CN119203839A - 一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，涉及应用地球物理技术领域，包括以下步骤：S1、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；S2、确定近井筒压裂缝高度；S3、根据近井筒压裂缝高度，进行压裂裂缝体积扩展，得到压裂裂缝体积扩展形态。本发明能够解决目前储层压裂改造效果评价中的压裂缝全方位评价问题，通过综合利用纵波层析成像技术和体积压裂缝扩展模拟，实现多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价，能够有效提高储层压裂缝改造效果的评价范围。

Description

一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法

技术领域

本发明涉及应用地球物理技术领域，具体涉及一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法。

背景技术

近年来，随着海上勘探开发地不断深入，低渗储层已成为我国油气增储上产的重点领域，必须通过压裂才能获取工业油气流，因此，压裂是助力低渗储层勘探开发的必然途径。低渗储层压裂效果如何以及是否达到压裂施工预期效果成为低渗储层勘探开发中的一项难题。

目前传统的储层压裂改造效果评价技术主要有井温法、放射性示踪剂法、光纤法、各向异性分析法和径向层析成像法等，但上述方法主要能够评价压裂缝高度，不能评价压裂缝的径向延展特征，且探测范围有限，不能评价远井处的储层压裂效果，不能实现对压裂缝改造的整体评价。微地震法虽然可以评价压裂缝长度、高度和宽度等信息，且探测范围大，能全方位展示压裂缝改造效果，但是由于海上压裂作业空间有限，目前微地震技术在海上实施还具有较大难度。利用压裂施工资料进行水力压裂体积压裂裂缝扩展模拟也是一种压裂缝评价手段，目前常用的方法主要有位移不连续法、有限单元法和扩展有限单元法等，上述方法主要基于测井和地质等资料建立地质模型，然后利用压裂施工资料，采用不同的数值模拟方法进行水力压裂缝扩展模拟，虽然可以全方位评价水力压裂缝规模，但压裂缝信息来源于数值模拟，理论性太强，评价效果较差。

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于测井、压裂施工资料的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提出了一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法。

本发明的技术方案是：一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法包括以下步骤：

S1、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S2、根据压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据，确定近井筒压裂缝高度；

S3、根据近井筒压裂缝高度，进行压裂裂缝体积扩展，得到压裂裂缝体积扩展形态。

进一步地，S1包括以下子步骤：

S11、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S12、对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理，得到压裂前的地层纵波相对径向速度剖面和压裂后的地层纵波相对径向速度剖面；

S13、将压裂后的地层纵波相对径向速度剖面与压裂前的地层纵波相对径向速度剖面之间的差值作为压裂前后的相对径向速度剖面之差；

S14、根据压裂前后的相对径向速度剖面之差，得到近井筒压裂缝高度。

进一步地，S12中，对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理的计算公式为：

Δv′_p＝(v_p0-v_pd)/v_p0×100％；

式中，v_p0表示原状地层纵波速度，v_pd表示绝对速度剖面上某一径向深度处的纵波速度，Δv′_p表示相对速度变化。

进一步地，S2包括以下子步骤：

S21、构建岩石力学数学模型，并采用位移不连续法求解岩石力学数学模型；

S22、构建非线性流体力学模型，并采用有限差分法求解非线性流体力学模型；

S23、对求解后的岩石力学数学模型和非线性流体力学模型进行耦合，得到耦合模型；

S24、利用近井筒压裂缝高度进行约束，并根据耦合模型进行压裂裂缝体积扩展；

S25、在进行压裂裂缝体积扩展后得到的压力与实际压力之间的差值最小时，得到压裂裂缝体积扩展形态。

进一步地，S21中，采用位移不连续法求解岩石力学数学模型的计算公式为：

式中，表示单元i的法向应力，表示单元i的切向应力，表示法向位移不连续，表示剪切方向位移不连续，G^ij表示三维校正因子，表示在平面应变条件下由于单元j上剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元素i处由于单元j开口位移不连续引起的法向应力，表示在平面应变条件下由于单元j上的剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元i出由于单元j开口位移不连续引起的剪切应力，N表示法向方向。

