一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力的确定方法

摘要

本发明公开了一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力的确定方法，利用完整煤岩块制备标准试样，通过单轴和三轴抗压强度测试，并根据地质强度指标模板确定储层的GSI值大小，综合考虑完整煤岩块和储层结构特征这两方面确定储层的破裂压力大小。避免了传统采用完整煤岩块测试得到的抗拉强度代表整个储层的抗拉强度的局限性，而是考虑储层的结构特征，根据岩体结构量化的GSI模板或煤体结构量化的GSI模板确定GSI大小，进而确定储层的破裂压力，实现了完整煤岩块强度和储层结构特征相结合确定破裂压力的新途径，为快速和简便的确定储层破裂压力奠定基础。

说明书

技术领域

本发明属于油气储层和煤层的水力压裂改造技术领域，尤其涉及一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力的确定方法。 

背景技术

水力压裂作为储层增透的一项技术措施，具有增透范围大、增透效果显著的特点，在目前油气田开发和瓦斯抽采领域得到了较为广泛的应用。 

破裂压力是储层水力压裂改造的重要参数，首先要测试储层的抗拉强度，传统方法是采集完整煤岩块，然后在室内制备标准试样，然后逐一测试其抗拉强度，取平均值，再根据储层埋深、地应力大小和地层压力来确定储层的破裂压力，而且这个值就代表整个储层某一深度破裂压力大小，并没有考虑储层的结构特征。实际上，用采集到的整块试样的抗拉强度代表整个储层的抗拉强度是不科学的，与实际的误差较大，储层的结构特征严重影响抗拉强度的大小，进而影响破裂压力。由于储层的不均质性，使破裂压力的准确确定更加困难，破裂压力是水力压裂施工的关键参数，如何快速准确确定其大小是解决问题的关键。 

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力，采用室内试验和储层结构特征相结合，使破裂压力确定更合理、简便和准确的方法。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力的确定方法，依次包括以下步骤： 

（1）、通过地面钻井取芯或者煤矿井下采集有代表性煤块或者岩块样品；

（2）、在实验室内按照Ф50 mm×100 mm规格制样，数量要求至少五组；

（3）、进行岩石力学试验：选一组样品进行单轴抗压强度试验，然后进行三轴岩石力学实验，围压设置的最大值不超过单轴抗压强度的二分之一，得到不同围压下σ₃的样品抗压强度σ₁；

（4）、按照公式①和②分别求取单轴抗压强度σ_ci和参数m_i；

             ①

①式中：x=σ₃；y=（σ₁-σ₃）²；n为实验组数（含单轴抗压强度组）；

                ②

②式中变量同公式①；

（5）、通过地面钻井取芯或者煤矿井下观察，分别对照岩体结构量化的GSI模板和煤体结构量化的GSI模板，得到相应的岩体或者煤体的GSI值；

（6）、通过水压致裂法、应力解除法、应力恢复法或者声发射法确定水平最大主应力σ_H和水平最小主应力σ_h；通过d_c指数法、声波时差或者钻井中途测试手段确定孔隙压力p_p；通过室内测试煤样或者岩石的体积压缩系数和颗粒压缩系数，计算出煤样或岩石的biot系数α，然后把水平最小主应力σ_h、水平最大主应力σ_H、孔隙压力p_p、biot系数α、岩体或煤体的GSI值，代入公式③，得到储层的破裂压力p_f；

      ③

式中：p_f为破裂压力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；σ_H为水平最大主应力，MPa；p_p为孔隙压力，MPa；α为biot系数；GSI为煤体或岩体的GSI值。

所述步骤（2）中的制样规格为Ф50 mm×100 mm。 

岩体力学中的地质强度指标（GSI）充分反映了储层的结构特征，依据GSI大小把储层进行了定量表征。其中岩体的GSI值的确定主要有两个基本参数：岩块的块度和不连续面风化状况，岩体结构量化的GSI模板参见图1。煤储层由于煤层埋藏较深，几乎都未遭受风化，采用结构面特征和宽度代替风化状况，煤体结构量化的GSI模板参见图2。图2中斜线上的数值即为GSI取值，“N/A”表示在这个范围内不适用。 

采用完整煤岩块制备的标准试样，在室内做单轴和三轴抗压强度试验，并观测储层结构特征，应用岩体结构量化的GSI模板或煤体结构量化的GSI模板确定GSI值的大小，从而确定储层的破裂压力。这种室内完整煤岩块试验和储层整体结构特征相结合确定破裂压力的方法，避免了传统依靠完整煤岩块抗拉强度代表整个储层抗拉强度的局限性，使得储层破裂压力的确定随着储层结构特征的变化而变化，因此，破裂压力的确定方法更加合理和简便，从而为水力压裂的安全有效施工提供保证。 

本发明利用完整煤岩块制备标准试样，通过单轴和三轴抗压强度测试，并根据地质强度指标模板确定储层的GSI值大小，综合考虑完整煤岩块和储层结构特征这两方面确定储层的破裂压力大小。避免了传统采用完整煤岩块测试得到的抗拉强度代表整个储层的抗拉强度的局限性，而是考虑储层的结构特征，根据岩体结构量化的GSI模板或煤体结构量化的GSI模板确定GSI大小，进而确定储层的破裂压力，实现了完整煤岩块强度和储层结构特征相结合确定破裂压力的新途径，为快速和简便的确定储层破裂压力奠定基础。 

附图说明

图1是岩体结构量化的GSI模板；

图2是煤体结构量化的GSI模板。

具体实施方式

本发明的一种基于地质强度指标的水力压裂破裂压力的确定方法，依次包括以下步骤： 

（1）、通过煤矿井下采集有代表性煤块样品；

（2）、在实验室内按照Ф50 mm×100 mm规格制样，数量五组；

（3）、进行岩石力学试验：选一组样品进行单轴抗压强度试验，然后进行三轴岩石力学实验，得到不同围压下σ₃的样品抗压强度σ₁；参见表1。

表1  单轴和三轴抗压强度实验数据

煤样围压σ₃（MPa）抗压强度σ₁（MPa）1（单轴）0（单轴）28.22234.63437.14642.55745.9

（4）、按照公式①和②分别求取单轴抗压强度σ_ci和参数m_i；

                      ①

①式中：x=σ₃；y=（σ₁-σ₃）²；n为实验组数（含单轴抗压强度组）；

                           ②

②式中变量同公式①；

表2  参数计算结果

参数计算结果σ_ci28.38m_i3.28

（5）通过煤矿井下实际观察，依据图2的模板，得到煤储层GSI值范围62~68之间；其平均值为GSI=65。

（6）、通过应力恢复法确定水平最大主应力σ_H=12.2 MPa和水平最小主应力σ_h=13.5 MPa；通过瓦斯压力测试确定孔隙压力p_p=1.5 MPa；通过室内测试煤样体积压缩系数和颗粒压缩系数，计算出煤样或岩石的biot系数α=0.7，然后把水平最小主应力σ_h、水平最大主应力σ_H、孔隙压力p_p、biot系数、煤体或岩体GSI值，代入公式③，得到煤储层的破裂压力p_f=22.65 MPa； 

  ③

式中：p_f为破裂压力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；σ_H为水平最大主应力，MPa；p_p为孔隙压力，MPa；α为biot系数；GSI为煤体或岩体的GSI值。