一种水平井最优钻井轨迹预测方法技术

本发明专利技术涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种水平井最优钻井轨迹预测方法。本发明专利技术通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场；通过岩心古地磁定向、成像测井以及阵列声波测井，确定天然裂缝组系以及产状分布；利用岩石三维力学参数场，进行现今应力场模拟；利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率；通过丼区的应力场模拟，模拟确定现今地应力的垂向分布；利用地应力、裂缝以及岩石力学垂向分布建立压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型，预测压裂裂缝扩展方向；本发明专利技术结合水平井钻井方位以及水平井的动态资料验证压裂裂缝扩展方向的可靠性，实现不同区块压裂裂缝方向预测与水平井最优钻井轨迹设计。

【技术实现步骤摘要】
一种水平井最优钻井轨迹预测方法
本专利技术涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种水平井最优钻井轨迹预测方法。
技术介绍
作为储层双重介质模型的重要组分，致密砂岩储层、页岩储层中的裂缝在油气运移和流体渗流中均起到重要的作用。裂缝的发育对油藏的形成或开发具有双重作用，一方面，相对于基质孔隙，裂缝具有很大的导流能力，为油气运移及流体渗流提供重要通道；另一方面，裂缝使得流体运动轨迹单一化，油气无法储集成藏或造成油井之间的水淹水窜。研究现今地应力场，可以为油田开发中注采井网的布置、调整和开发方案设计以及水平井钻井轨迹等提供科学的背景资料，尤其是可以对开发过程中地层物性的变化进行宏观把握，进而制定相应的储层保护措施。经过近百年的发展，对油气藏地应力的研究主要向系统化和多方法相互印证方面发展完善，并形成了构造行迹分析法、实验室岩心试验法、测井资料计算法、矿场应力测量法及地应力模拟法5类系统研究地应力的技术。在目前大多数油气田的开发中，通常都是多种方法综合应用，特别是测井资料计算及地应力数值模拟技术，相比其他方法更经济、快捷，所得结果空间连续性较好，也更与实际符合，目前应用最为广泛。为了优质、快速和低成本得实现钻井、完井作业，并且最大限度地提高水平井产能，系统研究水平井轨迹对储层特征、水平井钻井、增产以及油气开发等至关重要。考虑到流体特征、储层物性等发育分布特征通常都已在油藏描述中进行了系统评价，基于储层特征的井眼轨迹设计已是目前油气藏工程设计的常规工作，因此本专利技术专利从压裂开发角度，考虑后期压裂改造实现待钻井的井眼轨迹优化。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种水平井最优钻井轨迹预测方法，它解决了水平井钻井轨迹无法定量预测的问题。本专利技术的技术方案为：一种水平井最优钻井轨迹预测方法，具体步骤如下：第一步岩石样品力学实验确定静态力学参数，测井解释确定岩石的动态力学参数，通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场(图1)；通过岩石力学实验计算得到的岩石弹性模量、泊松比等力学等参数称为岩石静态力学参数，测井资料计算得到的岩石弹性模量、泊松比等力学参数称为岩石动态力学参数。综合利用岩石力学实验及测井资料计算，并通过单轴-三轴校正和动态-静态校正，确定研究区目的层位的岩石力学参数；岩石单轴-三轴压缩实验直接利用地下岩心，因此准确度、可信度高，但由于测试样品点少，所得结果直接用于数值模拟缺乏充足的理论依据；而且，断裂带附近岩石破碎严重，无法进行单轴-三轴压缩实验，断裂带的岩石力学参数也很难通过岩石力学实验获得。根据岩石力学相关理论认为，岩石的弹性模量E、泊松比μ等力学参数由声波测井纵波时差Δtp、横波时差Δts以及岩石密度ρ来求得。测井资料具有连续性好、成本低廉的优点，弥补岩石力学实验的不足。首先将单轴压缩实验结果校正到三轴压缩实验条件下的结果，将结果在测井曲线上标定，将标定的动态力学参数与静态力学参数拟合，得到拟合函数，将连续的测井解释结果剖面校正为连续的静态岩石力学剖面，利用高斯序贯算法得到研究区目的层位的三维力学参数场，用于应力场数值模拟及储层裂缝预测。