CN117709125B - 一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，属于水力压裂的技术领域；首先根据固井质量确定邻近射孔簇的避射距离，计算判断水力裂缝与断层是否相交，在相交的情况中计算水力裂缝与断层相交后是否会激活断层，最后优化压裂方案防止断层激活，为页岩油气藏体积压裂现场施工提供一种防止断层激活的水力压裂方法，本发明采用上述方法，解决了现有技术中只能通过改变水平井位置避免断层被激活，但不能为已穿过断层水平井的压裂设计提供技术指导的不足，通过合理的编排和计算施工参数，对断层进行提前预知和规避，为防止断层激活干扰压裂作业提供了一种新的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及水力压裂的技术领域，尤其是涉及一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法。
背景技术
水力压裂是一种通过向地层中注入高压液体来破裂岩层从而改造地层渗透率增加产能的技术。页岩油气藏普遍具有低孔、超低渗的物性特征，需要进行大规模水力压裂后才能投产。水平井分段多簇压裂是页岩油气藏实施体积压裂改造的主要技术手段，现场实践表明，在改造邻近断层的压裂段时，大量压裂液进入断层内部导致孔隙压力增大诱发断层激活造成断层滑移，断层滑移导致套管剪切变形从而影响压裂施工。为了避免施工过程中水力裂缝与断层相交激活断层，现有技术提供了一种基于地应力评估水力压裂过程规避断层安全距离的方法，能有效评估水力压裂过程中断层是否被激活以及水力压裂安全规避井位距离，但只能在钻井前改变水平井位置规避断层，在水平井已经穿过断层时无法判断断层是否会被激活，也不能为现场施工提供准确合适的工程参数，无法为页岩油气藏体积压裂方案设计提供指导。因此，亟需提出一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，用于优化页岩油气藏体积压裂设计，首先根据固井质量确定邻近射孔簇的避射距离，计算判断水力裂缝与断层是否相交，在相交的情况中计算水力裂缝与断层相交后是否会激活断层，通过设定安全压裂施工参数值，避免水力压裂施工过程中断层被激活，保护施工管路。
为实现上述目的，本发明提供了一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，包括以下步骤：
S1：根据断层发育带和待压水平井筒段的固井质量来确定邻近射孔簇的避射距离；
S2：基于空间几何理论，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高；
S3：依据施工设计，得到设计半缝长和设计半缝高，分别比较临界半缝长与设计半缝长、临界半缝高与设计半缝高的大小；
当临界半缝长和临界半缝高均大于设计半缝长和设计半缝高，水力裂缝不与断层相交，则按初始压裂设计方案进行施工；反之，则水力裂缝与断层相交，需判断相交后断层是否会被激活；
S4：在步骤S3中，当水力裂缝与断层相交，计算断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，结合现场施工经验，引入安全系数，计算安全施工净压力值；
S5：计算初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，水力裂缝净压力值与安全施工净压力值对比，当水力裂缝净压力值小于安全施工净压力值，则按初始压裂设计方案执行；当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，则调整初始压裂设计方案；
S6：当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，计算步骤S4中安全施工净压力值所对应的安全压裂施工参数值，依据对应的安全压裂施工参数值调整初始压裂设计方案；
S7：按照修改后的压裂设计方案进行施工。
优选的，所述步骤S1中，将断层和水平井筒交点与邻近射孔簇的距离设置为避射距离，根据声幅变密度测井结果确定固井质量，当固井质量好则避射距离为15m，当固井质量中等则避射距离为20m，当固井质量差则避射距离为25m。
优选的，所述步骤S2中，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高的过程如下：
基于空间几何模型，水力裂缝与断层相交的临界半缝长计算公式；
Lfcritical＝Dperf tanα(1)
水力裂缝与断层相交的临界半缝高计算公式；
Hfcritical＝Dperf tanγ(2)
上式中，Lfcritical为水力裂缝临界半缝长，m；
Hfcritical为水力裂缝临界半缝高，m；
Dperf为避射距离，m；
α为断层走向与水平井筒夹角，°；
γ为断层倾角，°。
优选的，所述步骤S4中，计算水力裂缝临界净压力值和安全施工净压力值，具体公式如下：
Pneta＝δPnetl(5)
上式中，Pnetl为断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，MPa；
Pneta为安全施工净压力，MPa；
σn为三向地应力作用下断层壁面受到的正应力，MPa；
