测算水力裂缝中缝内静压力与地层最小水平主应力的方法

1.本发明涉及水力压裂储层改造技术领域，具体涉及一种基于现场监测数据来测算水力裂缝中缝内静压力与地层最小水平主应力的方法。


背景技术：

2.水力压裂储层改造技术被广泛的应用于油气田增产开发以及地热田增渗改造，影响水力压裂储层改造设计的因素众多，其中一个很重要的影响因素是地应力。通常储层地应力的大小和方向决定了压裂井方位的布置、压裂簇间距的大小、支撑剂和压裂液的选择等一系列水力压裂设计工作，同时地应力在很大程度上也影响着压裂所致裂缝的几何形态。
3.油气储层或者地热储层在受到挤压、拉伸、旋钮等力的作用，使地下储层处于十分复杂的自然受力状态，这种应力统称为地应力。储层地应力现场测试工作一直伴随着储层开发而发展，常用的测试地应力的方法有：资料分析法、分析岩心的凯塞尔效应法、钻孔水压致裂法、钻孔井壁崩落法，详见《陈勉,金衍,张广清在石油工程岩石力学.科学出版社,2008年7月,p69)》。尽管前人已经做过很多工作，但是准确的测试储层地应力仍然是一项挑战性的工作，仍有许多工作需要完善。
4.资料分析法主要依靠储层所处区域的地质资料来进行地应力场的分析，例如通过地震震源机制解释，定性给出地应力场的分布，但是该种方法很难精细测算应力场的大小。钻孔水压致裂法应用最为广泛，可以较准确的测量储层地应力，但是该方法工序较为复杂，测试工作需要较长时间，而且测试费用昂贵。基于岩心分析的凯塞尔效应法在操作过程中，很难标定岩心在钻孔中的方位。
5.针对目前油气储层和地热储层开发中地应力测量领域的问题与挑战，亟需采用多种方法联合观测，进行技术创新，开发新的地应力测试方法，提高测试效率，降低测试成本。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于现场监测数据来测算水力裂缝中缝内静压力与地层最小水平主应力的方法，该方法将测算水力裂缝内静压力以及地层地应力的过程融入到水平井分段多簇水力压裂施工之中，利用分段多簇水力裂缝之间的力学联系，建立裂缝内静压力与压裂施工注液压力之间的关系，求解得到裂缝内静压力以及地层最小水平主应力，实现水力压裂施工过程中地层压力实时监测与测算，提高储层地应力原位测试的效率和准确度，进而服务水力压裂的优化设计。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.测算水力裂缝中缝内静压力与地层最小水平主应力的方法，包括以下步骤：
9.步骤一、现场水平井钻进施工过程中，在井筒的设计点位处预埋流体压力监测传感器1，使预埋流体压力监测传感器1处于水平井分段压裂的其中一段趾端压裂簇3，流体压力监测传感器1所处的趾端压裂簇3应设置在靠近水平井的趾端4部位；
10.步骤二、开展水平井分段多簇压裂施工，在预埋流体压力监测传感器1所处趾端压裂簇3位置进行压裂，然后利用封隔器2将该段趾端压裂簇3进行密封；
11.步骤三、趾端压裂簇3压裂施工完毕后，继续从水平井趾端4往根部端5开展压裂，记录水力压裂施工时根部压裂簇6处泵注的压裂液压力值以及流体压力监测传感器1所显示的压力值；
12.步骤四、根据井身结构尺寸、地层物理力学性质、压裂簇间距、压裂监测数据计算水力裂缝内静压力与储层最小水平主应力。
13.步骤一中流体压力监测传感器1在水平井钻井施工过程中预埋于靠近水平井趾端4区域，设置的趾端压裂簇3区域覆盖预埋流体压力监测传感器1所处区域。
14.步骤二中在对流体压力监测传感器1所处趾端压裂簇3进行水力压裂施工时，采用封隔器2对趾端压裂簇3进行密封；压裂施工完成，取出压裂设备后，再次对趾端压裂簇3进行密封，使得趾端压裂簇3所处区域的压裂液密封在该处。
15.步骤三中压裂簇的水力压裂施工工序为从水平井趾端4区域往根部端5区域开展压裂，在压裂过程中同时记录根部压裂簇6处泵注的压裂液压力值和流体压力监测传感器1所监测的压力值。
16.步骤四中计算水力裂缝内静压力与储层最小水平主应力的步骤如下：
17.1根据现场监测数据判断水力裂缝的形态，水力裂缝的形态可以近似分为平面应变型和圆形；根据所划分的形态确定平面应变型水力裂缝的缝长和圆形水力裂缝的半径；
18.2根据如下公式分别计算水力裂缝中的静压力：
19.平面应变型水力裂缝中静压力计算：
[0020][0021]
式中，hf为缝长的一半，x为根部压裂簇6至压力监测传感器1的距离，δσ为流体压力监测传感器1在根部压裂簇6施工前后时所记录压力的差值；
[0022]
圆形水力裂缝中静压力计算：
[0023][0024][0025][0026]
[0027][0028][0029][0030][0031]
式中，ρ≈0,ξ＝x/hf,hf＝r为圆形水力裂缝的半径，x为根部压裂簇6至压力监测传感器1的距离，δσ为流体压力监测传感器1在根部压裂簇6施工前后时所记录压力的差值；
[0032]
3根据如下公式计算压裂区域最小水平主应力：
[0033]
σ
hmin
＝p
inj-p
net
[0034]
式中，p
inj
为根部压裂簇6施工时所记录的泵注压裂液压力。
[0035]
本发明相对于现有技术的有益效果是：
[0036]
1、本发明通过在水平井钻井施工过程中预埋流体压力监测传感器，满足了后期进行压力监测的需求，无需在开展水力压裂时安装压力监测设备，降低了压力监测流程的复杂性，提高了其效率。
