一種儲層裂縫開啟壓力、開啟次序及注水壓力預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及油氣田勘探開發(fā)領域，尤其是一種儲層裂縫開啟壓力、開啟次序及注 水壓力預測方法。
【背景技術】
[0002] 在裂縫性儲層開發(fā)過程中，裂縫的開啟壓力、開啟次序以及儲層的破裂壓力是制 定油氣開發(fā)方案必須考慮的因素，尤其在對儲層實施壓裂、注水開發(fā)等措施時，準確的預測 構造裂縫發(fā)育規(guī)律、儲層破裂壓力是提高油氣采收率、經(jīng)濟效益的重要保證。合理的油氣井 注水壓力往往不能超過油氣層的破裂壓力，而這一壓力條件下又要保證構造裂縫充分開 啟，最大限度地提高油氣采收效益。傳統(tǒng)的裂縫開啟壓力往往基于單個井點的裂縫發(fā)育規(guī) 律實現(xiàn)單個井點裂縫開啟壓力的預測，而不能在三維平面實現(xiàn)裂縫性儲層開發(fā)建議的量化 研究。
[0003] 在構造裂縫預測方法中，基于古今應力場數(shù)值模擬技術對裂縫的定量評價方法日 趨成熟，成為研究儲層裂縫分布的有效手段。因此，綜合運用古今應力場數(shù)值模擬技術，在 充分考慮構造裂縫的產(chǎn)狀、構造位置的基礎上，能夠實現(xiàn)對儲層裂縫的開啟壓力-開啟次序 以及儲層合理注水壓力進行研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在解決上述問題，提供了一種儲層裂縫開啟壓力、開啟次序及注水壓力 預測方法，它解決了裂縫性儲層開發(fā)建議無法定量預測的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術方案為:一種儲層裂縫開啟壓力、開啟次序及注水壓力預測方法，具 體步驟如下：
[0006] 第一步確定裂縫形成時期、建立工區(qū)地質(zhì)力學模型
[0007] 結合工區(qū)資料，確定研究區(qū)裂縫的形成時期。確定裂縫形成時期的方法應包括以 下方法之一:結合工區(qū)構造演化、構造應力場演化，分析斷層的活動性、活動強度，評價構造 演化各個時期的強度，確定裂縫形成時期;通過裂縫充填物分析確定裂縫形成時期;通過裂 縫切割關系確定裂縫形成時期;通過巖石聲發(fā)射確定裂縫形成時期;通過裂縫產(chǎn)狀在垂向 地層中國的演變規(guī)律確定。
[0008] 通過巖石力學實驗獲得巖石靜態(tài)力學參數(shù)，或通過測井解釋求得巖石動態(tài)力學參 數(shù)，結合工區(qū)地質(zhì)構造建立工區(qū)地質(zhì)力學模型。
[0009] 第二步不同組系裂縫現(xiàn)今產(chǎn)狀預測
[0010] 古應力場的定向主要依據(jù)巖心裂縫、薄片裂縫的觀測結果以及成像測井資料，并 結合區(qū)域活動斷裂的產(chǎn)狀，斷裂的力學性質(zhì)，地震資料中的褶皺、提取的地震屬性以及薄片 顯微小構造確定主應力的方向。古應力場大小確定可以采用聲發(fā)射法、數(shù)學解析、等效古應 力等方法，依據(jù)恢復的古構造圖以及巖石力學參數(shù)建立研究區(qū)古地質(zhì)-力學模型，對研究區(qū) 的古應力場數(shù)值模擬，結合巖石破裂準則預測裂縫不同組系的產(chǎn)狀。
[0011]結合巖石力學層不同時期的空間變化特征，分析不同組系的裂縫的演化規(guī)律，設 裂縫形成時期所在平面的單位法向矢量為Y，傾角為α，傾向為β;現(xiàn)今裂縫面的單位法向矢 量為η;古巖石力學層所在平面的法向矢量Sp 1，現(xiàn)今巖石力學層所在平面的法向矢量為Ρ2， 矢量Pl與矢量Ρ2所在平面的單位法向矢量為P。
[0012]矢量r/在大地坐標系中的三個分量為：
[0013]
[0014] 公式(1)中，（rb/ ,n/)為矢量r/在大地坐標系中三個坐標軸的分量。
[0015] 矢量η與矢量r/的定量轉換關系可以表示為：
[0016]
(2)
[0017] 公式(2)中，（nx，ny，nz)為矢量η在大地坐標系中三個坐標軸的分量。
[0018] 公式(2)中，旋轉矩陣T1可以表示為：
[0019]
(3)
[0020]公式(3)中，（px，py，pz)為矢量P在大地坐標系中三個坐標軸的分量;ξ為矢量Pi與 矢量P2重合的旋轉角，（°)。
[0021] 第三步現(xiàn)今應力場數(shù)值模擬、主應力垂向梯度反演
[0022] 通常采用多種方法對研究區(qū)現(xiàn)今地應力方位進行判斷，并通過測井、壓裂資料以 及物理實驗計算關鍵井現(xiàn)今地應力的數(shù)值，在此基礎上，通過確定巖石力學參數(shù)并建立有 限元模型，對研究區(qū)現(xiàn)今地應力場進行了數(shù)值模擬;得到不同節(jié)點的現(xiàn)今地應力分布；因為 不同巖石力學層頂?shù)酌嬷鲬Υ瓜蛱荻炔灰恢?，因此，結合工區(qū)巖石力學層分布規(guī)律，采用 巖石力學層頂?shù)酌鎸c法求取不同節(jié)點的主應力垂向梯度。