τ为三向地应力作用下断层面受到的剪切应力，MPa；
kf为断层壁面摩擦系数，无因次；
σh为原始最小水平地应力，MPa；
σH为原始最大水平地应力，MPa；
σv为原始垂向地应力，MPa；
γ为断层倾角，°；
β为断层走向与水平最大地应力的夹角，°；
δ为安全系数，无因次。
优选的，所述步骤S5中，计算初始压裂设计方案下水力裂缝净压力值的具体公式如下：
上式中，Pnet为初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，MPa；
E为地层岩石杨氏模量，Pa；
v为地层岩石泊松比，无因次；
Q0为水平井分段压裂时的单段注入排量，m3/s；
N为水平井分段压裂时的单段射孔簇数，无因次；
μ为压裂液黏度，Pa·s；
hf为水力裂缝高度，m；
t为总施工时间，s。
优选的，所述步骤S6中，根据步骤S4所计算的安全净压力值来求安全压裂施工参数，具体过程如下：
当现场采用同一黏度压裂液施工，则求安全排量即可，具体公式如下：
当现场采用同一排量施工，求安全压裂液黏度即可，具体公式如下：
根据现场情况，调整初始压裂设计方案。
因此，本发明采用一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，克服了现有技术只能通过改变水平井位置避免断层被激活，但不能为已穿过断层水平井的压裂设计提供指导的不足，通过合理的编排和计算施工参数，优化对应的施工方案，能有效地避免断层被激活的问题，现场应用效果显著，具有良好的工程应用价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，具体计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
实施例
如图1，本发明提供一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，包括步骤如下：
S1：根据断层发育带和待压水平井筒段的固井质量来确定邻近射孔簇的避射距离；
将断层和水平井筒交点与邻近射孔簇的距离设置为避射距离，先根据声幅变密度测井结果确定固井质量，当固井质量好则避射距离为15m，当固井质量中等则避射距离为20m，当固井质量差则避射距离为25m；
S2：基于空间几何理论，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高的过程如下：
基于空间几何模型，水力裂缝与断层相交的临界半缝长计算公式；
Lfcritical＝Dperftanα(1)
水力裂缝与断层相交的临界半缝高计算公式；
Hfcritical＝Dperftanγ(2)
上式中，Lfcritical为水力裂缝临界半缝长，m；
Hfcritical为水力裂缝临界半缝高，m；
Dperf为避射距离，m；
α为断层走向与水平井筒夹角，°；
γ为断层倾角，°。
S3：依据施工设计，得到设计半缝长和设计半缝高，分别比较临界半缝长与设计半缝长、临界半缝高与设计半缝高的大小；
当临界半缝长和临界半缝高均大于设计半缝长和设计半缝高，水力裂缝不与断层相交，则按初始压裂设计方案进行施工；反之，则水力裂缝与断层相交，需判断相交后断层是否会被激活；
S4：在步骤S3中，当水力裂缝与断层相交，基于莫尔-库伦强度准则，计算断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，结合现场施工经验，引入安全系数，计算安全施工净压力值；
计算水力裂缝临界净压力值和安全施工净压力值，具体公式如下：
Pneta＝δPnetl(5)
上式中，Pnetl为断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，MPa；
Pneta为安全施工净压力，MPa；
σn为三向地应力作用下断层壁面受到的正应力，MPa；
τ为三向地应力作用下断层面受到的剪切应力，MPa；
kf为断层壁面摩擦系数，无因次；
σh为原始最小水平地应力，MPa；
σH为原始最大水平地应力，MPa；
σv为原始垂向地应力，MPa；
γ为断层倾角，°；
β为断层走向与水平最大地应力的夹角，°；
δ为安全系数，无因次。
S5：计算初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，水力裂缝净压力值与安全施工净压力值对比，当水力裂缝净压力值小于安全施工净压力值，则按初始压裂设计方案执行；当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，则调整初始压裂设计方案，减小压裂规模；
计算初始压裂设计方案下水力裂缝净压力值的具体公式如下：
上式中，Pnet为初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，MPa；
E为地层岩石杨氏模量，Pa；
v为地层岩石泊松比，无因次；
Q0为水平井分段压裂时的单段注入排量，m3/s；
N为水平井分段压裂时的单段射孔簇数，无因次；
μ为压裂液黏度，Pa·s；
hf为水力裂缝高度，m；
t为总施工时间，s。