[0037]
2、本发明通过监测水力裂缝在压裂过程中应力阴影区的动态力学变化，借助理论模型，实现了在水力压裂过程中测算水力裂缝缝内静压力和储层最小水平主应力，充分利用了水力压裂中储层岩体所展现的力学响应，减少了地应力测量的成本。
[0038]
3、本发明通过预埋压力监测传感器，实时监测压裂过程中储层应力变化，结合现场泵注数据与理论模型，可实现深埋油气储层地应力演化的实时测算，进而指导水力压裂优化施工，提高压裂效果。
[0039]
4、本发明将水力压裂与地应力测算方法有机结合起来，丰富了水力压裂储层改造模式，为开展油气储层和地热储层中地应力测量提供了新思路。
附图说明
[0040]
图1为水平井分段多簇水力压裂和现场监测的示意图。
[0041]
图2为δσ/p
net
的与x/hf的函数关系曲线。
[0042]
图3为泵注压裂液压力、地层最小主应力以及水力裂缝静压力关系示意图。
[0043]
图中：1—流体压力监测传感器；2—封隔器；3—趾端压裂簇；4—水平井趾端；5—水平井根部；6—根部压裂簇。
具体实施方式
[0044]
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。
[0045]
测算水力裂缝中缝内静压力与地层最小水平主应力的方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一、参照图1，现场水平井钻进施工过程中，在井筒的设置点位处预埋流体压力监测传感器1，使预埋流体压力监测传感器1处于水平井分段压裂设置的其中一段趾端压
裂簇3，流体压力监测传感器所处的趾端压裂簇3应设置在靠近水平井的趾端4部位；
[0047]
步骤二、开展水平井分段多簇压裂施工，在预埋流体压力监测传感器1所处趾端压裂簇3位置进行压裂，然后利用封隔器2将该段趾端压裂簇3进行密封；
[0048]
步骤三、趾端压裂簇3压裂施工完毕后，继续从水平井趾端4往根部端5开展压裂，记录水力压裂施工时根部压裂簇6处泵注的压裂液压力值以及流体压力监测传感器1所显示的压力值；
[0049]
步骤四、根据井身结构尺寸、地层物理力学性质、压裂簇间距、压裂监测数据计算水力裂缝内静压力与储层最小水平主应力，具体为：
[0050]
1根据现场监测数据判断水力裂缝的形态，水力裂缝的形态可以近似分为平面应变型和圆形；根据所划分的形态确定平面应变型水力裂缝的缝长和圆形水力裂缝的半径；
[0051]
2根据如下公式分别计算水力裂缝中的静压力：
[0052]
平面应变型水力裂缝中静压力计算：
[0053][0054]
式中，hf为缝长的一半，x为根部压裂簇6至压力监测传感器1的距离，δσ为流体压力监测传感器1在根部压裂簇6施工前后时所记录压力的差值；如图2所示，图2中实线所示为利用公式(1)所绘制的δσ/p
net
与x/hf的函数关系曲线，通过图中曲线或者公式(1)，可以求得与x/hf所对应的δσ/p
net
值，δσ由流体压力监测传感器测得，从而可以得到平面应变型水力裂缝中静压力p
ne
t。
[0055]
圆形水力裂缝中静压力计算：
[0056][0057]
式中，ρ≈0,ξ＝x/hf,hf＝r为圆形水力裂缝的半径，x为根部压裂簇6至压力监测传感器1的距离，δσ为流体压力监测传感器1在根部压裂簇6施工前后时所记录压力的差值，如图2所示，图2中虚线所示为利用公式(2)所绘制的δσ/p
net
与x/hf的函数关系曲线，通过图中曲线或者公式(2)，可以求得与x/hf所对应的δσ/p
net
值，δσ由流体压力监测传感器测得，从而可以得到圆形水力裂缝中静压力p
net
；
[0058]
(3)根据如下公式计算压裂区域最小水平主应力：
[0059]
σ
hmin
＝p
inj-p
net
[0060]
式中，p
inj
为根部压裂簇6施工时所记录的泵注压裂液压力，图3所示为泵注压裂液压力p
inj
、地层最小主应力σ
hmin
以及水力裂缝静压力p
ent
关系示意图。
[0061]
进一步地，本实施例中流体压力监测传感器1在水平井钻井施工过程中预埋于靠近水平井趾端4区域，设计的趾端压裂簇3区域覆盖预埋流体压力监测传感器1所处区域。
[0062]
进一步地，本实施例中在对流体压力监测传感器1所处趾端压裂簇3进行水力压裂施工时，采用封隔器2对趾端压裂簇3进行密封；压裂施工完成，取出压裂设备后，再次对趾端压裂簇3进行密封，使得趾端压裂簇3所处区域的压裂液密封在该处。
[0063]
进一步地，本实施例中压裂簇的水力压裂施工工序为从水平井趾端4区域往根部端5区域开展压裂，在压裂过程中同时记录根部压裂簇6处泵注的压裂液压力值和流体压力监测传感器1所监测的压力值。
[0064]
本发明通过在水平井钻井施工过程中预埋流体压力监测传感器，监测在水平井分段多簇压裂过程中水力裂缝周围岩体的力学响应，也即监测水力裂缝在压裂过程中应力阴影区的动态力学变化，借助理论分析模型，根据水力裂缝形态划分不同类型水力裂缝，测算引起应力阴影区力学响应的水力裂缝内静压力，进而进一步求得压裂储层的最小水平主应力，从而实现在水力压裂过程中求得储层最小水平主应力，服务水力压裂的优化设计。