一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法技术

本发明专利技术公开了一种致密砂岩水力压裂逢高预测方法，具体涉及水力压裂技术领域。其解决了现有的致密砂岩水力压裂裂缝纵向扩展的研究并未形成能够指导现场压裂实践量化标准的不足。该致密砂岩水力压裂缝高预测方法，具体包括：建立由隔层‑储层‑隔层组成的三维水力压裂裂缝扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系为：裂缝内净压力与储隔层地应力差比值越小，裂缝在纵向上的扩展能力越弱，穿透隔层的高度越小；当裂缝内净压力与储隔层地应力差之比小于0.56时，裂缝的扩展被完全限制在储层内，在纵向上不能进入隔层。

A high prediction method for hydraulic fracturing of tight sandstone

The invention discloses a prediction method for hydraulic fracturing height of tight sandstone, and specifically relates to the field of hydraulic fracturing technology. It solved the research on the longitudinal expansion of fractured tight sandstone hydraulic fracturing, and did not form enough guidance for quantifying the fracturing practice in the field. The high prediction method for the hydraulic fracturing of the tight sandstone includes the establishment of a three-dimensional hydraulic fracturing fracture expansion finite element model, which is composed of the insulating layer of the reservoir. Based on the hydraulic fracturing expansion finite element model, the influence factors of the longitudinal expansion of the hydraulic fracturing fracture in the tight sandstone gas reservoir are analyzed, and the net pressure in the fracture is analyzed and the net pressure in the fracture is analyzed. The relation between the difference ratio of the stress difference and the thickness ratio of the critical reservoir is the smaller the ratio of the net pressure in the fracture and the stress difference in the reservoir, the weaker the longitudinal expansion of the crack and the smaller the height of the penetrating layer, and the expansion of the crack is finished when the ratio of the net pressure and the difference of the stress difference is less than 0.56. It is completely restricted in the reservoir and can not enter the interlayer vertically.