S6：当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，计算步骤S4中安全施工净压力值所对应的安全压裂施工参数值，安全参数值包括排量和压裂液黏度，过程如下：
当现场采用同一黏度压裂液施工，则求安全排量即可，具体公式如下：
当现场采用同一排量施工，求安全压裂液黏度即可，具体公式如下：
根据现场情况，调整初始压裂设计方案，依据对应的安全压裂施工参数值修改初始压裂设计方案；
S7：按照修改后的压裂设计方案进行施工。
在具体实验过程中，采用实际参数进行计算，实际参数如下表1：
表1井基本参数表
| 基本参数 | 取值 | 基本参数 | 取值 |
| 固井质量 | 中等 | 断层走向与水平井筒夹角(°) | 83 |
| 断层倾角(°) | 53 | 设计半缝长(m) | 180 |
| 注入排量(m3/min) | 20 | 设计半缝高(m) | 13 |
| 水平最小地应力(MPa) | 60.6 | 水平最大地应力(MPa) | 73.5 |
| 垂向地应力(MPa) | 81 | 每段的簇数 | 3 |
| 杨氏模量(GPa) | 35 | 压裂液黏度(mPa·s) | 10 |
| 泊松比 | 0.2 | 断层壁面摩擦系数 | 0.6 |
| 安全系数 | 0.6 | 施工时间(min) | 120 |
采用上述参数进行实验计算，过程如下：
S1：根据声幅变密度测井结果确定固井质量为中等，邻近射孔簇的避射距离为20m；
S2：基于空间几何理论，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高的过程如下：
基于空间几何模型，水力裂缝与断层相交的临界半缝长计算公式；
Lfcritical＝Dperftanα(1)
水力裂缝与断层相交的临界半缝高计算公式；
Hfcritical＝Dperftanγ(2)
上式中，Lfcritical为水力裂缝临界半缝长，m；
Hfcritical为水力裂缝临界半缝高，m；
Dperf为避射距离，m；
α为断层走向与水平井筒夹角，°；
γ为断层倾角，°。
根据公式(1)、(2)结合表1中的参数，断层走向与水平井筒夹角78°，断层倾角45°，计算出临界半缝长为162m，半缝高为26.5m；
S3：依据施工设计，得到设计半缝长和设计半缝高，分别比较临界半缝长与设计半缝长、临界半缝高与设计半缝高的大小；
当临界半缝长和临界半缝高均大于设计半缝长和设计半缝高，水力裂缝不与断层相交，则按初始压裂设计方案进行施工；反之，则水力裂缝与断层相交，需判断相交后断层是否会被激活；
依据表1中参数可知，临界半缝长小于设计半缝长，水力裂缝与断层相交，应判断相交后断层是否会被激活；
S4：在步骤S3中，当水力裂缝与断层相交，计算断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，结合现场施工经验，引入安全系数，计算安全施工净压力值；
计算水力裂缝临界净压力值和安全施工净压力值，具体公式如下：
Pneta＝δPnetl(5)
上式中，Pnetl为断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，MPa；
Pneta为安全施工净压力，MPa；
σn为三向地应力作用下断层壁面受到的正应力，MPa；
τ为三向地应力作用下断层面受到的剪切应力，MPa；
kf为断层壁面摩擦系数，无因次；
σh为原始最小水平地应力，MPa；
σH为原始最大水平地应力，MPa；
σv为原始垂向地应力，MPa；
γ为断层倾角，°；
β为断层走向与水平最大地应力的夹角，°；
δ为安全系数，无因次。
依据表1中参数，计算出水力裂缝临界净压力值为9MPa，安全施工净压力值为5.4MPa；
S5：计算初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，与安全施工净压力值对比，当水力裂缝净压力值小于安全施工净压力值，则按初始压裂设计方案执行；当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，则调整初始压裂设计方案，减小压裂规模；
计算初始压裂设计方案下水力裂缝净压力值的具体公式如下：
上式中，Pnet为初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，MPa；
E为地层岩石杨氏模量，Pa；
v为地层岩石泊松比，无因次；
Q0为水平井分段压裂时的单段注入排量，m3/s；
N为水平井分段压裂时的单段射孔簇数，无因次；
μ为压裂液黏度，Pa·s；
hf为水力裂缝高度，m；
t为总施工时间，s。
依据表1中参数，公式(6)计算初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值为6MPa，与安全施工净压力值对比，初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，因此需要调整初始压裂设计方案；
S6：当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，计算步骤S4中安全施工净压力值所对应的安全压裂施工参数值，安全参数值包括排量和压裂液黏度，过程如下：
