一种射孔井地层破裂压力预测方法及施工参数优化设计方法

1.本发明涉及石油工程油气田开发领域，特别涉及一种射孔井地层破裂压力预测方法及施工参数优化设计方法。

背景技术：

2.水力压裂技术是目前油气田现场最重要的一种油气增产技术，该技术是利用地面高压泵组通过井筒向储层注入压裂液，当注入的压裂液在井底憋压超过井底附近储层岩石的地层破裂压力时，油气层将被压开并产生裂缝，进一步利用液体的水力劈裂作用使得裂缝延伸并充填以支撑剂，最终在储层形成高导流能力的填砂裂缝。
3.对于水力压裂技术而言，首先要分析的就是水力裂缝起裂时的地层破裂压力大小。地层破裂压力的数值直接关系到水力压裂施工排量的设计和套管安全强度的评估，预测地层破裂压力的大小对于水力压裂施工参数的设计和施工方案的优化至关重要。射孔完井方法自问世以来，被油田现场大规模推广应用，目前全世界90％以上的油气井都采用了射孔的完井方式。相对于裸眼井筒，射孔孔眼周围的应力场状态极为复杂，目前地层破裂压力预测方法仅仅是针对裸眼井筒，关于应用范围更广泛的射孔井地层破裂压力预测方法却鲜有报道，这就大大限制了油田现场工程师对射孔井地层破裂压力的准确评估，进而影响了水力压裂施工方案的优化设计，使得油气田现场水力压裂失败率和事故风险率大幅提升。