进一步地，S24中，进行压裂裂缝体积扩展的计算公式为：

式中，K_Ⅰ表示扩展模式为开口的应力强度因子，K_Ⅱ表示扩展模式为剪切的应力强度因子，θ表示原点位于裂缝剪短的极坐标系中的偏转角度。

进一步地，扩展模式为开口的应力强度因子K_Ⅰ的计算公式为：

式中，E表示杨氏模量，D_n表示法向位移不连续，v表示泊松比，a表示平面元素长度的一半；

所述扩展模式为剪切的应力强度因子K_Ⅱ的计算公式为：

式中，D_s表示剪切方向位移不连续。

进一步地，S24中，进行压裂裂缝体积扩展时的整体物质平衡表达式为：

式中，N_f表示裂缝数，L_i(t)表示当时第i个裂缝的总裂缝长度，q_l(s,t)表示裂缝单位长度的体积损失率，h表示裂缝高度，w表示裂缝宽度，Q_T(t)表示裂缝扩展时间内流量总和，s表示沿裂缝的距离，t表示沿裂缝的距离所用的时间。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于压裂使得地层岩石发生破碎且产生大量裂缝的情况，通过对比压裂前后的径向速度剖面差异，评价近井筒压裂缝高度；在此基础上，基于压裂施工资料，利用近井筒压裂缝高度进行约束，采用位移不连续性方法和有限差分法开展水力压裂缝扩展模拟，实现多尺度耦合下的储层压裂缝改造效果评价；

(2)本发明能够解决目前储层压裂改造效果评价中的压裂缝全方位评价问题，通过综合利用纵波层析成像技术和体积压裂缝扩展模拟，实现多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价，能够有效提高储层压裂缝改造效果的评价范围；

(3)本发明应用效果好，适用度高，同时为非常规储层压裂效果评价工作提供了新思路。

附图说明

图1为多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法的流程图；

图2为海上压裂井X1井压裂裂缝体积扩展模型准确性验证成果图；

图3多尺度耦合的压裂裂缝改造形态三维成像图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，包括以下步骤：

S1、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S2、根据压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据，确定近井筒压裂缝高度；

S3、根据近井筒压裂缝高度，进行压裂裂缝体积扩展，得到压裂裂缝体积扩展形态。

本发明通过对在所关心的深度区间内分别采集压裂前后的阵列声波测井资料和压裂施工资料；采用纵波走时层析成像技术处理压裂前后的阵列声波数据，评价近井筒压裂缝高度；基于压裂施工资料，利用近井筒压裂缝高度进行约束，进行压裂裂缝体积扩展模拟；基于近井筒压裂缝评价结果，结合远井压裂缝形态和井眼轨迹等信息，获得多尺度耦合的出鞥压裂缝改造形态三维成像图；将储层压裂缝改造形态的模拟结果与实际压裂施工曲线进行对比，验证模型的准确性。

在本发明实施例中，S1包括以下子步骤：

S11、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S12、对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理，得到压裂前的地层纵波相对径向速度剖面和压裂后的地层纵波相对径向速度剖面；

