改造體積預(yù)測方法均存在一定程度的不足，不適合大量應(yīng)用于現(xiàn)場實踐。

綜上所述，目前需要的低滲透油氣藏直井體積壓裂儲層改造體積預(yù)測方法應(yīng)具有以下兩個特點：(1)實施時對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較低，不需要事先獲得大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)和壓后產(chǎn)量數(shù)據(jù)等，就可直接預(yù)測體積壓裂儲層改造體積；(2)基礎(chǔ)理論完善，思路簡潔直觀，可操作性強(qiáng)，且能獲得準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低滲透油氣藏直井體積壓裂儲層改造體積預(yù)測方法，用于預(yù)測直井體積壓裂后的儲層改造體積，更具有操作性和準(zhǔn)確性，為低滲透油氣藏直井體積壓裂壓后效果評估與產(chǎn)量預(yù)測提供了有利的理論依據(jù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案。

首先，建立三維水力裂縫干擾模式下的地應(yīng)力場計算模型，先分別計算出儲層空間中任意一點處的水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力、壓裂液濾失后的地層孔隙壓力和孔隙彈性應(yīng)力，再基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論將上述三種應(yīng)力場與原始地應(yīng)力場進(jìn)行疊加獲得三維水力裂縫干擾模式下的地應(yīng)力場；其次，計算三維水力裂縫干擾模式下儲層空間中的三向有效主應(yīng)力的大小與方向；最后，在存在三維水力裂縫干擾的復(fù)雜地應(yīng)力場條件下，計算分析儲層空間中的天然裂縫是否發(fā)生張開或剪切破裂，將這兩種破裂方式所波及到的總體積等效為儲層改造體積。

一種低滲透油氣藏直井體積壓裂儲層改造體積預(yù)測方法，依次包括以下步驟：

(1)計算水力裂縫在三維空間中產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力?；谌S位移不連續(xù)理論，建立三維水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場計算模型(Wu K.Numerical modeling of complex hydraulic fracture development in unconventional reservoirs[D].The University of Texas at Austin,2014)。計算三維空間中任意點i處的水力裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力大小，計算公式如下：

式中：

σ_xxⁱ、σ_yyⁱ、σ_zzⁱ、σ_xyⁱ、σ_xzⁱ、σ_yzⁱ分別為三維空間中任意點i處水力裂縫產(chǎn)生的正向誘導(dǎo)應(yīng)力與剪切誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa；

均為邊界影響系數(shù)；

N為水力裂縫被劃分的總單元個數(shù)；

D_sL^j、D_sH^j、D_n^j分別為水力裂縫單元j上的切向與法向位移不連續(xù)量，可由式(2)中給出的條件，結(jié)合式(1)反求得到；

σ_zz^j為水力裂縫單元j上受到的沿原始最小地應(yīng)力方向(平行于z軸)的正應(yīng)力邊界值，一般為水力裂縫壁面受到的凈壓力，MPa；

σ_xz^j、σ_yz^j均為水力裂縫單元j上受到的剪切應(yīng)力邊界值，一般為0，MPa；

p_net^j為水力裂縫單元j上受到的凈壓力，MPa。

(2)計算壓裂液濾失后的地層孔隙壓力。低滲透儲層基質(zhì)滲透率極低，可忽略壓裂液向基質(zhì)中的濾失。一般情況下，儲層中發(fā)育的天然裂縫是壓裂液濾失的主要通道，在低滲透儲層中僅考慮壓裂液沿天然裂縫的濾失行為。由于地層原始流體性質(zhì)和儲層巖石結(jié)構(gòu)特征存在差異，在低滲透油藏與低滲透氣藏中分別采用不同的方法計算壓裂液濾失導(dǎo)致的地層孔隙壓力變化值。具體計算公式如下(Warpinski N R,Wolhart S L,Wright C A.Analysis and Prediction of Microseismicity Induced by Hydraulic Fracturing[J].SPE Journal,2004,9(01):24-33)：

低滲透油藏：

低滲透氣藏：

式中：

Pⁱ為壓裂液濾失后地層中任意點i處的孔隙壓力，MPa；

P₀為地層原始孔隙壓力，MPa；

P_f為水力裂縫縫內(nèi)液體壓力，MPa；

λ、μ為任意濾失點i在三維水力裂縫橢球體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，m²；

b為水力裂縫在井筒處的半縫高，m；

φ為天然裂縫孔隙度，無因次；

μ_l為壓裂液粘度，mPa·s；

c為天然裂縫壓縮系數(shù)，MPa^-1；

k為儲層滲透率，D；

t為濾失時間，s；

L為水力裂縫長度，m；

x_i為任意濾失點i在三維直角坐標(biāo)系中沿縫長方向(x軸方向)的坐標(biāo)值，m；

y_i為任意濾失點i在三維直角坐標(biāo)系中沿縫高方向(y軸方向)的坐標(biāo)值，m。

(3)計算壓裂液濾失后的地層孔隙彈性應(yīng)力。壓裂液的濾失會增加局部儲層的孔隙壓力，這種作用將會擾動水力裂縫周圍的應(yīng)力。在低滲透氣藏儲層中，可忽略孔隙彈性應(yīng)力影響，但在油藏儲層中，此孔隙彈性應(yīng)力不能被忽略，其計算公式如下(Smith M B.Stimulation design for short,precise hydraulic fractures[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1985,25(03):371-379)：

