本發(fā)明涉及水平井分段多簇壓裂儲(chǔ)層改造技術(shù)，具體涉及水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

水平井分段多簇壓裂技術(shù)是開發(fā)非常規(guī)低滲透儲(chǔ)層的有效手段，這種技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人工裂縫與天然裂縫的溝通，還能夠利用誘導(dǎo)應(yīng)力促使應(yīng)力轉(zhuǎn)向產(chǎn)生轉(zhuǎn)向分支裂縫，在儲(chǔ)層中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，使得任意方向基質(zhì)中的油氣向裂縫的滲流距離“最短”，極大地提高儲(chǔ)集層的整體滲透率以及油氣井的產(chǎn)能和最終采收率。

分段多簇壓裂過程中，由于巖石物性、原地應(yīng)力的差異以及先壓裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的影響，各個(gè)射孔簇處的破裂壓力各不相同，同一壓裂段內(nèi)的各射孔簇很難同時(shí)起裂。而且一旦部分射孔簇率先起裂，還會(huì)在未起裂的射孔簇處產(chǎn)生額外的誘導(dǎo)應(yīng)力，進(jìn)一步增大未起裂射孔簇處的破裂壓力，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)未起裂射孔簇會(huì)更加難以起裂，最終導(dǎo)致壓裂簇失效。miller等人對(duì)100多口頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析也證明了大約有三分之一的射孔簇由于未能起裂而對(duì)產(chǎn)能無(wú)貢獻(xiàn)的現(xiàn)象。分段多簇壓裂過程中，各簇起裂的最好時(shí)機(jī)是在施工初期，此時(shí)通過快速提高施工排量，根據(jù)限流法壓裂的基本原理，利用射孔孔眼的節(jié)流摩阻作用提高井底壓力，短時(shí)間內(nèi)依次壓開未破裂的射孔簇，從而實(shí)現(xiàn)多簇裂縫的有效起裂和擴(kuò)展。

水平井分段多簇壓裂各射孔簇處破裂壓力的確定是限流法壓裂射孔孔眼設(shè)計(jì)以及施工參數(shù)確定的基本依據(jù)，多名學(xué)者分別建立了考慮誘導(dǎo)應(yīng)力影響的水平井射孔簇破裂壓力計(jì)算模型，為水平井分段壓裂設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)。但是這些研究均認(rèn)為待壓裂段射孔簇處受到的誘導(dǎo)應(yīng)力為之前所有先壓裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，這種應(yīng)力疊加原理適用于水平井分段單簇壓裂的工況，即單個(gè)壓裂段內(nèi)只有一條裂縫，壓裂過程中各條裂縫先后依次擴(kuò)展形成，這一工況過程與水平井分段多簇壓裂存在較大區(qū)別。分段多簇壓裂時(shí)同一壓裂段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步擴(kuò)展延伸，其在周圍地層中產(chǎn)生的總誘導(dǎo)應(yīng)力并不是各條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，其原因在于：

1、分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)存在應(yīng)力阻隔效應(yīng)

水平井分段多簇壓裂時(shí)，假設(shè)每段內(nèi)各射孔簇處形成尺寸相同且均與井筒垂直的平行裂縫。以第n段3簇壓裂為例，壓裂過程中3個(gè)射孔簇處的裂縫n1、n2、n3同步平行擴(kuò)展延伸，如圖1所示。

在第n段壓裂過程中，由于n1、n2、n33條裂縫同步擴(kuò)展延伸，裂縫n2、n3受到裂縫n1的阻隔，其所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力并不能傳遞到a點(diǎn)，即第n段壓裂過程中a點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是由裂縫n1產(chǎn)生的，而不是n1、n2、n33條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加；n3裂縫受到n2裂縫的阻隔也不會(huì)對(duì)n1、n2裂縫之間的b點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，b點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是n1、n2兩條裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，而與裂縫n3無(wú)關(guān)；同理n1、n2裂縫受到n3裂縫的阻隔也不會(huì)對(duì)c點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，c點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力是由裂縫n3產(chǎn)生的。分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)，各條裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力受到其他裂縫的阻擋會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力阻隔效應(yīng)，第n段壓裂過程中段內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力是與其相鄰裂縫引起的：段內(nèi)縫外靠近上一壓裂段的誘導(dǎo)應(yīng)力由第一個(gè)射孔簇處的裂縫產(chǎn)生；段內(nèi)縫間的誘導(dǎo)應(yīng)力由與其相鄰的兩個(gè)射孔簇處裂縫疊加形成；段內(nèi)縫外靠近下一壓裂段的誘導(dǎo)應(yīng)力由最后一個(gè)射孔簇處的裂縫產(chǎn)生。由此可知，第n段壓裂之前段內(nèi)各點(diǎn)受到的誘導(dǎo)應(yīng)力為之前各段最后一個(gè)射孔簇處裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加。

