一种计算煤层气井破裂压力的方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供了一种计算煤层气井破裂压力的方法及其系统，其中，计算煤层气井破裂压力的方法，包括以下步骤：通过室内实验，获取目的煤层煤岩的断裂韧性；通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数；结合获取的煤岩的断裂韧性、煤层分形参数以及煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力。本发明专利技术提供的方案能够准确的预测破裂压力，为钻井、固井工程提供设计依据，也为后期完井方式、增产措施的选择提供参考，减少了因设计不合理导致的井下事故和经济损失。

【技术实现步骤摘要】
一种计算煤层气井破裂压力的方法及其系统
本专利技术属于煤层气开采
，具体涉及一种计算煤层气井破裂压力的方法及其系统。
技术介绍
针对低油(气)价的国际形势和煤层气井日产气量低、开发周期长的生产特点，要求煤层气井在开发环节必须做到“降本、增效”。由于没有针对煤层气井的破裂压力计算方法，煤层气井破裂压力预测结果往往不能有效指导现场作业，造成钻井设计不合理、固井过程中水泥浆压漏煤层等井下事故，事故频发增加了煤层气井的建井周期和生产成本，准确预测煤层破裂压力能减少钻完井过程中的井下复杂事故，减少钻井的时间、经济投入，对实现煤层气高效、低成本开发有至关重要的作用。目前，煤层气井破裂压力的计算仍是沿用基于常规砂泥岩模型的计算方法，常规方法没有考虑煤岩割理和裂缝分形的影响，模型的局限性使得常规方法计算出的煤层破裂压力不够准确，因此建立一种有效、实用的煤层气井破裂压力计算方法十分必要，也是当前亟需解决的关键技术问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种建立煤层气井破裂压力计算模型的方法。本专利技术的另一目的是提供通过上述方法建立的煤层气井破裂压力计算模型。本专利技术的又一目的是提供一种计算煤层气井破裂压力的方法。本专利技术的又一目的是提供一种计算煤层气井破裂压力的系统。为达到上述目的，本专利技术提供了一种建立煤层气井破裂压力计算模型的方法，该方法包括以下步骤：推导出考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性；通过矩阵转换、地应力分析获得任意产状的面割理法向合力；根据面割理法向合力大于考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性时裂缝起裂的破坏准则，建立起煤层气井破裂压力计算模型。不同于砂(泥)岩，煤岩中发育有内聚力极小的面割理，由于面割理强度低于煤岩本体，因此面割理会优先于本体发生破裂。煤岩面割理具分形特征，分形参数会影响煤岩I型裂缝断裂韧性。因此，为了获得更准确地计算煤层气井破裂压力，本专利技术特提供了上述考虑了煤岩割理和裂缝分形的影响的建立煤层气井破裂压力计算模型的方法。在上述建立煤层气井破裂压力计算模型的方法中，所述矩阵转换为不同坐标系间的矩阵转换关系；所述地应力分析为岩石力学中的力学分析过程；所述破坏准则为断裂力学中的I型裂缝破坏准则。本专利技术还提供了通过上述方法建立的煤层气井破裂压力计算模型，该煤层气井破裂压力计算模型具体为：其中，fi(P)为破裂压力目标函数，MPa；P为井底压力，MPa；Pp为地层压力，MPa；σi、σj、σk为井壁三个主应力，MPa；ω1、ω2、ω3为三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角，rad；η为biot系数，无量纲；Lf为面割理长度，m；KIC为I型裂缝断裂韧性，MPa·m1/2；r为自相似系数；无量纲；D为分形维数，无量纲。本专利技术还提供了一种计算煤层气井破裂压力的方法，该方法包括以下步骤：通过室内实验，获取目的煤层煤岩I型裂缝断裂韧性；通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数；结合获取的煤岩的断裂韧性、煤层分形参数以及上述建立的煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力。在上述计算煤层气井破裂压力的方法中，优选地，在所述通过室内实验，获取目的煤层煤岩的断裂韧性步骤中，室内实验所使用的预制裂缝煤岩是通过以下步骤制备的：绳索取心获得的目的层煤岩；通过金刚石切片机制成厚度为30-50mm的圆盘形岩心段；在所述圆盘形岩心段上述预制裂缝，所述预制裂缝的长度与圆盘直径比为0.1-0.3。