S13、将压裂后的地层纵波相对径向速度剖面与压裂前的地层纵波相对径向速度剖面之间的差值作为压裂前后的相对径向速度剖面之差；

S14、根据压裂前后的相对径向速度剖面之差，得到近井筒压裂缝高度。

在本发明实施例中，S12中，对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理的计算公式为：

Δv′_p＝(v_p0-v_pd)/v_p0×100％；

式中，v_p0表示原状地层纵波速度，v_pd表示绝对速度剖面上某一径向深度处的纵波速度，Δv′_p表示相对速度变化。

在本发明实施例中，S2包括以下子步骤：

S21、构建岩石力学数学模型，并采用位移不连续法求解岩石力学数学模型；

S22、构建非线性流体力学模型，并采用有限差分法求解非线性流体力学模型；

S23、对求解后的岩石力学数学模型和非线性流体力学模型进行耦合，得到耦合模型；

S24、利用近井筒压裂缝高度进行约束，并根据耦合模型进行压裂裂缝体积扩展；

S25、在进行压裂裂缝体积扩展后得到的压力与实际压力之间的差值最小时，得到压裂裂缝体积扩展形态。

在本发明实施例中，计算声波传播到阵列声波单极全波中第一个接收器的走时，将其定义为参考走时TT_rf，公式如下：

其中，v(z)为阵列声波处理提取的地层纵波声速曲线；积分上下限分别为声源s和第一个接收器R1的深度位置；TTf为纵波在井中流体的传播时间。

将参考走时与实测走时进行比较，对于v(z)没有径向变化的地层，参考走时与实测走时一致。当声速沿径向增加时，实测走时是射线由浅到深进入地层后再折射回来的时间，由于v(z)为最大穿透深度的速度，因此，由上述公式计算出的参考走时比实测走时要小，即实测走时滞后于参考走时。为了将近井壁地层纵波速度变化更直观地展示出来，建立速度模型，通过不断更新速度模型，使得参考走时与实测走时重合或者相接近，此时的速度模型就是要求取的绝对速度剖面。

在本发明实施例中，S21中，采用位移不连续法求解岩石力学数学模型的计算公式为：

式中，表示单元i的法向应力，表示单元i的切向应力，表示法向位移不连续，表示剪切方向位移不连续，G^ij表示三维校正因子，表示在平面应变条件下由于单元j上剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元素i处由于单元j开口位移不连续引起的法向应力，表示在平面应变条件下由于单元j上的剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元i出由于单元j开口位移不连续引起的剪切应力，N表示法向方向。

三维校正因子G^ij的计算公式为：

其中，d_ij表示单元i和单元j的中心之间的距离，h表示裂缝高度，α和β是根据经验确定的常数。

在本发明实施例中，S24中，裂缝扩展是长度逐渐增加的过程，在每一个时间步，流体被注入到裂缝中，增加裂缝内部的压力、裂缝宽度和扩展前的应力强度因子。当裂缝尖端的强度因子达到材料强度的临界点时，裂缝前端会向前移动一定的距离。在这个扩展过程中，需要确定裂缝扩展的临界条件、扩展方向和扩展速度。当裂缝发生扩展时，需要确定扩展方向。当裂缝扩展方向为非平面时，扩展通常由开口模式和剪切模式载荷控制。进行压裂裂缝体积扩展的计算公式为：

式中，K_Ⅰ表示扩展模式为开口的应力强度因子，K_Ⅱ表示扩展模式为剪切的应力强度因子，θ表示原点位于裂缝剪短的极坐标系中的偏转角度。

在本发明实施例中，当K_I>0且K_II＝0时，平面裂缝的扩展应沿着θ＝0°进行。当K_I＝0且K_II≠0时，会出现纯剪切模式，其结果是沿着θ＝±70.5°出现了最大弯曲断裂方向。扩展模式为开口的应力强度因子K_Ⅰ的计算公式为：

式中，E表示杨氏模量，D_n表示法向位移不连续，v表示泊松比，a表示平面元素长度的一半；

扩展模式为剪切的应力强度因子K_Ⅱ的计算公式为：

式中，D_s表示剪切方向位移不连续。

在本发明实施例中，S24中，由于压裂液为非牛顿流体，因此裂缝扩展过程中应考虑裂缝内流体的流动。对于单个裂缝的传播，只需要考虑裂缝内的流体流动。对于多条裂缝，需要考虑裂缝内流体流动、水平井筒中流体流动，以及所有裂缝总物质守衡。整个流体流动系统必须满足物质守恒，即注入期间泵送的流体总体积等于在多个裂缝中保留的流体体积和滤失到周围多孔介质中的体积。进行压裂裂缝体积扩展时的整体物质平衡表达式为：

式中，N_f表示裂缝数，L_i(t)表示当时第i个裂缝的总裂缝长度，q_l(s,t)表示裂缝单位长度的体积损失率，h表示裂缝高度，w表示裂缝宽度，Q_T(t)表示裂缝扩展时间内流量总和，s表示沿裂缝的距离，t表示沿裂缝的距离所用的时间。

