測(cè)定各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及油氣井領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)定各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng) 力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 預(yù)測(cè)水平井的井壁圍巖周向應(yīng)力對(duì)于指導(dǎo)水平井的壓裂有重要意義。在現(xiàn)有技術(shù) 中，預(yù)測(cè)水平井的井壁圍巖應(yīng)力的計(jì)算模型大多是針對(duì)各向同性地層提出的。但是，實(shí)際頁(yè) 巖大都具有由于層理而引起的各向異性特征，在實(shí)際壓裂施工中發(fā)現(xiàn)，使用各向同性地層 的計(jì)算模型得到的結(jié)果與實(shí)際壓裂施工的偏差較大，造成使用各向同性地層的計(jì)算模型得 到的結(jié)果的實(shí)際指導(dǎo)意義不大。
[0003] 為了更準(zhǔn)確地指導(dǎo)各向異性地層地層水平井的壓裂施工，需要一種能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各 向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力的方法，W能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)井壁圍巖的應(yīng)力狀 態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種測(cè)定各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力的 方法，包括W下步驟；取待測(cè)地層的巖芯，平行于巖芯的層理方向而測(cè)量所述巖芯的彈性模 量El、泊松比V1，垂直于巖芯的層理方向而測(cè)量巖芯的彈性模量E2,在相對(duì)于巖芯層理方 向的多個(gè)角度Θ下測(cè)量巖芯的多個(gè)彈性模量Ee，由El、Vi、E2和Ee得到多個(gè)垂直于巖芯 層理方向的剪切模量Ge。建立多個(gè)剪切模量Ge與角度Θ之間的關(guān)系，并得到平均剪切模 量G。在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量井筒內(nèi)壓裂液柱的壓力P、待測(cè)地層的垂向地應(yīng)力Oy、最大水平地應(yīng) 力σ1和最小水平地應(yīng)力σ2。由Ei、E2、Ee、p、G、Θ、σ1、σ2和σV得到各向異性地層水平 井井壁圍巖周向應(yīng)力σe。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的方法，各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力σe的得到過(guò)程不但 考慮了地層彈性模量的各向異性的影響，還考慮了巖層強(qiáng)度（例如Ee)、地層傾角（即，Θ) 的影響，因此本發(fā)明的方法可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力。此外， 本發(fā)明的方法所需要的數(shù)據(jù)可W在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段得到或者通過(guò)鉆井的地質(zhì)資 料得到，從而使用本方法測(cè)量各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力非常簡(jiǎn)單，便于在實(shí) 驗(yàn)室進(jìn)行。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，σe由W下方法得到：
[0007]
[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)剪切模量Ge由W下方法得到：
[0011]
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)剪切模量Ge與相應(yīng)的角度Θ之間為線性關(guān)系。優(yōu)選地，多 個(gè)剪切模量Ge與相應(yīng)的角度Θ之間的關(guān)系能用；Go=G0+b來(lái)表達(dá)，其中G、b對(duì)于特定 地區(qū)為常數(shù)。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)角度Θ的數(shù)量最少為四個(gè)。多個(gè)角度ΘW等差方式而取 得。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，角度Θ為15度、30度、45度、60度和75度。
[0014]在本申請(qǐng)中，用語(yǔ)"垂直"與頁(yè)巖層理方向垂直的方向，用語(yǔ)"水平"是指與頁(yè)巖層 理方向平行的方向。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于；（1)在得到各向異性地層水平井井壁圍巖 周向應(yīng)力0e的過(guò)程中，不但考慮了地層彈性模量的各向異性的影響，還考慮了巖層強(qiáng)度、 地層傾角的影響，因此本發(fā)明的方法可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng) 力。（2)本發(fā)明的方法所需要的數(shù)據(jù)可W在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段得到或者通過(guò)鉆井的 地質(zhì)資料得到，從而使用本方法測(cè)量各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力非常簡(jiǎn)單，便 于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0016]在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：
[0017] 圖1是實(shí)施本發(fā)明的方法的流程圖。
