水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法

摘要

本发明涉及的是水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法，这种水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法：步骤一、收集计算所需的基本参数，包括地层的弹性模量、泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段和射孔簇的位置；步骤二、计算第N压裂段内的多条裂缝相对于其相邻地层的有效净压力；步骤三、计算第N压裂段内不同位置处的诱导应力：（1）第N压裂段内靠近第N‑1压裂段地层的诱导应力；（2）第N压裂段内两相邻裂缝中间地层的诱导应力；（3）第N压裂段内靠近第N+1压裂段地段地层的诱导应力。本发明考虑了先压裂缝以及多条裂缝同步扩展时的应力干扰作用对缝内有效净压力及诱导应力的影响，计算结果更为准确。

说明书

技术领域

本发明涉及水平井分段多簇压裂储层改造技术，具体涉及水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法。

背景技术

水平井分段多簇压裂技术是开发非常规低渗透储层的有效手段，这种技术不仅能够实现人工裂缝与天然裂缝的沟通，还能够利用诱导应力促使应力转向产生转向分支裂缝，在储层中形成复杂的裂缝网络。储层中复杂裂缝网络的形成主要受天然裂缝、原地应力、岩石特性以及压裂参数的影响，天然裂缝发育的储层中较容易形成裂缝网络，但是在天然裂缝不发育的储层中则需要通过诱导应力反转水平应力场产生转向分支裂缝来实现。

水力压裂过程中裂缝内的流体压力会在周围地层产生诱导应力，通过诱导应力来实现原地应力反转产生转向分支裂缝是提高天然裂缝不发育的非常规低渗透储层压裂效果的重要途径，因此诱导应力的准确计算是进行压裂施工设计的重要依据。众多学者以均质、各向同性的二维平面应变模型为基础，建立了单条裂缝诱导应力场分布模型，并认为地层中某点受到的总诱导应力为各条裂缝在该点产生的诱导应力的叠加，根据应力叠加原理得到了水平井分段压裂过程中诱导应力的分布。然而这种应力叠加原理只能适用于水平井分段单簇压裂的工况(单个压裂段内只有一条裂缝，压裂过程中各条裂缝先后依次扩展形成)，并不适用于水平井分段多簇压裂的实际工况(分段多簇压裂时同一压裂段内多个射孔簇处的裂缝同步扩展)。水平井分段多簇压裂过程中，由于段内多个射孔簇处的裂缝同步扩展延伸，多条裂缝同步扩展时存在复杂的相互应力干扰以及应力阻隔效应，其在周围地层中产生的总诱导应力并不是各条裂缝诱导应力的叠加。

1、分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时存在应力阻隔效应

水平井分段多簇压裂时，假设每段内各射孔簇处形成尺寸相同且均与井筒垂直的平行裂缝。以第N段3簇压裂为例，压裂过程中3个射孔簇处的裂缝N₁、N₂、N₃同步平行扩展延伸，如图1所示。

在第N段压裂过程中，由于N₁、N₂、N₃3条裂缝同步延伸扩展，裂缝N₂、N₃受到裂缝N₁的阻隔，其所产生的诱导应力并不能传递到A点，即第N段压裂过程中A点受到的诱导应力是由裂缝N₁产生的，而不是N₁、N₂、N₃3条裂缝诱导应力的叠加；N₃裂缝受到N₂裂缝的阻隔也不会对N₁、N₂裂缝之间的B点产生诱导应力，B点受到的诱导应力是N₁、N₂两条裂缝诱导应力的叠加，而与裂缝N₃无关；同理N₁、N₂裂缝受到N₃裂缝的阻隔也不会对C点产生诱导应力，C点受到的诱导应力是由裂缝N₃产生的。分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时，各条裂缝产生的诱导应力受到其他裂缝的阻挡会出现应力阻隔效应，第N段压裂过程中段内某点产生的诱导应力是与其相邻裂缝引起的：段内缝外靠近上一压裂段的诱导应力由第一个射孔簇处的裂缝产生；段内缝间的诱导应力由与其相邻的两个射孔簇处裂缝叠加形成；段内缝外靠近下一压裂段的诱导应力由最后一个射孔簇处的裂缝产生。由此可知，第N段压裂之前段内各点受到的诱导应力为之前各段最后一个射孔簇处裂缝产生的诱导应力的叠加。

2、分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时的应力干扰效应分析

第N段压裂过程中，段内各点受到的诱导应力由两部分组成：1)之前N-1段压裂对该点形成的诱导应力；2)本段压裂对该点形成的诱导应力。由于之前N-1段压裂所形成的裂缝已经在本段裂缝处产生了诱导应力，该诱导应力增大了最小水平地应力，增大的最小水平地应力抵消了一部分裂缝内的原始净压力，使得实际净压力减小。因此第N段压裂裂缝内的实际净压力并不是原始净压力，而是应该减去之前N-1段压裂在该段裂缝处所形成的最小水平地应力方向的诱导应力，定义该实际净压力为有效净压力。水平井分段多簇压裂由于段内多条裂缝的同时扩展，在分析其有效净压力时不仅要考虑之前N-1段压裂对裂缝处产生的最小水平地应力方向的诱导应力，还要考虑本段压裂多条裂缝同步扩展时的相互应力干扰效应对有效净压力的影响。段内多条裂缝同步扩展时，每条裂缝都会对与之相邻的裂缝产生诱导应力，从而进一步降低其相邻裂缝内的有效净压力以及由此引起的诱导应力场。因此分段多簇压裂时，需要考虑之前各段压裂以及本段内多条裂缝同步扩展时相邻裂缝之间的应力干扰效应，重新计算各条裂缝内的有效净压力以及由此引起的诱导应力。