通过具体实施例对本发明的储层压裂缝改造效果评价方法作进一步说明。

图2是海上压裂井X1井压裂裂缝体积扩展模型准确性验证成果图，根据实际压裂施工数据拟合，本井利用压裂裂缝体积扩展模型计算所得井底压力与实际井底压力曲线吻合良好，说明模型准确性较高，能够反映真实压裂情况。结合远井压裂缝形态和井眼轨迹等信息，形成多尺度耦合的压裂裂缝改造形态三维成像，如图3所示，模拟得到三簇裂缝平均缝高约10.62m，平均缝宽3.85mm，能够实现有效支撑裂缝，裂缝平均半缝长约153.76m，造缝效率较高，说明裂缝在地层的水平延伸较好，裂缝平均导流能力较高，约为782.59mD.m，说明能够良好动用储层，整体来看，本井压裂效果较好。本井压前无产能，压裂后日产油19.5方/天，气1589方/天。结合求产信息，进一步验证了上述方法对压裂效果的评价，最终说明了本发明提出的一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法的正确性及有效性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S2、根据压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据，确定近井筒压裂缝高度；

S3、根据近井筒压裂缝高度，进行压裂裂缝体积扩展，得到压裂裂缝体积扩展形态。

2.根据权利要求1所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S1包括以下子步骤：

S11、获取压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据；

S12、对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理，得到压裂前的地层纵波相对径向速度剖面和压裂后的地层纵波相对径向速度剖面；

S13、将压裂后的地层纵波相对径向速度剖面与压裂前的地层纵波相对径向速度剖面之间的差值作为压裂前后的相对径向速度剖面之差；

S14、根据压裂前后的相对径向速度剖面之差，得到近井筒压裂缝高度。

3.根据权利要求2所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S12中，对压裂前的阵列声波测井数据和压裂后的阵列声波测井数据进行处理的计算公式为：

Δv′_p＝(v_p0-v_pd)/v_p0×100％；

式中，v_p0表示原状地层纵波速度，v_pd表示绝对速度剖面上某一径向深度处的纵波速度，Δv′_p表示相对速度变化。

4.根据权利要求1所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S2包括以下子步骤：

S21、构建岩石力学数学模型，并采用位移不连续法求解岩石力学数学模型；

S22、构建非线性流体力学模型，并采用有限差分法求解非线性流体力学模型；

S23、对求解后的岩石力学数学模型和非线性流体力学模型进行耦合，得到耦合模型；

S24、利用近井筒压裂缝高度进行约束，并根据耦合模型进行压裂裂缝体积扩展；

S25、在进行压裂裂缝体积扩展后得到的压力与实际压力之间的差值最小时，得到压裂裂缝体积扩展形态。

5.根据权利要求4所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S21中，采用位移不连续法求解岩石力学数学模型的计算公式为：

式中，表示单元i的法向应力，表示单元i的切向应力，表示法向位移不连续，表示剪切方向位移不连续，G^ij表示三维校正因子，表示在平面应变条件下由于单元j上剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元素i处由于单元j开口位移不连续引起的法向应力，表示在平面应变条件下由于单元j上的剪切位移不连续而在单元i上产生的正应力影响的弹性影响系数矩阵，表示单元i出由于单元j开口位移不连续引起的剪切应力，N表示法向方向。

6.根据权利要求4所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S24中，进行压裂裂缝体积扩展的计算公式为：

式中，K_Ⅰ表示扩展模式为开口的应力强度因子，K_Ⅱ表示扩展模式为剪切的应力强度因子，θ表示原点位于裂缝剪短的极坐标系中的偏转角度。

7.根据权利要求6所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述扩展模式为开口的应力强度因子K_Ⅰ的计算公式为：

式中，E表示杨氏模量，D_n表示法向位移不连续，v表示泊松比，a表示平面元素长度的一半；

所述扩展模式为剪切的应力强度因子K_Ⅱ的计算公式为：

式中，D_s表示剪切方向位移不连续。

8.根据权利要求4所述的多尺度耦合的储层压裂缝改造效果评价方法，其特征在于，所述S24中，进行压裂裂缝体积扩展时的整体物质平衡表达式为：

式中，N_f表示裂缝数，L_i(t)表示当时第i个裂缝的总裂缝长度，q_l(s,t)表示裂缝单位长度的体积损失率，h表示裂缝高度，w表示裂缝宽度，Q_T(t)表示裂缝扩展时间内流量总和，s表示沿裂缝的距离，t表示沿裂缝的距离所用的时间。