[發明專利]一種水平井最優鉆井軌跡預測方法

在審

• 申請號: 201810253315.5
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號: CN108442922A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 劉敬壽
• 申請（專利權）人: 劉敬壽
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B43/26;E21B7/04;G06Q50/02
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1.一種水平井最優鉆井軌跡預測方法，預測的步驟如下：

1)巖石樣品力學實驗確定靜態力學參數，測井解釋確定巖石的動態力學參數，通過動靜態巖石力學轉換，得到巖石三維力學參數場；

首先將單軸壓縮實驗結果校正到三軸壓縮實驗條件下的結果，將結果在測井曲線上標定，將標定的動態力學參數與靜態力學參數擬合，得到擬合函數，將連續的測井解釋結果剖面校正為連續的靜態巖石力學剖面，利用高斯序貫算法得到研究區目的層位的三維力學參數場，用于應力場數值模擬及儲層裂縫預測；

2)通過巖心、野外、薄片、掃描電鏡、成像測井以及陣列聲波測井，結合巖石周向巖石力學確定共軛裂縫是否兩組都發育；進而確定天然裂縫組系以及產狀分布；

3)利用巖石聲發射、陣列聲波測井確定水平最大主應力、水平最小主應力的大小；利用井壁崩落、誘導裂縫、壓裂裂縫方位、陣列聲波測井、巖心聲速、差應變以及古地磁實驗確定水平最大主應力、水平最小主應力的方向；利用巖石三維力學參數場，通過建立非均質地質力學的有限元模型，進行現今應力場模擬，并通過壓裂、測井以及聲發射資料驗證現今地應力模擬的可靠性；

4)利用聲發射實驗模擬不同時期的古應力場，確定不同時期裂縫的發育概率D_lf；

在有拉張應力存在的狀態下，儲層裂縫的線密度通過求解如下方程組進行計算：

公式(1)-(2)中，ω_f為新增裂縫表面積所需的應變能密度，J/m³；ω為巖石總應變能密度，J/m³；ω_e為產生裂縫必須克服的彈性應變能密度，J/m³；E為楊氏彈性模量，MPa；σ₁、σ₂、σ₃分別為最大、中間和最小主應力，MPa；σ_p為巖石破裂應力，MPa；μ為巖石泊松比；C₀為巖石內聚力，MPa；為巖石內摩擦角，°；E₀為與巖性有關的比例系數，無量綱；D_vf為裂縫體密度，m²/m³；J為產生單位面積裂縫所需能量，J/m²；J₀為零圍壓下的裂縫表面能，J/m²；D_lf為裂縫線密度，條/m；L₁、L₃分別為沿σ₁、σ₃方向的表征單元體長度，m；ε₁、ε₂、ε₃分別為最大、中間和最小主應變，無量綱；ε為當前應力狀態下的最大張應變，無量綱；γ為破裂角，°；σ_T為巖石抗拉強度，MPa；

在公式(2)中，若(σ₁+3σ₃)＞0，則有γ＝arccos[(σ₁-σ₃)/2(σ₁+σ₃)]/2，那么取進行計算；若(σ₁+3σ₃)≤0，則有γ＝0，那么裂縫體密度和裂縫線密度相等，D_lf＝D_vf；利用模擬的不同時期古應力場，確定不同時期裂縫的發育概率D_lf，結合巖石周向巖石力學確定的共軛裂縫中每組裂縫的發育概率，進而得到不同時期每組裂縫的發育概率P；

5)通過丼區的應力場模擬，確定現今地應力的垂向分布；通過巖心、野外裂縫觀測，確定天然裂縫的垂向分層性；利用地應力、裂縫以及巖石力學垂向分布建立壓裂裂縫等效擴展的垂向分層模型；

6)利用現今應力場模擬結果、不同時期每組裂縫的發育概率、不同組系裂縫的產狀分布、壓裂裂縫等效擴展的垂向分層模型以及巖石力學參數場分布，建立壓裂裂縫等效擴展模型，在考慮現今地應力、天然裂縫以及巖石力學參數條件下，預測壓裂裂縫擴展方向；

對儲層實施壓裂時，由于天然裂縫的影響，人工壓裂縫是否形成、人工壓裂縫的破裂方式和延伸方向取決于現今地應力場狀態、巖石力學參數和天然裂縫組系發育特征，提出了天然裂縫臨界活動狀態的概念，并建立起各個影響因素間的數學模型；

設天然裂縫的法線矢量表示為n，它表示為：

n＝nf₁i+nf₂j+nf₃k (3)

現今地應力場作用在天然裂縫面上的正應力σ_n為：

σ_n＝σ_a+σ_b+σ_c (5)

壓裂施工時人工壓裂縫沿天然裂縫面張開的極限條件是：

P_f＝σ_n+S_f-P_p (6)

壓裂裂縫沿最大主應力σ₁方向形成新裂縫的極限條件是：

P_R＝σ₃+σ_T-P_p (7)

公式(5)-(7)，P_f為天然裂縫極限破裂壓力，MPa；P_R為巖石極限破裂壓力，MPa；P_p為地層孔隙壓力，MPa；σ_n為作用在天然裂縫面上的正應力，MPa；S_f是裂縫巖石抗張強度，MPa；當壓裂施工的破裂壓力大于P_f和P_R時，天然裂縫張開或巖石破裂，形成壓裂裂縫；顯然，壓裂縫沿天然裂縫張開的條件是天然裂縫極限破裂壓力小于或等于巖石極限破裂壓力，即P_f≤P_R，在破裂壓力相等的極限狀態下P_f＝P_R；在現今地應力和巖石力學參數的控制下，天然裂縫的臨界活動性指數β沿天然裂縫方向傳播；當天然裂縫與最大主應力之間的夾角小于β時，水力裂縫沿天然裂縫傳播；否則，它沿水平最大主應力傳播；一般來說，裂縫的抗拉強度S_f約為0，因此忽略S_f的影響，計算得到β；當裂縫接近垂直時，天然裂縫的臨界活動性指數β由方程(5)-(7)計算得到；考慮到裂縫發育的概率，當兩組天然裂縫都可能破裂時，水力壓裂方向ψ表示為：

公式(8)中，δ_j，i為第j組、第i單層的裂縫走向；P_j，i為第j組、第i單層裂縫發育的概率；β為地應力引起的天然裂縫的臨界活動性指數；當天然裂縫與水平最大主應力之間的夾角小于β時，水力壓裂方向ψ沿水平最大主應力方向擴展，水力壓裂方向ψ表示為：

ψ_i＝θ_i (9)

公式(9)中，θ_i為第i單層的水平最大主應力方向；

考慮裂縫以及現今地應力在垂向上的分層性，在某一段地層內，壓裂裂縫的等效擴展方向表示為：

公式(10)中，H是地層的總厚度，h_i為壓裂裂縫等效擴展的垂向分層模型中單層的厚度；m為壓裂裂縫等效擴展的垂向分層模型中單層的總段數；

通過利用公式(6)-(10)，建立壓裂裂縫等效擴展模型，進而預測壓裂裂縫的方向；

7)結合水平井鉆井方位以及水平井的動態資料驗證壓裂裂縫擴展方向的可靠性，實現不同區塊壓裂裂縫方向預測與水平井最優鉆井軌跡設計；通過分析Δα與水平井含水率、累積產量的關系，驗證壓裂裂縫擴展方向的可靠性；所述的Δα表示為：

Δα＝|ψ-ω| (11)

在公式(11)中，ψ為預測水力壓裂擴展方向，ω為水平井的實際鉆井方位角。