技术实现要素：

4.为了解决射孔井水力压裂地层破裂压力难以预测的难题，本发明提供了一种射孔井地层破裂压力预测方法及施工参数优化设计方法，利用本发明的方法可以准确预测任意射孔角度射孔垂直井和射孔水平井的地层破裂压力，进而对射孔参数和套管的类型进行优化设计。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种射孔井地层破裂压力预测方法，包括如下过程：
7.利用地应力场参数和井眼轴线基本参数计算井筒周围远场地应力场的分量；
8.利用套管参数和储层基本参数计算传递因子；
9.利用渗流控制参数判识储层的可渗透性，储层的可渗透性包括储层为可渗透性储层或为不可渗透储层；
10.利用储层可渗透性的判识结果，选择合适的地层破裂压力公式，利用所述井筒周围远场地应力场的分量和传递因子tf预测射孔孔眼地层破裂压力的大小。
11.优选的，所述地应力场参数包括垂向主应力σv、最大水平主应力σh和最小水平主应力σh；
12.所述井眼轴线基本参数包括井斜角ψ和方位角ω；
13.井筒周围远场地应力场的分量包括笛卡尔坐标系下的σ
x
、σy、σz、τ
yz
、τ
xz
和τ
xy
；
14.其中，σ
x
为x方向应力分量；σy为y方向应力分量；σz为z方向应力分量；τ
yz
为所在平面外法线为y方向，应力方向平行z方向的剪应力分量；τ
xz
为所在平面外法线为x方向，应力方向平行z方向的剪应力分量；τ
xy
为所在平面外法线为x方向，应力方向平行y方向的剪应力分量。
15.优选的，所述井筒周围远场地应力场的分量计算式如下：
[0016][0017]
优选的，所述套管参数包括套管的杨氏模量es、泊松比νs、强度σ
st
、井筒轴线到套管外边界的半径ro以及井筒轴线到套管内边界的半径ri；
[0018]
储层基本参数包括储层岩石的泊松比ν和杨氏模量e。
[0019]
优选的，所述的传递因子tf的计算式如下：
[0020][0021]
优选的，所述渗流控制参数包括岩石渗透率k和压裂液粘度μ；
[0022]
利用渗流控制参数判识储层的可渗透性时：
[0023]
判识公式为：g＝k/μ，其中，渗透率k的单位是md，压裂液粘度μ的单位是mpa
·
s；
[0024]
当g大于等于0.1时，储层判识为可渗透性储层；当g小于0.1时，储层判识为不可渗透储层。
[0025]
优选的，对于储层为不可渗透储层，射孔孔眼地层破裂压力计算式如下：
[0026][0027][0028]
其中，p
wf
为射孔孔眼地层破裂压力，σ
x
为笛卡尔坐标系下x方向应力分量，σy为笛卡尔坐标系下y方向应力分量，σz为笛卡尔坐标系下z方向应力分量，po为储层初始孔隙压力，σ
t
为储层岩石的抗拉强度，θ为射孔角度，ν为储层岩石的泊松比，tf为传递因子；
[0029]
预测不可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时，将对应的参数带入公式(1)和公式(2)计算得到四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
，通过比较这四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
得到地层破裂压力的最小值p
wf-min
，将地层破裂压力的最小值p
wf-min
作为不可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值；
[0030]
如果最小射孔孔眼地层破裂压力p
wf-min
属于公式(1)则说明水力压裂裂缝在射孔尖端起裂；如果最小射孔孔眼地层破裂压力p
wf-min
属于公式(2)则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。
[0031]
优选的，对于储层为可渗透储层，射孔孔眼地层破裂压力计算式如下：
[0032][0033][0034]
其中，p
wf
为射孔孔眼地层破裂压力，σ
x
为笛卡尔坐标系下x方向应力分量，σy为笛卡尔坐标系下y方向应力分量，σz为笛卡尔坐标系下z方向应力分量，θ为射孔角度，σ
t
为储层岩石的抗拉强度，ν为储层岩石的泊松比，α为储层岩石的biot有效应力系数，po为储层初始孔隙压力，tf为传递因子；
[0035]
预测可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时，将对应的参数带入公式(3)和公式(4)计算得到的四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
，通过比较四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
得到射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
，射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