在上述计算煤层气井破裂压力的方法中，优选地，在所述通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数步骤中，所述分形参数为分形维数；所述测井资料变尺度分析的具体计算公式为：其中，R为极差，S为标准差，R(n)/S(n)是分析第n个样点所对应的R/S值，将声波时差/深浅电阻率/密度的R(n)/S(n)与n作双对数散点图，回归得到直线斜率为H，则分形维数为2-H。在上述计算煤层气井破裂压力的方法中，优选地，所述结合获取的煤岩的断裂韧性、煤层分形参数以及上述建立的煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力的具体过程为：a、井周角范围为0-180°，在给定井周角的前提下，使井底压力从Pp以0.1Pp的步长增加至10Pp；b、计算井壁三个主应力σi、σj、σk以及三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角ω1、ω2、ω3；c、将各参数带入所述煤层气井破裂压力计算模型，求解破裂压力目标函数fi(P)的值；将目标函数fi(P)的绝对值小于误差ζ时的井底压力作为当前井周角下的破裂压力，最后比较井周角范围内的破裂压力，并将最小值作为井眼破裂压力。在上述计算煤层气井破裂压力的方法中，优选地，采用以下公式计算煤层气井破裂压力计算模型中的井壁三个主应力σi、σj、σk：其中：σz、σθ和σθz为井眼坐标系下应力分量，MPa。在上述计算煤层气井破裂压力的方法中，优选地，采用以下公式计算煤层气井破裂压力计算模型中的三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角ω1、ω2、ω3：其中：其中，(lmi，mmi，nmi){i＝1，2，3}为三个主应力的方向向量坐标；(lp，mp，np)为面割理外法线的方向向量坐标；α为井斜角，°；β为方位角，°；θ为井周角，°；γ为主应力与井眼轴线夹角，°；θs为面割理走向，°；θD为面割理倾角，°。本专利技术还提供了一种计算煤层气井破裂压力的系统，该系统包括：第一模块，所述第一模块用于通过室内实验，获取目的煤层煤岩I型裂缝断裂韧性；第二模块，所述第二模块用于通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数；第三模块，所述第三模块用于通过获取的煤岩的断裂韧性、煤层分形参数以及煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力；其中，所述煤层气井破裂压力计算模型为：其中，fi(P)为破裂压力目标函数，MPa；P为井底压力，MPa；Pp为地层压力，MPa；σi、σj、σk为井壁三个主应力，MPa；ω1、ω2、ω3为三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角，rad；η为biot系数，无量纲；Lf为面割理长度，m；KIC为I型裂缝断裂韧性，MPa·m1/2；r为自相似系数；无量纲；D为分形维数，无量纲。破裂压力在整个煤层气井的钻完井过程中都是十分重要的基础数据，它的准确与否直接影响了钻完井工程设计的合理性。本专利技术提供的方案通过室内断裂韧性实验、测井资料的变尺度分析可以获得煤岩断裂韧性、面割理分形参数，在以上分析结果的基础上，将相关数据带入到本专利技术创新建立的煤层气井破裂压力计算模型中，即可计算研究地区(煤层气田)煤层气井的破裂压力。本专利技术提供的方案是能够准确的预测破裂压力，为钻井、固井工程提供设计依据，也为后期完井方式、增产措施的选择提供参考，减少了因设计不合理导致的井下事故和经济损失。附图说明图1为本专利技术实施例的煤层气井破裂压力计算方法流程图；图2为本专利技术实施例通过模型计算破裂压力数据的具体流程图；图3a为本专利技术实施例获得的声波时差变尺度分析图；图3b为本专利技术实施例获得的密度变尺度分析图；图4为本专利技术实施例获得的破裂压力与井斜角的变化曲线图；图5为本专利技术实施例获得的破裂压力与井眼方位的变化曲线图；图6为本专利技术实施例获得的破裂压力与割理面倾角的关系曲线图；图7为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立煤层气井破裂压力计算模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：推导出考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性；通过矩阵转换、地应力分析获得任意产状的面割理法向合力；根据面割理法向合力大于考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性时裂缝起裂的破坏准则，建立起煤层气井破裂压力计算模型。