【技术实现步骤摘要】
一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法
本专利技术涉及水力压裂
，具体涉及一种致密砂岩水力压裂逢高预测方法。
技术介绍
致密砂岩作为一种重要的非常规油气资源类型，其经济有效的开采对于保障我国油气产量稳定具有重要的意义。某盆地东部神木区块已探明的天然气储量丰富，某组是该区块主力层位，其储层渗透率主要分布在0.1-0.5mD，孔隙度分布在5-9％，整体表现为低孔、低渗致密特征，大规模水力压裂成为开发致密砂岩气藏的关键技术。现场压裂实践发现太原组储层上下部普遍含煤，储、隔层应力差范围跨度大，压裂参数设置不当容易造成裂缝在纵向上压穿隔层，影响压裂效果。合理的控制裂缝纵向扩展可以使裂缝最大程度的在储层内部延伸，增大储层改造体积，同时避免压穿隔层使水层中的流体窜入造成压裂失效。所以在致密砂岩储层进行水力压裂之前，必须对裂缝的纵向扩展情况进行预判，以便制定合理的压裂参数。裂缝在储隔层中的纵向扩展受储隔层岩石力学参数和压裂施工参数的共同影响，近年来国内外学者对此进行了相关研究，并取得了一定的认识。Biot等提出了未考虑储层原始地应力分布的裂缝纵向扩展进入隔层的判断准则；Simonson等基于线弹性理论研究了裂缝在高应力隔层的扩展；Warpinski和Teufel等提出储隔层间地应力差是影响裂缝在储隔层纵向扩展的首要因素；Daneshy等认为储隔层界面之间的剪切滑移利于抑制裂缝的纵向扩展；Nolte和Smith建立了双对数下净压力曲线与裂缝几何尺寸的变化关系；Ayoub等通过模型提出了利用净压力与储隔层应力差关系判断裂缝高度，模型假设上下隔层为无限扩展，与实际情况不符；魏元龙和刘玉章等利用真三轴水力压裂试验分析了裂缝在致密砂岩中的起裂和扩展机制，试验未考虑储隔层岩性差异；潘林华和王瀚等采用cohesive单元模拟了不同因素对水力压裂垂直裂缝形态的影响，但cohesive模拟水力压裂需要预先设置裂缝扩展纹路，限制了裂缝的自由扩展。总体而言，前人对于致密砂岩水力压裂裂缝纵向扩展的研究多集中在不同因素对裂缝扩展形态影响的定性描述，并未形成能够指导现场压裂实践的量化标准。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述不足，提出了一种基于ABAQUS扩展有限元法进行致密砂岩水力压裂裂缝纵向扩展的数值模拟研究，对裂缝的纵向扩展进行准确的预判，制定合理的压裂参数的致密砂岩水力压裂逢高预测方法。本专利技术具体采用如下技术方案：一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，具体包括：建立由隔层-储层-隔层组成的三维水力压裂扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，包括：储隔层界面对裂缝尖端应力场的影响、压裂液排量、压裂液粘度、压裂液泵入时间、储隔层地应力差和裂缝内净压力；分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系为：裂缝内净压力与储隔层地应力差比值越小，裂缝在纵向上的扩展能力越弱，穿透隔层的高度越小；当裂缝内净压力与储隔层地应力差之比小于0.56时，裂缝的扩展被完全限制在储层内，在纵向上不能进入隔层。优选地，所述储隔层界面对裂缝尖端应力场的影响具体为：在压裂初期，裂缝尖端出现应力集中，当纵向上裂缝尖端的最大拉应力大于该处岩石的抗拉强度时，将该处岩石压开形成裂缝，并随着压裂液的注入裂缝不断向上延伸；在扩展至储隔层界面之前，隔层对裂缝产生的诱导应力在纵向上的传播产生抑制；裂缝到达储隔层界面后，裂缝尖端应力在储隔层界面处不断增大，最大拉应力在达到高地应力隔层岩石的抗拉强度之前，裂缝在纵向的扩展受限，裂缝宽度增加而高度不变；裂缝穿透储隔层界面之后，裂缝在隔层中的扩展速度小于裂缝在储层中的扩展速度；高地应力隔层对裂缝在纵向上的扩展起到明显的遮挡作用，裂缝高度增加缓慢，裂缝宽度则进一步增大。优选地，所述压裂液排量的具体影响为：在12MPa的储隔层地应力差下，当低于4m3/min排量时，随压裂液排量的增大，裂缝高度不变；当排量增加到超过该排量时，裂缝在纵向上压开隔层，裂缝高度增加，裂缝在动态扩展的过程中，排量小于某值时，随着压裂液的泵入，压力逐步增大到储层抗拉强度，储层被压开向前扩展，在纵向上由于隔层的抗拉强度和地应力差的限制，使得低排量下裂缝在纵向上扩展受限，但当排量增大到某一值后，相同时间内，相比于小排量压裂液泵入，大排量的压裂液泵入到裂缝中使裂缝内部流体压力短时间内快速上升，形成高压，超过隔层岩石的抗拉强度，裂缝纵向压开隔层。优选地，所述压裂液粘度的具体影响为：采用滑溜水进行压裂时，水力裂缝在隔层中的纵向扩展能力弱，有利于对缝高进行控制，但形成的裂缝宽度小，不利于支撑剂在裂缝中的运移；压裂液粘度超过50mPa·s时裂缝宽度明显增大，但裂缝高度也随压裂液粘度的增加而增大；压裂液粘度超过100mPa·s时缝宽增大幅度减弱，而缝高持续增加，由此可知，进一步增大压裂液粘度会增加裂缝在隔层中的扩展能力，不利于控制缝高。优选地，所述压裂液泵入时间的具体影响为：在一定的储隔层地应力差下，裂缝在纵向上穿过储隔层界面进入隔层后，裂缝高度的进一步增加需要缝内流体在裂缝尖端产生的最大拉应力大于隔层岩石的抗拉强度；由于隔层岩石的抗拉强度比储层岩石大，裂缝在高度上扩展受限，裂缝在储层内部向地层深部扩展，在压裂液泵入40min后，随着压裂液的继续泵入，裂缝长度进一步增大而裂缝高度不变；定义临界隔储层厚度比为水力压裂过程中，裂缝进入上下隔层中的最大厚度与储层厚度之比，当储隔层应力差为Δσ时，若h1＞h2，则临界隔储层厚度比为h1/h；对于储层，根据临界隔储层厚度比判断裂缝在纵向上是否完全穿透隔层，若储层厚度乘以临界隔储层比所得的值大于隔层厚度，则裂缝会将该隔层压穿，反之裂缝将被控制在隔层之内。优选地，所述储隔层应力差的具体影响为：临界储隔层厚度比随储隔层应力差的增大而减小，低应力差下对应的临界隔储层厚度比大，表明隔层对裂缝在纵向上扩展的遮挡作用弱，裂缝穿透的隔层厚度大，当应力差增大到13.6MPa后，在6.5m3/min排量下，裂缝将被完全控制在储层内扩展，对应的临界隔储层厚度比为零。优选地，所述裂缝内净压力的具体影响为：在低渗透储层中，水力裂缝体积与注入压裂液体积相等，当裂缝高度为h时，水力裂缝内净压力分布表达式为：其中：μ为压裂液粘性系数；q为压裂液排量，m3/s；ρ为压裂液密度，kg/m3；Lf为裂缝半长，m；h为裂缝高度，m；E为岩石杨氏模量，GPa；KIc为岩石断裂韧性；x为沿裂缝长度方向任意一点位置；t为压裂时间，s；优选地，所述水力压裂扩展有限元模型建立包括三个方面：流-固耦合：压裂液和地层中流体对岩石骨架应力及孔渗特性的影响；裂缝起裂：水力压力达到岩石抗张强度使岩石开始破裂；裂缝扩展：裂缝张开后，在后续注入流体压力作用下向前延伸。优选地，所述流-固耦合过程包括应力平衡方程、连续性方程和ABAQUS有限元离散及流-固耦合方程；应力平衡方程：ABAQUS基于有效应力及虚功原理得出水力压裂过程中岩石骨架变形的岩石应力平衡方程，如下式：其中：δε为虚位移；Dep为弹塑性矩阵；t为时间，S；m为[1，1，1，0，0，0]；So为含液饱和度；po为储层孔隙压力，Pa；Ks为岩石弹性模量，Pa；为表征毛细压力与饱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，具体包括：建立由隔层‑储层‑隔层组成的三维水力压裂扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，包括：储隔层界面对裂缝尖端应力场的影响、压裂液排量、压裂液粘度、压裂液泵入时间、储隔层地应力差和裂缝内净压力；分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系为：裂缝内净压力与储隔层地应力差比值越小，裂缝在纵向上的扩展能力越弱，穿透隔层的高度越小；当裂缝内净压力与储隔层地应力差之比小于0.56时，裂缝的扩展被完全限制在储层内，在纵向上不能进入隔层。