式中：

Δσⁱ為任意點i處地層孔隙壓力變化產(chǎn)生的孔隙彈性應(yīng)力，MPa；

A為孔彈性常數(shù)，無因次；

ν地層巖石泊松比，無因次；

為描述流體侵入的尺寸和形狀的參數(shù)，無因次；

α為Biot系數(shù)，無因次；

h為天然裂縫半縫高，m。

(4)將上述三種應(yīng)力場與原地應(yīng)力場疊加獲得新的地應(yīng)力場，計算疊加后儲層空間中的三向有效主應(yīng)力的大小與方向。首先，基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論將上述三種誘導(dǎo)應(yīng)力場與原地應(yīng)力場進(jìn)行疊加，其計算公式如下：

其次，將方程(6)代入方程(7)并求解方程(7)得到各應(yīng)力場疊加后儲層空間中的三向有效主應(yīng)力的大小。

然后，計算各應(yīng)力場疊加后儲層空間中的三向有效主應(yīng)力的方向，其計算公式如下：

式中：

σ_xx為水力裂縫產(chǎn)生的沿原始最大水平地應(yīng)力方向(平行于x軸方向)的誘導(dǎo)應(yīng)力，具體各點處的應(yīng)力值為σ_xxⁱ，MPa；

σ_yy為水力裂縫產(chǎn)生的沿原始垂向地應(yīng)力方向(平行于y軸方向)的誘導(dǎo)應(yīng)力，具體各點處的應(yīng)力值為σ_yyⁱ，MPa；

σ_zz為水力裂縫產(chǎn)生的沿原始最小水平地應(yīng)力方向(平行于z軸方向)的誘導(dǎo)應(yīng)力，具體各點處的應(yīng)力值為σ_zzⁱ，MPa；

σ_xy、σ_xz、σ_yz均為水力裂縫產(chǎn)生的剪切誘導(dǎo)應(yīng)力，具體各點處的應(yīng)力值為σ_xyⁱ、σ_xzⁱ、σ_yzⁱ，MPa；

P為壓裂液濾失后的地層中的孔隙壓力，具體各點處的應(yīng)力值為Pⁱ，MPa；

Δσ為壓裂液濾失后的地層中的孔隙彈性應(yīng)力，具體各點處的應(yīng)力值為Δσⁱ，MPa；

σ_h為原始最小水平地應(yīng)力，MPa；

σ_H為原始最大水平地應(yīng)力，MPa；

σ_V為原始垂向地應(yīng)力，MPa；

σ_i(i＝1,2,3)為以上三種應(yīng)力場與原地應(yīng)力場疊加以后儲層空間中的三向有效主應(yīng)力的大小，其中σ₁＞σ₂＞σ₃，MPa；

β_xi、β_yi、β_zi(i＝1,2,3)分別為以上三種應(yīng)力場與原地應(yīng)力場疊加以后儲層空間中的各向有效主應(yīng)力σ_i(i＝1,2,3)分別與x、y、z軸方向的夾角，0°～90°。

本發(fā)明中的所有計算以壓應(yīng)力為正，張應(yīng)力為負(fù)。

(5)計算儲層空間中天然裂縫張開破裂判定系數(shù)M、天然裂縫剪切破裂區(qū)域判定系數(shù)S，從而預(yù)測體積壓裂儲層改造體積，確定其長度、寬度和高度，獲得儲層改造體積大小。天然裂縫發(fā)育是低滲透油氣藏獲得理想體積壓裂改造效果的必要條件。天然裂縫是儲層力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，儲層壓裂改造過程中天然裂縫更易先于基巖發(fā)生張開或剪切破裂，從而在三維儲層空間中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)體，因此可將這兩種破裂方式的總波及體積等效為儲層改造體積。由于儲層改造體積形態(tài)較為復(fù)雜，為方便計算儲層改造體積大小，按照現(xiàn)階段的常規(guī)計算思路將其等效成長方體。按照長方體計算體積大小的方式(“長×寬×高”)計算儲層改造體積大小。

M為天然裂縫張開破裂判定系數(shù)，M>0則代表在水力壓裂過程中該處的天然裂縫會發(fā)生張開破裂，其計算公式為：

S為天然裂縫剪切破裂區(qū)域判定系數(shù)，S>0則代表在水力壓裂過程中該處的天然裂縫會發(fā)生剪切破裂，其計算公式為：

式中：

σ_n為天然裂縫壁面受到的正應(yīng)力，MPa；

為天然裂縫面法向矢量與應(yīng)力場疊加后的最大有效主應(yīng)力σ₁的夾角，0°～90°；

θ為天然裂縫面法向矢量與應(yīng)力場疊加后的最小有效主應(yīng)力σ₃的夾角，0°～90°；

α為天然裂縫傾角即天然裂縫面法向矢量與y軸的夾角，0°～90°；

為天然裂縫走向與原始最大水平地應(yīng)力(x軸方向)的夾角，0°～90°；

τ為天然裂縫面受到的剪切應(yīng)力，MPa；

k_f為天然裂縫壁面摩擦系數(shù)，無因次；

σ_o為天然裂縫內(nèi)聚力，MPa。

儲層空間中S>0以及M>0的總波及體積即為直井體積壓裂儲層改造體積，通過觀察該儲層改造體積的俯視圖和側(cè)視圖確定其長度、寬度和高度，按照“長×寬×高”方式計算獲得儲層改造體積大小。

