本發(fā)明涉及水平井分段多簇壓裂儲(chǔ)層改造技術(shù)，具體涉及水平井分段多簇壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
水平井分段多簇壓裂技術(shù)是開(kāi)發(fā)非常規(guī)低滲透儲(chǔ)層的有效手段，這種技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人工裂縫與天然裂縫的溝通，還能夠利用誘導(dǎo)應(yīng)力促使應(yīng)力轉(zhuǎn)向產(chǎn)生轉(zhuǎn)向分支裂縫，在儲(chǔ)層中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。儲(chǔ)層中復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成主要受天然裂縫、原地應(yīng)力、巖石特性以及壓裂參數(shù)的影響，天然裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層中較容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，但是在天然裂縫不發(fā)育的儲(chǔ)層中則需要通過(guò)誘導(dǎo)應(yīng)力反轉(zhuǎn)水平應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向分支裂縫來(lái)實(shí)現(xiàn)。
水力壓裂過(guò)程中裂縫內(nèi)的流體壓力會(huì)在周?chē)貙赢a(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，通過(guò)誘導(dǎo)應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)原地應(yīng)力反轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向分支裂縫是提高天然裂縫不發(fā)育的非常規(guī)低滲透儲(chǔ)層壓裂效果的重要途徑，因此誘導(dǎo)應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算是進(jìn)行壓裂施工設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。眾多學(xué)者以均質(zhì)、各向同性的二維平面應(yīng)變模型為基礎(chǔ)，建立了單條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)分布模型，并認(rèn)為地層中某點(diǎn)受到的總誘導(dǎo)應(yīng)力為各條裂縫在該點(diǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，根據(jù)應(yīng)力疊加原理得到了水平井分段壓裂過(guò)程中誘導(dǎo)應(yīng)力的分布。然而這種應(yīng)力疊加原理只能適用于水平井分段單簇壓裂的工況(單個(gè)壓裂段內(nèi)只有一條裂縫，壓裂過(guò)程中各條裂縫先后依次擴(kuò)展形成)，并不適用于水平井分段多簇壓裂的實(shí)際工況(分段多簇壓裂時(shí)同一壓裂段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步擴(kuò)展)。水平井分段多簇壓裂過(guò)程中，由于段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步擴(kuò)展延伸，多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)存在復(fù)雜的相互應(yīng)力干擾以及應(yīng)力阻隔效應(yīng)，其在周?chē)貙又挟a(chǎn)生的總誘導(dǎo)應(yīng)力并不是各條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加。
1、分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)存在應(yīng)力阻隔效應(yīng)
水平井分段多簇壓裂時(shí)，假設(shè)每段內(nèi)各射孔簇處形成尺寸相同且均與井筒垂直的平行裂縫。以第n段3簇壓裂為例，壓裂過(guò)程中3個(gè)射孔簇處的裂縫n1、n2、n3同步平行擴(kuò)展延伸，如圖1所示。
在第n段壓裂過(guò)程中，由于n1、n2、n33條裂縫同步延伸擴(kuò)展，裂縫n2、n3受到裂縫n1的阻隔，其所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力并不能傳遞到a點(diǎn)，即第n段壓裂過(guò)程中a點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是由裂縫n1產(chǎn)生的，而不是n1、n2、n33條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加；n3裂縫受到n2裂縫的阻隔也不會(huì)對(duì)n1、n2裂縫之間的b點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，b點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是n1、n2兩條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，而與裂縫n3無(wú)關(guān)；同理n1、n2裂縫受到n3裂縫的阻隔也不會(huì)對(duì)c點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，c點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是由裂縫n3產(chǎn)生的。分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)，各條裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力受到其他裂縫的阻擋會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力阻隔效應(yīng)，第n段壓裂過(guò)程中段內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力是與其相鄰裂縫引起的：段內(nèi)縫外靠近上一壓裂段的誘導(dǎo)應(yīng)力由第一個(gè)射孔簇處的裂縫產(chǎn)生；段內(nèi)縫間的誘導(dǎo)應(yīng)力由與其相鄰的兩個(gè)射孔簇處裂縫疊加形成；段內(nèi)縫外靠近下一壓裂段的誘導(dǎo)應(yīng)力由最后一個(gè)射孔簇處的裂縫產(chǎn)生。由此可知，第n段壓裂之前段內(nèi)各點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力為之前各段最后一個(gè)射孔簇處裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加。
2、分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力干擾效應(yīng)分析