作为可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值；
[0036]
如果射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
属于公式(3)，则说明水力压裂裂缝在射孔尖端起裂；如果射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
属于公式(4)，则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。
[0037]
优选的，射孔孔眼之间的间距r满足r≥5ra的条件，其中，ra为射孔孔眼的半径。
[0038]
本发明还提供了一种射孔井地层破裂施工参数优化设计方法，包括如下过程：
[0039]
利用本发明如上所述的射孔井地层破裂压力预测方法判识裂缝起裂的位置以及射孔孔眼地层破裂压力，判断射孔孔眼地层破裂压力是否超过套管的强度，如果裂缝起裂的位置在射孔的根部或者射孔孔眼地层破裂压力超过套管的强度，则更改套管的参数和射孔角度，重新判识裂缝起裂的位置以及射孔孔眼地层破裂压力，直至裂缝起裂位置在射孔的端部同时射孔孔眼地层破裂压力小于套管的强度。
[0040]
本发明具有如下有益效果：
[0041]
本发明建立了一种可以预测射孔井地层破裂压力的方法，利用该方法可以准确预测螺旋式射孔方式和定向射孔方式的射孔井地层破裂压力，准确判识水力裂缝的起裂位置，从而为水力压裂施工方案的优化设计提供可靠的技术。基于本发明的地层破裂压力预测方法可以实现对套管参数和射孔角度的优化设计，从而为油田工程设计人员准确评估射孔井地层破裂压力提供可靠的手段、大幅降低射孔井水泥环损坏的事故风险率、降低油气开采成本。
附图说明
[0042]
图1本发明射孔井地层破裂压力预测及施工参数优化设计流程图。
[0043]
图2本发明实施例1中某油田长7致密油储层w1井地层破裂压力预测结果与监测结果对比图。
[0044]
图3本发明实施例2中某油田枣园致密油储层y2井地层破裂压力预测结果与监测结果对比图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
[0046]
本发明的原理如下：水力压裂过程中，低粘度压裂液在较高的渗透储层条件下，可能会渗流进入储层岩石孔隙喉道影响地层破裂压力，而高粘度压裂液由于在射孔通道周围会形成滤饼从而阻止压裂液渗流进入储层，因此储层渗透性的不同会影响地层破裂压力的判识。基于此本发明利用地应力场确定射孔孔眼周围的应力状态，进而结合储层渗透性的判识，建立了不同情况下射孔孔眼地层破裂压力预测方法，利用地层破裂压力的预测结果对裂缝的起裂位置进行判断，当水力裂缝在射孔根部起裂时会导致水泥环的失效，因此利用本发明专利的方法不断调整套管和射孔参数最终确保水力裂缝在射孔的尖端起裂，从而实现了对施工参数的优化设计。
[0047]
本发明具体方案如下，参见图1，本发明射孔井地层破裂压力预测方法包括以下步骤：
[0048]
步骤1，基本参数的收集：收集后续预测地层破裂压力所需的基本参数，包括地应力场的三个参数：垂向主应力σv、最大水平主应力σh，最小水平主应力σh；井眼轴线基本参数：井斜角ψ，方位角ω；射孔完井基本参数：射孔角度θ，射孔孔眼之间的间距r，射孔孔眼的半径ra；储层基本参数：储层初始孔隙压力po，储层岩石的泊松比ν和杨氏模量e，储层岩石的抗拉强度σ
t
，储层岩石的biot有效应力系数α；套管参数：套管的杨氏模量es和泊松比νs，套管的强度σ
st
，井筒轴线到套管外边界的半径ro，井筒轴线到套管内边界的半径ri；渗流控制参数：岩石渗透率k，压裂液粘度μ。
[0049]
步骤2，地应力场分量和传递因子tf的计算：利用地应力场的三个参数垂向主应力σv，最大水平主应力σh，最小水平主应力σh以及井眼轴线的基本参数井斜角ψ，方位角ω计算井筒周围远场地应力场的分量σ
x
、σy、σ
zz
、τ
yz
、τ
xz
、τ
xy
。
[0050]
井筒周围地应力场分量的计算式为：
[0051][0052]
利用套管的杨氏模量es和泊松比νs、储层岩石的泊松比ν和杨氏模量e、井筒轴线到套管外边界的半径ro、井筒轴线到套管内边界的半径ri计算传递因子tf；
[0053]
传递因子的计算式为：
[0054]
步骤3，储层可渗透性的判识：结合渗流控制参数储层渗透率和压裂液粘度判识储层的可渗透性，储层渗透性的判识公式为：g＝k/μ，其中渗透率k的单位是md，μ的单位是mpa
·
s。当g大于等于0.1以上时储层判识为可渗透性储层，当g小于0.1时储层判识为不可渗透储层。
[0055]
步骤4，射孔孔眼地层破裂压力的预测：利用储层可渗透性的判识结果，选择合适的地层破裂压力公式，预测射孔孔眼地层破裂压力的大小。
[0056]
其中不可渗透储层地层破裂压力计算式为：
[0057][0058][0059]
预测不可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时将对应的参数带入公式1和2计算得到四个p
wf
值，通过比较得到地层破裂压力的最小值p
wf-min
。p