【技术特征摘要】
2017.07.05 CN 201710542342X1.一种建立煤层气井破裂压力计算模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：推导出考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性；通过矩阵转换、地应力分析获得任意产状的面割理法向合力；根据面割理法向合力大于考虑分形特征的煤岩I型裂缝断裂韧性时裂缝起裂的破坏准则，建立起煤层气井破裂压力计算模型。2.根据权利要求1所述的建立煤层气井破裂压力计算模型的方法，其特征在于，所述矩阵转换为不同坐标系间的矩阵转换关系；所述地应力分析为岩石力学中的力学分析过程；所述破坏准则为断裂力学中的I型裂缝破坏准则。3.通过权利要求1或2所述的方法建立的煤层气井破裂压力计算模型，其特征在于，该煤层气井破裂压力计算模型为：其中，fi(P)为破裂压力目标函数，MPa；P为井底压力，MPa；Pp为地层压力，MPa；σi、σj、σk为井壁三个主应力，MPa；ω1、ω2、ω3为三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角，rad；η为biot系数，无量纲；Lf为面割理长度，m；KIC为I型裂缝断裂韧性，MPa·m1/2；r为自相似系数；无量纲；D为分形维数，无量纲。4.一种计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：通过室内实验，获取目的煤层的煤岩I型裂缝断裂韧性；通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数；结合获取的煤岩I型裂缝断裂韧性、煤层分形参数以及权利要求3中的煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力。5.根据权利要求4所述的计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，在所述通过室内实验，获取目的煤层煤岩I型裂缝断裂韧性步骤中，室内实验所使用的预制裂缝煤岩是通过以下步骤制备的：绳索取心获得的目的层煤岩；通过金刚石切片机制成厚度为30-50mm的圆盘形岩心段；在所述圆盘形岩心段上述预制裂缝，所述预制裂缝的长度与圆盘直径比为0.1-0.3。6.根据权利要求4或5所述的计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，在所述通过对研究区块内煤层气井进行测井资料变尺度分析，获取煤层分形参数步骤中，所述分形参数为分形维数；所述测井资料变尺度分析的具体计算公式为：其中，R为极差，S为标准差，R(n)/S(n)是分析第n个样点所对应的R/S值，将声波时差/深浅电阻率/密度的R(n)/S(n)与n作双对数散点图，回归得到直线斜率为H，则分形维数为2-H。7.根据权利要求4-6任一项所述的计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，所述结合获取的煤岩的断裂韧性、煤层分形参数以及权利要求3中的煤层气井破裂压力计算模型计算煤层气井的破裂压力的具体过程为：a、井周角范围为0-180°，在给定井周角的前提下，使井底压力从Pp以0.1Pp的步长增加至10Pp；b、计算井壁三个主应力σi、σj、σk以及三个主应力对应方向向量与面割理外法线的夹角ω1、ω2、ω3；c、将各参数带入所述煤层气井破裂压力计算模型，求解破裂压力目标函数fi(P)的值；将目标函数fi(P)的绝对值小于误差ζ时的井底压力作为当前井周角下的破裂压力，最后比较井周角范围内的破裂压力，并将最小值作为井眼破裂压力。8.根据权利要求7所述的计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，采用以下公式计算煤层气井破裂压力计算模型中的井壁三个主应力σi、σj、σk：其中：σz、σθ和σθz为井眼坐标系下应力分量，MPa。9.根据权利要求7所述的计算煤层气井破裂压力的方法，其特征在于，采用以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：东振，孙粉锦，鲍清英，穆福元，张义，张继东，陈姗姗，王勃，杨焦生，赵洋，王玫珠，孔璐琳，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11