2、分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)存在應(yīng)力干擾效應(yīng)

第n段壓裂過程中，由于之前n-1段壓裂所形成的裂縫已經(jīng)在本段裂縫處產(chǎn)生了誘導(dǎo)應(yīng)力，該誘導(dǎo)應(yīng)力增大了最小水平地應(yīng)力，增大的最小水平地應(yīng)力抵消了一部分裂縫內(nèi)的原始凈壓力，使得實(shí)際凈壓力減小。因此第n段壓裂裂縫內(nèi)的實(shí)際凈壓力并不是原始凈壓力，而是應(yīng)該減去之前n-1段壓裂在該段裂縫處所形成的最小水平地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力，定義該實(shí)際凈壓力為有效凈壓力。水平井分段多簇壓裂要考慮之前n-1段壓裂對(duì)裂縫處產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力對(duì)其有效凈壓力的影響，重新計(jì)算各條裂縫內(nèi)的有效凈壓力以及由此引起的誘導(dǎo)應(yīng)力。

由于水平井分段多簇壓裂段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步擴(kuò)展延伸時(shí)存在應(yīng)力阻隔效應(yīng)和應(yīng)力干擾效應(yīng)，待壓段各射孔簇處受到的誘導(dǎo)應(yīng)力并不是各條裂縫在該點(diǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加，現(xiàn)有的水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力的計(jì)算方法并不適用于分段多簇壓裂的工況。目前尚未有人提出符合水平井分段多簇壓裂工況的考慮多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力阻隔和應(yīng)力干擾效應(yīng)以及由此引起的縫內(nèi)有效凈壓力變化的射孔簇破裂壓力計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力計(jì)算方法，這種水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力計(jì)算方法用于解決目前的破裂壓力計(jì)算方法未考慮多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力阻隔和應(yīng)力干擾效應(yīng)以及由此引起的縫內(nèi)有效凈壓力的變化而與實(shí)際壓裂工況不相符的問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：這種水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力計(jì)算方法：

步驟一、收集計(jì)算所需的基本參數(shù)，包括泊松比、原地應(yīng)力、裂縫高度、原始凈壓力、壓裂段、射孔簇的位置；

步驟二、計(jì)算第n壓裂段最后一個(gè)射孔簇處裂縫相對(duì)于第n+1壓裂段地層的有效凈壓力：

式中：為第n壓裂段內(nèi)最后一條裂縫相對(duì)于第n+1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；pnet為原始裂縫凈壓力，mpa；為第i壓裂段內(nèi)的最后一條裂縫對(duì)第n壓裂段最后一條裂縫產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力方向誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；

其中

式中：為第i壓裂段內(nèi)最后一條裂縫對(duì)第i+1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；l為第i壓裂段內(nèi)最后一條裂縫到第n壓裂段最后一條裂縫的水平距離，m；c為裂縫半高，m；v為巖石泊松比；

步驟三、計(jì)算第n+1壓裂段地層受到的總誘導(dǎo)應(yīng)力：

第i壓裂段在第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力為：

式中：和為第i壓裂段內(nèi)的最后一條裂縫對(duì)第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力、垂向地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；

第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的總誘導(dǎo)應(yīng)力為：

式中：σ″x、σ″y和σ″z分別為第n+1壓裂段地層受到的最小水平地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力和垂向地應(yīng)力方向的總誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；

步驟四、計(jì)算第n+1壓裂段各射孔簇的破裂壓力：

射孔方位沿垂向地應(yīng)力時(shí)，各射孔簇的破裂壓力為：

其中

射孔方位沿最大水平地應(yīng)力時(shí)，各射孔簇處的破裂壓力為：

式中：v為泊松比；σv為垂向地應(yīng)力，mpa；σh為最大水平地應(yīng)力，mpa；σh為最小水平地應(yīng)力，mpa；pp為地層壓力，mpa；σt為巖石抗張強(qiáng)度，mpa；δ為滲透性系數(shù)，地層可滲透時(shí)δ＝1,地層不可滲透時(shí)δ＝0；為巖石的孔隙度；α為biot系數(shù)；