第二步通过岩心、野外、薄片、扫描电镜、成像测井以及阵列声波测井，结合岩石周向岩石力学确定共轭裂缝是否两组都发育；进而确定天然裂缝组系以及产状分布(图1)；第三步利用岩石声发射、阵列声波测井确定水平最大主应力、水平最小主应力的大小；利用井壁崩落、诱导裂缝、压裂裂缝方位、阵列声波测井、岩心声速、差应变以及古地磁实验确定水平最大主应力、水平最小主应力的方向；利用岩石三维力学参数场，通过建立非均质地质力学的有限元模型，进行现今应力场模拟，并通过压裂、测井以及声发射资料验证现今地应力模拟的可靠性(图1)；第四步利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf；在有拉张应力存在的状态下，储层裂缝的线密度通过求解如下方程组进行计算：公式(1)-(2)中，ωf为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m3；ω为岩石总应变能密度，J/m3；ωe为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m3；E为杨氏弹性模量，MPa；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间和最小主应力，MPa；σp为岩石破裂应力，MPa；μ为岩石泊松比；C0为岩石内聚力，MPa；为岩石内摩擦角，°；E0为与岩性有关的比例系数，无量纲；Dvf为裂缝体密度，m2/m3；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m2；J0为零围压下的裂缝表面能，J/m2；Dlf为裂缝线密度，条/m；L1、L3分别为沿σ1、σ3方向的表征单元体长度，m；ε1、ε2、ε3分别为最大、中间和最小主应变，无量纲；ε为当前应力状态下的最大张应变，无量纲；γ为破裂角，°；σT为岩石抗拉强度，MPa。在公式(2)中，若(σ1+3σ3)＞0，则有γ＝arccos[(σ1-σ3)/2(σ1+σ3)]/2，那么取进行计算；若(σ1+3σ3)≤0，则有γ＝0，那么裂缝体密度和裂缝线密度相等，Dlf＝Dvf。利用模拟的不同时期古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf，结合岩石周向岩石力学确定的共轭裂缝中每组裂缝的发育概率，进而得到不同时期每组裂缝的发育概率P(图2)；第五步通过丼区的应力场模拟，确定现今地应力的垂向分布；通过岩心、野外裂缝观测，确定天然裂缝的垂向分层性；利用地应力、裂缝以及岩石力学垂向分布建立压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型(图2)；第六步利用现今应力场模拟结果、不同时期每组裂缝的发育概率、不同组系裂缝的产状分布、压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型以及岩石力学参数场分布，建立压裂裂缝等效扩展模型，在考虑现今地应力、天然裂缝以及岩石力学参数条件下，预测压裂裂缝扩展方向；对储层实施压裂时，由于天然裂缝的影响，人工压裂缝是否形成、人工压裂缝的破裂方式和延伸方向取决于现今地应力场状态、岩石力学参数和天然裂缝组系发育特征，提出了天然裂缝临界活动状态的概念，并建立起各个影响因素间的数学模型。设天然裂缝的法线矢量表示为n，它表示为：n＝nf1i+nf2j+nf3k(3)现今地应力场作用在天然裂缝面上的正应力σn为：σn＝σa+σb+σc(5)压裂施工时人工压裂缝沿天然裂缝面张开的极限条件是：Pf＝σn+Sf-Pp(6)压裂裂缝沿最大主应力σ1方向形成新裂缝的极限条件是：PR＝σ3+σT-Pp(7)公式(5)-(7)，Pf为天然裂缝极限破裂压力，MPa；PR为岩石极限破裂压力，MPa；Pp为地层孔隙压力，MPa；σn为作用在天然裂缝面上的正应力，MPa；Sf是裂缝岩石抗张强度，MPa；当压裂施工的破裂压力大于Pf和PR时，天然裂缝张开或岩石破裂，形成压裂裂缝。显然，压裂缝沿天然裂缝张开的条件是天然裂缝极限破裂压力小于或等于岩石极限破裂压力，即Pf≤PR，在破裂压力相等的极限状态下Pf＝PR；在现今地应力和岩石力学参数的控制下，天然裂缝的临界活动性指数β沿天然裂缝方向传播。当天然裂缝与最大主应力之间的夹角小于β时，水力裂缝沿天然裂缝传播；否则，它沿水平最大主应力传播。一般来说，裂缝的抗拉强度Sf约为0，因此忽略Sf的影响，计算得到β。当裂缝接近垂直时，天然裂缝的临界活动性指数β由方程(5)-(7)计算得到。