[001引圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例得到的各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 圖1顯示了實(shí)施本發(fā)明的測(cè)定各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力的方法10 的流程圖。包括W下步驟：
[0021] 步驟11 ;取待測(cè)地層的巖芯，
[0022] 步驟12 ;測(cè)量巖芯的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括彈性模 量、泊松比、剪切模量。由于頁(yè)巖大都具有由于層理，送些層理會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖呈現(xiàn)各向異性的 特征，因此需要在盡可能多的方向上測(cè)量頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)W盡可能精確地表征頁(yè)巖巖 芯的力學(xué)性質(zhì)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可測(cè)量巖芯的W下力學(xué)性質(zhì)參數(shù)；平行于巖芯的層理方向的 彈性模量El、泊松比V1 ;垂直于巖芯的層理方向的彈性模量E2 ;相對(duì)于巖芯層理方向的多 個(gè)角度Θ下的多個(gè)彈性模量Ee，即測(cè)量多個(gè)彈性模量Ee。送些力學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法是本 領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，送里不再賞述。
[0024] 步驟13 ;由El、V1、E2和Ee得到多個(gè)垂直于巖芯層理方向的剪切模量Ge。在一 個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)剪切模量Ge可由公式1而得到。
[00 巧]
[0026] 步驟14 ;建立剪切模量Ge與角度Θ之間的關(guān)系，并得到平均剪切模量G。送里， 采用數(shù)學(xué)擬合的方法，得到多個(gè)剪切模量Ge與相應(yīng)角度Θ之間關(guān)系，通常該關(guān)系為線性關(guān) 系。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)剪切模量Ge與角度Θ之間的關(guān)系能用；Ge=G0+b來(lái)表達(dá)，其 中G、b對(duì)于特定的水平井地區(qū)為常數(shù)，直線的斜率就是平均剪切模量G。
[0027] 步驟15 ;測(cè)量鉆井參數(shù)和地層參數(shù)。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)得到井筒內(nèi)壓裂液柱的 壓力P、待測(cè)地層的垂向地應(yīng)力〇v、最大水平地應(yīng)力〇1和最小水平地應(yīng)力σ2。在一個(gè)實(shí) 施例中，井筒內(nèi)壓裂液柱的壓力Ρ即為泉壓。垂向地應(yīng)力〇ν、最大水平地應(yīng)力和最小 水平地應(yīng)力σ2的大小可通過(guò)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得，也可由鉆井資料得到。步驟15 中的測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)方法是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，送里不再賞述。
[0028] 步驟16,通過(guò)巖芯力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、井參數(shù)和地層參數(shù)得到各向異性地層水平井井 壁圍巖周向應(yīng)力。由Ei、E2、Ee、p、G、Θ、〇1、〇2和〇v得到各向異性地層水平井井壁圍巖 周向應(yīng)力σ。。在一個(gè)實(shí)施例中，各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力σe可由公式2而 得到：
[0029]
[0032] 各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力σe的表達(dá)式中包含了Ei、E2、Ee和Θ，也 就是說(shuō)，σe包含了地層彈性模量的各向異性的影響（即，Ei、E2)、巖層強(qiáng)度（即，Ee)、地層 傾角（即，Θ)的影響，因此σe能更精確地預(yù)測(cè)水平井的井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。
[0033] 應(yīng)注意地是，W上所述的步驟并非順序進(jìn)行，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W根據(jù)實(shí)際情 況而改變實(shí)施步驟的順序。
[0034] 實(shí)施例1;
[0035] 在T1頁(yè)巖井區(qū)的鉆取巖芯。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量該巖芯的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，并且根據(jù)公 式1計(jì)算了多個(gè)剪切模量Ge，如表1所示。根據(jù)多個(gè)剪切模量Ge，計(jì)算得到平均剪切模量 G為 10. 8GPa〇
[0036] 在T1頁(yè)巖井區(qū)的施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)聲發(fā)射測(cè)量地應(yīng)力，得到該地區(qū)的最大水平地應(yīng) 力為48. 77MPa，最小水平地應(yīng)力〇2為42. 44MPa，垂直地應(yīng)力為50MPa。測(cè)得井筒內(nèi)壓 裂液柱的壓力P為33MPa〇
[0037]表1
[0038]
[0039] 將W上參數(shù)代入到公式2中，并得到各向異性地層水平井井壁圍巖周向應(yīng)力σe 的表達(dá)式如下：
[0040]
公式 2-1
[0041] 圖2的曲線31顯示是σe(目P，公式2-1)的圖像。應(yīng)注意地是，