本發(fā)明中涉及的計算公式和參數(shù)較多，若一一列出會顯得過于累贅，為保證本發(fā)明的簡潔直觀，因此僅列出了主要的計算公式和參數(shù)，對于未給出的計算公式和參數(shù)則列出了相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：(1)基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論和三維位移不連續(xù)法建立了考慮三維水力裂縫干擾模式下的復(fù)雜地應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型，計算分析了天然裂縫在復(fù)雜地應(yīng)力場條件下的張開和剪切破裂行為，并基于體積壓裂儲層改造體積力學(xué)形成機(jī)理，將以上兩種破裂方式的總波及體積等效為儲層改造體積，給出了一種更加準(zhǔn)確直觀的直井體積壓裂儲層改造體積預(yù)測方法。(2)本方法簡潔直觀，可實施性強(qiáng)，在預(yù)測儲層改造體積時不需要事先獲得微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)或壓后產(chǎn)量數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的計算方法對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高的不足。

附圖說明

圖1為水力裂縫三維位移不連續(xù)法單元劃分示意圖。

圖2為Q30井壓裂后本方法預(yù)測結(jié)果俯視圖與微地震事件監(jiān)測結(jié)果俯視圖。

圖3為Q30井壓裂后本方法預(yù)測結(jié)果側(cè)視圖與微地震事件監(jiān)測結(jié)果側(cè)視圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及現(xiàn)場運(yùn)用實例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

以東部某油田的一口致密砂巖油藏直井(Q30)為例，該井完鉆井深2550m,儲層深度為2442.4～2446.2m，厚度為3.8m，油層平均孔隙度為9.2％，平均滲透率為0.62mD，屬于低孔、低滲儲層。本井采用大排量、低砂比、大液量低黏液體體系(以滑溜水為主)的技術(shù)做法進(jìn)行體積壓裂，最大限度使儲層改造體積最大化，提高儲層動用程度，從而提高單井產(chǎn)量。儲層內(nèi)天然裂縫發(fā)育，裂縫傾角較大約為80°，與最大水平地應(yīng)力方向的夾角約為15°。其它基本參數(shù)見下表1所示。

表1 Q30井基本參數(shù)表

步驟1，采用表1中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式(1)、(2)計算出水力裂縫在三維地層空間中產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力。圖1展示了水力裂縫按照三維位移不連續(xù)法進(jìn)行單元劃分的具體方式以及地層中任意點i處水力裂縫產(chǎn)生的正向誘導(dǎo)應(yīng)力和切向誘導(dǎo)應(yīng)力。

步驟2，采用表1中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式(3)計算壓裂液濾失后的地層孔隙壓力(若是低滲透氣藏則使用公式(4)進(jìn)行計算)。

步驟3，采用表1中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式(5)計算壓裂液濾失后的地層孔隙彈性應(yīng)力(若是低滲透氣藏，壓裂液濾失產(chǎn)生的地層孔隙彈性應(yīng)力可忽略)

步驟4，采用表1中的數(shù)據(jù)，結(jié)合步驟1～3的計算結(jié)果，運(yùn)用公式(6)～(8)計算以上三種應(yīng)力場與原地應(yīng)力疊加后的新地應(yīng)力場的空間三向有效主應(yīng)力的大小和方向。

步驟5，采用表1中的數(shù)據(jù)，結(jié)合步驟4中的計算結(jié)果，運(yùn)用公式(9)～(10)預(yù)測油井Q30體積壓裂后的儲層改造體積，通過觀察該儲層改造體積預(yù)測結(jié)果的俯視圖和側(cè)視圖確定其長度、寬度和高度，按照“長×寬×高”方式計算獲得儲層改造體積大小。

觀察圖2和圖3可知，采用以上步驟進(jìn)行計算，預(yù)測Q30井體積壓裂后的儲層改造體積大小約為154×10⁴m³(長300m，寬78m，高66m)。Q30井壓裂施工結(jié)束后，微地震監(jiān)測解釋結(jié)果顯示儲層中形成了一個改造體積約為141×10⁴m³(長300m，寬76m，高62m)的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)體，與本發(fā)明預(yù)測結(jié)果十分接近。同時，Q30井壓裂后微地震事件監(jiān)測結(jié)果俯視圖和側(cè)視圖與本方法預(yù)測結(jié)果的俯視圖和側(cè)視圖基本重合。說明本發(fā)明提出的低滲透油氣藏直井體積壓裂儲層改造體積預(yù)測方法較為合理，可為儲層壓裂施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，壓后效果評價和壓后產(chǎn)量精確預(yù)測提供有利的參考。