第n段壓裂過(guò)程中，段內(nèi)各點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力由兩部分組成：1)之前n-1段壓裂對(duì)該點(diǎn)形成的誘導(dǎo)應(yīng)力；2)本段壓裂對(duì)該點(diǎn)形成的誘導(dǎo)應(yīng)力。由于之前n-1段壓裂所形成的裂縫已經(jīng)在本段裂縫處產(chǎn)生了誘導(dǎo)應(yīng)力，該誘導(dǎo)應(yīng)力增大了最小水平地應(yīng)力，增大的最小水平地應(yīng)力抵消了一部分裂縫內(nèi)的原始凈壓力，使得實(shí)際凈壓力減小。因此第n段壓裂裂縫內(nèi)的實(shí)際凈壓力并不是原始凈壓力，而是應(yīng)該減去之前n-1段壓裂在該段裂縫處所形成的最小水平地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力，定義該實(shí)際凈壓力為有效凈壓力。水平井分段多簇壓裂由于段內(nèi)多條裂縫的同時(shí)擴(kuò)展，在分析其有效凈壓力時(shí)不僅要考慮之前n-1段壓裂對(duì)裂縫處產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力，還要考慮本段壓裂多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的相互應(yīng)力干擾效應(yīng)對(duì)有效凈壓力的影響。段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)，每條裂縫都會(huì)對(duì)與之相鄰的裂縫產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，從而進(jìn)一步降低其相鄰裂縫內(nèi)的有效凈壓力以及由此引起的誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)。因此分段多簇壓裂時(shí)，需要考慮之前各段壓裂以及本段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)相鄰裂縫之間的應(yīng)力干擾效應(yīng)，重新計(jì)算各條裂縫內(nèi)的有效凈壓力以及由此引起的誘導(dǎo)應(yīng)力。
由于水平井分段多簇壓裂段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步擴(kuò)展延伸時(shí)存在應(yīng)力阻隔效應(yīng)和應(yīng)力干擾效應(yīng)，地層中某點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力并不是各條裂縫在該點(diǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，現(xiàn)有的水平井分段壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法并不適用于分段多簇壓裂的工況。目前并未有人提出符合水平井分段多簇壓裂工況的考慮多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力阻隔和應(yīng)力干擾效應(yīng)以及由此引起的縫內(nèi)有效凈壓力變化的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供水平井分段多簇壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法，這種水平井分段多簇壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法用于解決目前的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法未考慮多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力阻隔和應(yīng)力干擾效應(yīng)以及由此引起的縫內(nèi)有效凈壓力的變化而與實(shí)際壓裂工況不相符的問(wèn)題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：這種水平井分段多簇壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法：
步驟一、收集計(jì)算所需的基本參數(shù)，包括地層的彈性模量、泊松比、原地應(yīng)力、裂縫高度、原始凈壓力、壓裂段、射孔簇的位置；
步驟二、計(jì)算第n壓裂段內(nèi)的多條裂縫相對(duì)于其相鄰地層的有效凈壓力：
(1)第n壓裂段內(nèi)第一條裂縫n1相對(duì)于靠近第n-1壓裂段地層的有效凈壓力為：
式中：penetl(n1)為裂縫n1相對(duì)于靠近第n-1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；pnet為裂縫n1的原始凈壓力，mpa；
(2)第n壓裂段內(nèi)兩相鄰裂縫相對(duì)于其中間地層的有效凈壓力：
兩相鄰裂縫nj、nj+1相對(duì)于中間地層的有效凈壓力可通過(guò)下式求解：
式中：
(3)第n壓裂段內(nèi)最后一條裂縫相對(duì)于靠近第n+1壓裂段地層的有效凈壓力為：
式中：
步驟三、計(jì)算第n壓裂段內(nèi)不同位置處的誘導(dǎo)應(yīng)力：
(1)第n壓裂段內(nèi)靠近第n-1壓裂段地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：σ″x和σ″y分別為該點(diǎn)地層受到的最小水平地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力方向的總誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；
(2)第n壓裂段內(nèi)兩相鄰裂縫中間地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：
(3)第n壓裂段內(nèi)靠近第n+1壓裂段地段地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：
本發(fā)明具有以下有益效果：
1、本發(fā)明考慮了水平井分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)裂縫間的應(yīng)力阻隔效應(yīng)和應(yīng)力干擾效應(yīng)，更為符合分段多簇壓裂的實(shí)際工況。
2、本發(fā)明考慮了先壓裂縫以及多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力干擾作用對(duì)縫內(nèi)有效凈壓力及誘導(dǎo)應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。
3、本發(fā)明能夠得出分段多簇壓裂段內(nèi)不同位置處的誘導(dǎo)應(yīng)力分布，為縫網(wǎng)壓裂參數(shù)優(yōu)化以及射孔簇位置的設(shè)計(jì)提供了必要的理論依據(jù)。
4、根據(jù)本發(fā)明得出的水平井分段多簇壓裂段內(nèi)不同位置處的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，能夠進(jìn)行壓裂段內(nèi)分支裂縫轉(zhuǎn)向范圍的確定，從而為壓裂效果評(píng)價(jià)以及網(wǎng)狀裂縫形態(tài)的描述提供依據(jù)。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：
這種水平井分段多簇壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算方法：
步驟一、收集計(jì)算所需的基本參數(shù)，包括地層的彈性模量、泊松比、原地應(yīng)力、裂縫高度、原始凈壓力、壓裂段和射孔簇的位置等參數(shù)；
步驟二、計(jì)算第n壓裂段內(nèi)的多條裂縫相對(duì)于其相鄰地層的有效凈壓力：
(1)第n壓裂段內(nèi)第一條裂縫n1相對(duì)于靠近第n-1壓裂段地層的有效凈壓力為：
式中：penetl(n1)為裂縫n1相對(duì)于靠近第n-1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；pnet為裂縫n1的原始凈壓力，mpa；
(2)第n壓裂段內(nèi)兩相鄰裂縫相對(duì)于其中間地層的有效凈壓力：
兩相鄰裂縫nj、nj+1相對(duì)于中間地層的有效凈壓力可通過(guò)下式求解：
式中：
(3)第n壓裂段內(nèi)最后一條裂縫相對(duì)于靠近第n+1壓裂段地層的有效凈壓力為：
式中：
步驟三、計(jì)算第n壓裂段內(nèi)不同位置處的誘導(dǎo)應(yīng)力：
(1)第n壓裂段內(nèi)靠近第n-1壓裂段地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：σ″x和σ″y分別為該點(diǎn)地層受到的最小水平地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力方向的總誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；
(2)第n壓裂段內(nèi)兩相鄰裂縫中間地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：
(3)第n壓裂段內(nèi)靠近第n+1壓裂段地段地層的誘導(dǎo)應(yīng)力為：
式中：