考虑到裂缝发育的概率，当两组天然裂缝都可能破裂时，水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平井最优钻井轨迹预测方法，预测的步骤如下：1)岩石样品力学实验确定静态力学参数，测井解释确定岩石的动态力学参数，通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场；首先将单轴压缩实验结果校正到三轴压缩实验条件下的结果，将结果在测井曲线上标定，将标定的动态力学参数与静态力学参数拟合，得到拟合函数，将连续的测井解释结果剖面校正为连续的静态岩石力学剖面，利用高斯序贯算法得到研究区目的层位的三维力学参数场，用于应力场数值模拟及储层裂缝预测；2)通过岩心、野外、薄片、扫描电镜、成像测井以及阵列声波测井，结合岩石周向岩石力学确定共轭裂缝是否两组都发育；进而确定天然裂缝组系以及产状分布；3)利用岩石声发射、阵列声波测井确定水平最大主应力、水平最小主应力的大小；利用井壁崩落、诱导裂缝、压裂裂缝方位、阵列声波测井、岩心声速、差应变以及古地磁实验确定水平最大主应力、水平最小主应力的方向；利用岩石三维力学参数场，通过建立非均质地质力学的有限元模型，进行现今应力场模拟，并通过压裂、测井以及声发射资料验证现今地应力模拟的可靠性；4)利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf；

【技术特征摘要】
1.一种水平井最优钻井轨迹预测方法，预测的步骤如下：1)岩石样品力学实验确定静态力学参数，测井解释确定岩石的动态力学参数，通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场；首先将单轴压缩实验结果校正到三轴压缩实验条件下的结果，将结果在测井曲线上标定，将标定的动态力学参数与静态力学参数拟合，得到拟合函数，将连续的测井解释结果剖面校正为连续的静态岩石力学剖面，利用高斯序贯算法得到研究区目的层位的三维力学参数场，用于应力场数值模拟及储层裂缝预测；2)通过岩心、野外、薄片、扫描电镜、成像测井以及阵列声波测井，结合岩石周向岩石力学确定共轭裂缝是否两组都发育；进而确定天然裂缝组系以及产状分布；3)利用岩石声发射、阵列声波测井确定水平最大主应力、水平最小主应力的大小；利用井壁崩落、诱导裂缝、压裂裂缝方位、阵列声波测井、岩心声速、差应变以及古地磁实验确定水平最大主应力、水平最小主应力的方向；利用岩石三维力学参数场，通过建立非均质地质力学的有限元模型，进行现今应力场模拟，并通过压裂、测井以及声发射资料验证现今地应力模拟的可靠性；4)利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf；在有拉张应力存在的状态下，储层裂缝的线密度通过求解如下方程组进行计算：公式(1)-(2)中，ωf为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m3；ω为岩石总应变能密度，J/m3；ωe为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m3；E为杨氏弹性模量，MPa；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间和最小主应力，MPa；σp为岩石破裂应力，MPa；μ为岩石泊松比；C0为岩石内聚力，MPa；为岩石内摩擦角，°；E0为与岩性有关的比例系数，无量纲；Dvf为裂缝体密度，m2/m3；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m2；J0为零围压下的裂缝表面能，J/m2；Dlf为裂缝线密度，条/m；L1、L3分别为沿σ1、σ3方向的表征单元体长度，m；ε1、ε2、ε3分别为最大、中间和最小主应变，无量纲；ε为当前应力状态下的最大张应变，无量纲；γ为破裂角，°；σT为岩石抗拉强度，MPa；在公式(2)中，若(σ1+3σ3)＞0，则有γ＝arccos[(σ1-σ3)/2(σ1+σ3)]/2，那么取进行计算；若(σ1+3σ3)≤0，则有γ＝0，那么裂缝体密度和裂缝线密度相等，Dlf＝Dvf；利用模拟的不同时期古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf，结合岩石周向岩石力学确定的共轭裂缝中每组裂缝的发育概率，进而得到不同时期每组裂缝的发育概率P；5)通过丼区的应力场模拟，确定现今地应力的垂向分布；通过岩心、野外裂缝观测，确定天然裂缝的垂向分层性；利用地应力、裂缝以及岩石力学垂向分布建立压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型；6)利用现今应力场模拟结果、不同时期每组裂缝的发育概率、不同组系裂缝的产状分布、压裂裂缝等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敬寿，
申请(专利权)人：刘敬寿，
类型：发明
国别省市：山东,37