【技术特征摘要】
1.一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，具体包括：建立由隔层-储层-隔层组成的三维水力压裂扩展有限元模型；基于水力压裂扩展有限元模型分析致密砂岩气藏水力压裂裂缝纵向扩展的影响因素，包括：储隔层界面对裂缝尖端应力场的影响、压裂液排量、压裂液粘度、压裂液泵入时间、储隔层地应力差和裂缝内净压力；分析得出裂缝内净压力与储隔层地应力差比值和临界隔储层厚度比的对应数据关系为：裂缝内净压力与储隔层地应力差比值越小，裂缝在纵向上的扩展能力越弱，穿透隔层的高度越小；当裂缝内净压力与储隔层地应力差之比小于0.56时，裂缝的扩展被完全限制在储层内，在纵向上不能进入隔层。2.如权利要求1所述的一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，所述储隔层界面对裂缝尖端应力场的影响具体为：在压裂初期，裂缝尖端出现应力集中，当纵向上裂缝尖端的最大拉应力大于该处岩石的抗拉强度时，将该处岩石压开形成裂缝，并随着压裂液的注入裂缝不断向上延伸；在扩展至储隔层界面之前，隔层对裂缝产生的诱导应力在纵向上的传播产生抑制；裂缝到达储隔层界面后，裂缝尖端应力在储隔层界面处不断增大，最大拉应力在达到高地应力隔层岩石的抗拉强度之前，裂缝在纵向的扩展受限，裂缝宽度增加而高度不变；裂缝穿透储隔层界面之后，裂缝在隔层中的扩展速度小于裂缝在储层中的扩展速度；高地应力隔层对裂缝在纵向上的扩展起到明显的遮挡作用，裂缝高度增加缓慢，裂缝宽度则进一步增大。3.如权利要求1所述的一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，所述压裂液排量的具体影响为：在12MPa的储隔层地应力差下，当低于4m3/min排量时，随压裂液排量的增大，裂缝高度不变；当排量增加到超过该排量时，裂缝在纵向上压开隔层，裂缝高度增加，裂缝在动态扩展的过程中，随着压裂液的泵入，压力逐步增大到储层抗拉强度，储层被压开向前扩展；在纵向上由于隔层的抗拉强度和地应力差的限制，使得低排量下裂缝在纵向上扩展受限，但当排量增大到超过临界值时，相同时间内，相比于小排量压裂液泵入，大排量的压裂液泵入到裂缝中使裂缝内部流体压力短时间内快速上升，形成高压，超过隔层岩石的抗拉强度，裂缝纵向压开隔层。4.如权利要求1所述的一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，所述压裂液粘度的具体影响为：采用滑溜水进行压裂时，水力裂缝在隔层中的纵向扩展能力弱，有利于对缝高进行控制，但形成的裂缝宽度小，不利于支撑剂在裂缝中的运移；压裂液粘度超过50mPa·s时裂缝宽度明显增大，但裂缝高度也随压裂液粘度的增加而增大；压裂液粘度超过100mPa·s时缝宽增大幅度减弱，而缝高持续增加，由此可知，进一步增大压裂液粘度会增加裂缝在隔层中的扩展能力，不利于控制缝高。5.如权利要求1所述的一种致密砂岩水力压裂缝高预测方法，其特征在于，所述压裂液泵入时间的具体影响为：在一定的储隔层地应力差下，裂缝在纵向上穿过储隔层界面进入隔层后，裂缝高度的进一步增加需要缝内流体在裂缝尖端产生的最大拉应力大于隔层岩石的抗拉强度；由于隔层岩石的抗拉强度比储层岩石大，裂缝在高度上扩展受限，裂缝在储层内部向地层深部扩展，在压裂液泵入40min后，随着压裂液的继续泵入，裂缝长度进一步增大而裂缝高度不变；定义临界隔储层厚度比为水力压裂过程中，裂缝进入上下隔层中的最大厚度与储层厚度之比，当储隔层应力差为Δσ时，若h1＞h2，则临界隔储层厚度比为h1/h；对于储层，根据临界隔储层厚度比判断裂缝在纵向上是否完全穿透隔层，若储层厚度乘以临界隔储层比所得的值大于隔层厚度，则裂缝会将该隔层压穿，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲占庆，刘晓强，翟乃成，刘福锋，李云龙，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37