[0023]所述的巖石力學層頂?shù)酌鎸c法求取不同節(jié)點的主應力垂向梯度（圖2)是指根據(jù) 研究區(qū)的小層對比圖，對于巖石力學層內(nèi)部的井點Α，首先分別在巖石力學層的頂?shù)酌娲_定 節(jié)點A的兩個垂向投影點A1J 2,在此基礎上，在A1J2*在的巖石力學層面上尋找離其最近 的節(jié)點C、B，則對應的節(jié)點A的主應力垂向梯度為：
[0024:
(4)
[0025] 公式⑷中，〇hB、σΗΒ分別為節(jié)點B最小、最大主應力，MPa; Ohc、〇HC分別為節(jié)點C最小、 最大主應力，1?&;丨。1和匕3分別為現(xiàn)今最大和最小主應力梯度，10^/1〇11 ;28、2。分別為節(jié)點8、〇 的埋深，km;求取層內(nèi)不同節(jié)點的后，擬合每個巖石力學層內(nèi)不同深度的節(jié)點對應的 埋深Z與L1、L3，得到擬合關系式：
[0026]
C5)
[0027] 公式(5)中，fdPfu分別為現(xiàn)今最大和最小主應力梯度，MPa/km;Z分別為節(jié)點的 對應埋深，km; qi、q3、pi、P3為擬合系數(shù)，無量綱。
[0028]利用公式(5)，依據(jù)巖石力學層頂?shù)酌婀?jié)點的Z坐標，可以求取不同巖石力學層頂 底面的f(Jl和f(J3。
[0029]第四步裂縫開啟壓力-開啟次序預測
[0030]建立工區(qū)裂縫開啟壓力預測數(shù)學模型，數(shù)學模型應包含與裂縫的開啟壓力密切相 關的幾個因素-裂縫的性質(zhì)與產(chǎn)狀、巖石力學參數(shù)、孔隙壓力、節(jié)點對應的現(xiàn)今地應力大小、 方向以及應力梯度等相應地質(zhì)信息。依據(jù)油田開發(fā)實踐經(jīng)驗不同方向的裂縫開啟壓力大小 不一，因此在儲層實施注水開發(fā)時，裂縫開啟次序也有所不同，常用的不同方向的裂縫開啟 壓力Pk可表示為：
[0031]
(6)
[0032] 公式(6)中，μ為巖石泊松比;H為構造裂縫埋藏深度，km; Θ為裂縫傾角，（° ) ;ps為巖 石密度，g/cm3 ;pw為地層水密度，g/cm3; fdi和分別為現(xiàn)今最大和最小主應力梯度，MPa/ kmj是裂縫走向與水平最大主應力之間的夾角，（°)。
[0033] 依據(jù)公式(6)，可以對儲層不同走向的構造裂縫的開啟壓力進行預測。
[0034]第五步裂縫性儲層破裂壓力及注水壓力確定
[0035]在油氣井水力壓裂設計中，依據(jù)相關理論或者經(jīng)驗公式預測巖石破裂壓力，有利 于壓裂作業(yè)實施。根據(jù)工區(qū)儲層的特點，選取適用于非滲透性巖石破裂壓力的H-W公式或適 用于高滲透性巖石破裂壓力的H-F公式或者適用于低孔低滲儲層破裂壓力計算模型（公式 7);將已知層位的破裂壓力大小作為優(yōu)化反演的約束條件，綜合節(jié)點主應力模擬結果、巖石 破裂壓力、孔隙壓力，通過不斷地反演擬合使模擬值與實測值最為接近，得到最優(yōu)擬合結 果。
[0036] (7)
[0037]公式(7)中，〇h、oH分別為最小、最大主應力，MPa;〇t為巖石單軸抗拉強度，MPa;p。為 孔隙壓力，MPa;Z為孔隙彈性常數(shù)，無因次;0。巖石觸點孔隙度，％。
[0038] 公式(7)中，參數(shù)Z、0。很難準確測量，本發(fā)明采用多井約束的方法，優(yōu)化反演儲層 破裂壓力分布規(guī)律，具體思路是，將已知層位的破裂壓力大小作為優(yōu)化反演的約束條件，通 過不斷地反演擬合使模擬值與實測值最為接近，得到最優(yōu)擬合結果。
[0039] 結合不同節(jié)點的實際埋深，依據(jù)公式(8)可計算地下儲層的實際破裂壓力Pt。
[0040] Pt = Pb+PwgH(8)
[0041] 在臨界儲層破裂壓力的條件下，裂縫能夠得到充分開啟，因此針對不同的構造位 置，采用不同的注水壓力，是提高油氣采收率的有效手段。
[0042]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用地質(zhì)資料、物理實驗確定地質(zhì)力學模型，在古應 力場數(shù)值模擬的基礎上，借助于巖石破裂準則，古今巖石力學層演化特征，預測不同組系裂 縫的現(xiàn)今產(chǎn)狀;在現(xiàn)今應力場數(shù)值模擬的基礎上，結合工區(qū)巖石力學層分布規(guī)律，米用巖石 力學層頂?shù)酌鎸c法求取不同節(jié)點的主應力垂向梯度，綜合地質(zhì)信息，實現(xiàn)了裂