第n+1壓裂段各射孔簇的破裂壓力為二者之間的最小值，即pf＝min(pf0,pf90)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明考慮了水平井分段多簇壓裂段內(nèi)多條裂縫同步擴(kuò)展時(shí)裂縫間的應(yīng)力阻隔效應(yīng)和應(yīng)力干擾效應(yīng)，更為符合分段多簇壓裂的實(shí)際工況。

2、根據(jù)本發(fā)明得出的分段多簇壓裂同一壓裂段內(nèi)不同射孔簇的破裂壓力，可以為限流法壓裂設(shè)計(jì)提供最基本的依據(jù)，確保同一壓力段內(nèi)多個(gè)射孔簇處的裂縫同步起裂擴(kuò)展。

3、根據(jù)本發(fā)明可以計(jì)算沿水平段內(nèi)不同位置處的射孔簇破裂壓力，從而為射孔簇位置及壓裂段設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。

4、根據(jù)本發(fā)明得出的分段多簇壓裂同一壓裂段內(nèi)不同射孔簇的破裂壓力，可以作為射孔簇是否起裂的判別標(biāo)準(zhǔn)，從而壓裂施工參數(shù)改進(jìn)提供依據(jù)；

5、根據(jù)本發(fā)明得出的分段多簇壓裂同一壓裂段內(nèi)不同射孔簇的破裂壓力，可以作為段內(nèi)多條裂縫流量分配的依據(jù)，從而進(jìn)一步指導(dǎo)水力裂縫的模擬分析及壓后產(chǎn)能的準(zhǔn)確計(jì)算。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：

這種水平井分段多簇壓裂各射孔簇破裂壓力計(jì)算方法：

步驟一、收集計(jì)算所需的基本參數(shù)，包括泊松比、原地應(yīng)力、裂縫高度、原始凈壓力、壓裂段和射孔簇的位置等參數(shù)；

步驟二、計(jì)算第n壓裂段最后一個(gè)射孔簇處裂縫相對(duì)于第n+1壓裂段地層的有效凈壓力：

式中：為第n壓裂段內(nèi)最后一條裂縫相對(duì)于第n+1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；pnet為原始裂縫凈壓力，mpa；為第i段壓裂內(nèi)的最后一條裂縫對(duì)第n壓裂段最后一條裂縫產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力方向誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa，第i壓裂段是指自第n-1壓裂段至第一壓裂段中的任意一個(gè)壓裂段。

其中

式中：為第i壓裂段內(nèi)最后一條裂縫對(duì)第i+1壓裂段地層的有效凈壓力，mpa；l為第i壓裂段內(nèi)最后一條裂縫到第n壓裂段最后一條裂縫的水平距離，m；c為裂縫半高，m；v為巖石泊松比；

步驟三、計(jì)算第n+1壓裂段地層受到的總誘導(dǎo)應(yīng)力：

第i壓裂段在第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力為：

式中：和為第i壓裂段內(nèi)的最后一條裂縫對(duì)第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的最小水平地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力、垂向地應(yīng)力方向的誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；

第n+1壓裂段地層產(chǎn)生的總誘導(dǎo)應(yīng)力為：

式中：σ″x、σ″y和σ″z分別為第n+1壓裂段地層受到的最小水平地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力和垂向地應(yīng)力方向的總誘導(dǎo)應(yīng)力，mpa；

步驟四、計(jì)算第n+1壓裂段各射孔簇的破裂壓力：

射孔方位沿垂向地應(yīng)力時(shí)，各射孔簇處的破裂壓力為：

其中

射孔方位沿最大水平地應(yīng)力時(shí)，各射孔簇處的破裂壓力為：

式中：v為泊松比；σv為垂向地應(yīng)力，mpa；σh為最大水平地應(yīng)力，mpa；σh為最小水平地應(yīng)力，mpa；pp為地層壓力，mpa；σt為巖石抗張強(qiáng)度，mpa；δ為滲透性系數(shù)，地層可滲透時(shí)δ＝1,地層不可滲透時(shí)δ＝0；為巖石的孔隙度；α為biot系數(shù)；

第n+1壓裂段各射孔簇的破裂壓力為二者之間的最小值，即pf＝min(pf0,pf90)。