当现场采用同一黏度压裂液施工，则求安全排量即可，具体公式如下：
当现场采用同一排量施工，求安全压裂液黏度即可，具体公式如下：
根据现场情况，调整初始压裂设计方案，依据对应的安全压裂施工参数值修改初始压裂设计方案；一般现场施工都是根据确定压裂液黏度改变压裂液注入排量从而调整压裂设计方案，根据公式(7)计算安全排量，其中净压力值为安全施工净压力值，计算出安全注入排量为15.3m3/min。
S7：按照修改后的压裂设计方案进行施工，优化后压裂设计方案为采用注入排量为15.3m3/min，压裂液黏度为10mPa·s。
因此，本发明采用一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，能优化页岩油气藏体积压裂设计，首先根据固井质量确定邻近射孔簇的避射距离，计算判断水力裂缝与断层是否相交，在相交的情况中计算水力裂缝与断层相交后是否会激活断层，通过设定安全压裂施工参数值，避免水力压裂施工过程中断层被激活，保护施工管路。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据断层发育带和待压水平井筒段的固井质量来确定邻近射孔簇的避射距离；
S2：基于空间几何理论，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高，计算水力裂缝与断层相交的临界半缝长和临界半缝高的过程如下：
基于空间几何模型，水力裂缝与断层相交的临界半缝长计算公式；
Lfcritical＝Dperftanα (1)
水力裂缝与断层相交的临界半缝高计算公式；
Hfcritical＝Dperftanγ (2)
上式中，Lfcritical为水力裂缝临界半缝长，m；
Hfcritical为水力裂缝临界半缝高，m；
Dperf为避射距离，m；
α为断层走向与水平井筒夹角，°；
γ为断层倾角，°；
S3：依据施工设计，得到设计半缝长和设计半缝高，分别比较临界半缝长与设计半缝长、临界半缝高与设计半缝高的大小；
当临界半缝长和临界半缝高均大于设计半缝长和设计半缝高，水力裂缝不与断层相交，则按初始压裂设计方案进行施工；反之，则水力裂缝与断层相交，需判断相交后断层是否会被激活；
S4：在步骤S3中，当水力裂缝与断层相交，计算断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，结合现场施工经验，引入安全系数，计算安全施工净压力值；
计算水力裂缝临界净压力值和安全施工净压力值，具体公式如下：
Pneta＝δPnetl (5)
上式中，Pnetl为断层激活对应的水力裂缝临界净压力值，MPa；
Pneta为安全施工净压力，MPa；
σn为三向地应力作用下断层壁面受到的正应力，MPa；
τ为三向地应力作用下断层面受到的剪切应力，MPa；
kf为断层壁面摩擦系数，无因次；
σh为原始最小水平地应力，MPa；
σH为原始最大水平地应力，MPa；
σv为原始垂向地应力，MPa；
γ为断层倾角，°；
β为断层走向与水平最大地应力的夹角，°；
δ为安全系数，无因次；
S5：计算初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，水力裂缝净压力值与安全施工净压力值对比，当水力裂缝净压力值小于安全施工净压力值，则按初始压裂设计方案执行；当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，则调整初始压裂设计方案；
S6：当水力裂缝净压力值大于安全施工净压力值，计算步骤S4中安全施工净压力值所对应的安全压裂施工参数值，依据对应的安全压裂施工参数值调整初始压裂设计方案；
S7：按照修改后的压裂设计方案进行施工。
2.根据权利要求1所述的一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，将断层和水平井筒交点与邻近射孔簇的距离设置为避射距离，根据声幅变密度测井结果确定固井质量，当固井质量好则避射距离为15m，当固井质量中等则避射距离为20m，当固井质量差则避射距离为25m。
3.根据权利要求1所述的一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，计算初始压裂设计方案下水力裂缝净压力值的具体公式如下：
上式中，Pnet为初始压裂设计方案下的水力裂缝净压力值，MPa；
E为地层岩石杨氏模量，Pa；
v为地层岩石泊松比，无因次；
Q0为水平井分段压裂时的单段注入排量，m3/s；
N为水平井分段压裂时的单段射孔簇数，无因次；
μ为压裂液黏度，Pa·s；
hf为水力裂缝高度，m；
t为总施工时间，s。
4.根据权利要求3所述的一种防止断层激活的页岩油气藏体积压裂设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，根据步骤S4所计算的安全净压力值来求安全压裂施工参数，具体过程如下：
当现场采用同一黏度压裂液施工，则求安全排量即可，具体公式如下：
当现场采用同一排量施工，求安全压裂液黏度即可，具体公式如下：
根据现场情况，调整初始压裂设计方案。
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