由于水平井分段多簇压裂段内多个射孔簇处的裂缝同步扩展延伸时存在应力阻隔效应和应力干扰效应，地层中某点受到的诱导应力并不是各条裂缝在该点产生的诱导应力的叠加，现有的水平井分段压裂诱导应力计算方法并不适用于分段多簇压裂的工况。目前并未有人提出符合水平井分段多簇压裂工况的考虑多条裂缝同步扩展时的应力阻隔和应力干扰效应以及由此引起的缝内有效净压力变化的诱导应力计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法，这种水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法用于解决目前的诱导应力计算方法未考虑多条裂缝同步扩展时的应力阻隔和应力干扰效应以及由此引起的缝内有效净压力的变化而与实际压裂工况不相符的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法：

步骤一、收集计算所需的基本参数，包括地层的弹性模量、泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段、射孔簇的位置；

步骤二、计算第N压裂段内的多条裂缝相对于其相邻地层的有效净压力：

(1)第N压裂段内第一条裂缝N₁相对于靠近第N-1压裂段地层的有效净压力为：

式中：p_enetl(N₁)为裂缝N₁相对于靠近第N-1压裂段地层的有效净压力，MPa；p_net为裂缝N₁的原始净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N₁产生的最小水平地应力方向的诱导应力，MPa；

(2)第N压裂段内两相邻裂缝相对于其中间地层的有效净压力：

两相邻裂缝N_j、N_j+1相对于中间地层的有效净压力可通过下式求解：

式中：为裂缝N_j+1对裂缝N_j产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j+1相对于其左侧地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N_j产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j对裂缝N_j+1产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j相对于其右侧地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N_j+1产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

(3)第N压裂段内最后一条裂缝相对于靠近第N+1压裂段地层的有效净压力为：

式中：为第N压裂段最后一条裂缝相对于靠近第N+1压裂段地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对第N压裂段最后一条裂缝产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

步骤三、计算第N压裂段内不同位置处的诱导应力：

(1)第N压裂段内靠近第N-1压裂段地层的诱导应力为：

式中：σ″_x和σ″_y分别为该点地层受到的最小水平地应力和最大水平地应力方向的总诱导应力，MPa；和为第i压裂段最后一条裂缝对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；和分别为裂缝N₁对该点地层产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；

(2)第N压裂段内两相邻裂缝中间地层的诱导应力为：

式中：和分别为裂缝N_j对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；和分别为裂缝N_j+1对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；

(3)第N压裂段内靠近第N+1压裂段地段地层的诱导应力为：

式中：和分别为第N压裂段最后一条裂缝对靠近第N+1压裂段地层产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明考虑了水平井分段多簇压裂段内多条裂缝同步扩展时裂缝间的应力阻隔效应和应力干扰效应，更为符合分段多簇压裂的实际工况。

2、本发明考虑了先压裂缝以及多条裂缝同步扩展时的应力干扰作用对缝内有效净压力及诱导应力的影响，计算结果更为准确。

3、本发明能够得出分段多簇压裂段内不同位置处的诱导应力分布，为缝网压裂参数优化以及射孔簇位置的设计提供了必要的理论依据。

4、根据本发明得出的水平井分段多簇压裂段内不同位置处的诱导应力计算结果，能够进行压裂段内分支裂缝转向范围的确定，从而为压裂效果评价以及网状裂缝形态的描述提供依据。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种水平井分段多簇压裂诱导应力计算方法：

步骤一、收集计算所需的基本参数，包括地层的弹性模量、泊松比、原地应力、裂缝高度、原始净压力、压裂段和射孔簇的位置等参数；

步骤二、计算第N压裂段内的多条裂缝相对于其相邻地层的有效净压力：

(1)第N压裂段内第一条裂缝N₁相对于靠近第N-1压裂段地层的有效净压力为：

式中：p_enetl(N₁)为裂缝N₁相对于靠近第N-1压裂段地层的有效净压力，MPa；p_net为裂缝N₁的原始净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N₁产生的最小水平地应力方向的诱导应力，MPa；第i压裂段是指自第N-1压裂段至第一压裂段中的任意一个压裂段。

(2)第N压裂段内两相邻裂缝相对于其中间地层的有效净压力：

两相邻裂缝N_j、N_j+1相对于中间地层的有效净压力可通过下式求解：

式中：为裂缝N_j+1对裂缝N_j产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j+1相对于其左侧地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N_j产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j对裂缝N_j+1产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；为裂缝N_j相对于其右侧地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对裂缝N_j+1产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

(3)第N压裂段内最后一条裂缝相对于靠近第N+1压裂段地层的有效净压力为：

式中：为第N压裂段最后一条裂缝相对于靠近第N+1压裂段地层的有效净压力，MPa；为第i压裂段的最后一条裂缝对第N压裂段最后一条裂缝产生的最小水平地应力方向诱导应力，MPa；

步骤三、计算第N压裂段内不同位置处的诱导应力：

(1)第N压裂段内靠近第N-1压裂段地层的诱导应力为：

式中：σ″_x和σ″_y分别为该点地层受到的最小水平地应力和最大水平地应力方向的总诱导应力，MPa；和为第i压裂段最后一条裂缝对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；和分别为裂缝N₁对该点地层产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；

(2)第N压裂段内两相邻裂缝中间地层的诱导应力为：

式中：和分别为裂缝N_j对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；和分别为裂缝N_j+1对该点产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa；

(3)第N压裂段内靠近第N+1压裂段地段地层的诱导应力为：

式中：和分别为第N压裂段最后一条裂缝对靠近第N+1压裂段地层产生的最小水平地应力和最大水平地应力方向的诱导应力，MPa。