wf-min
即为不可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值。如果p
wf-min
属于公式1则说明水力压裂裂缝在射孔尖端起裂；如果p
wf-min
属于公式2则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。
[0060]
可渗透性储层地层破裂压力公式为：
[0061][0062][0063]
预测可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时将对应的参数带入公式3和4计算得到的四个p
wf
值，通过比较得到地层破裂压力的最小值p
wf-min
。p
wf-min
即为可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值。如果p
wf-min
属于公式3则说明水力压裂裂缝在射孔尖端起裂；如果p
wf-min
属于公式4则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。
[0064]
步骤4中只有当射孔孔眼之间的间距r≥5ra时，射孔孔眼之间的应力干扰作用才可以忽略，此时地层破裂压力预测的结果才是有效准确的。
[0065]
本发明对施工参数的优化设计过程如下：判识裂缝起裂的位置和地层破裂压力是
否超过套管的强度，如果裂缝起裂的位置在射孔的根部或者地层破裂压力超过了套管的强度，则更改套管的参数和射孔角度，重复本发明射孔井地层破裂压力预测方法中的步骤2、步骤3至步骤4，直至保证裂缝起裂位置在射孔的端部同时地层破裂压力小于套管的强度为止。
[0066]
实施例1：
[0067]
某油田致密油储层w1井采用螺旋式射孔方法进行完井，在水力压裂之前，利用本发明的方法进行了射孔井地层破裂压力的预测，采集的具体参数如下：
[0068]
垂向主应力σv＝85mpa，最大水平主应力σh＝72.5mpa，最小水平主应力σh＝67.5mpa；井眼轴线基本参数：井斜角ψ＝0
°
；射孔方式采用螺旋式射孔，射孔角度间隔为30
°
，射孔孔眼之间间距r＝12cm；射孔孔眼的半径为ra＝2cm；储层基本参数：储层初始孔隙压力po＝30mpa，储层岩石的泊松比ν＝0.25和杨氏模量e＝4.5
×
10^4mpa，储层岩石的抗拉强度σ
t
＝2.5mpa，储层岩石的biot有效应力系数α＝0.8；井筒轴线到套管外边界的半径ro＝12.2cm，井筒轴线到套管内边界的半径ri＝10.2cm；渗流控制参数：岩石渗透率k＝1.2md，压裂液粘度μ＝15mpa.s。
[0069]
由流体控制参数可知，其g＝0.08小于0.1，因此利用不可渗透储层的地层破裂压力公式对该井不同射孔角度的射孔孔眼的地层破裂压力进行了预测，并对套管的参数进行了优化设计，优化结果为套管的杨氏模量es＝5.0
×
10^5mpa和泊松比νs＝0.3，套管的强度σ
st
＝120mpa。
[0070]
预测结果和油田现场水力压裂施工监测结果对比曲线如图2所示，从图2可以看出，本发明预测的地层破裂压力结果和油田现场水力压裂施工监测结果基本一致，误差不超过2.2％，从而验证了本发明方法的正确性。
[0071]
实施例2
[0072]
某油田枣园致密油储层y2井采用螺旋式射孔方法进行完井，在水力压裂之前，利用本发明的方法进行了射孔井地层破裂压力的预测，采集的具体参数如下：
[0073]
垂向主应力σv＝82.5mpa，最大水平主应力σh＝71.6mpa，最小水平主应力σh＝65.4mpa；井眼轴线基本参数：井斜角ψ＝0
°
；射孔方式采用螺旋式射孔，射孔角度间隔为30
°
，射孔孔眼之间间距r＝11.5cm；射孔孔眼的半径为ra＝1.8cm；储层基本参数：储层初始孔隙压力po＝31.0mpa，储层岩石的泊松比ν＝0.22和杨氏模量e＝3.2
×
10^4mpa，储层岩石的抗拉强度σ
t
＝5.8mpa，储层岩石的biot有效应力系数α＝0.65；井筒轴线到套管外边界的半径ro＝13.2cm，井筒轴线到套管内边界的半径ri＝10.7cm；渗流控制参数：岩石渗透率k＝10.5md，压裂液粘度μ＝1mpa.s。
[0074]
由流体控制参数可知，其g＝10.5大于0.1，因此利用可渗透储层的地层破裂压力公式对该井不同射孔角度的射孔孔眼的地层破裂压力进行了预测，并对套管的参数进行了优化设计，优化结果为套管的杨氏模量es＝5.8
×
10^5mpa和泊松比νs＝0.28，套管的强度σ
st
＝105mpa。
[0075]
预测结果和油田现场水力压裂施工监测结果对比曲线如图3所示，从图3可以看出，本发明预测的地层破裂压力结果和油田现场水力压裂施工监测结果基本一致，误差不超过1.8％，从而验证了本发明专利方法的正确性。

技术特征：

1.一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，包括如下过程：利用地应力场参数和井眼轴线基本参数计算井筒周围远场地应力场的分量；利用套管参数和储层基本参数计算传递因子；利用渗流控制参数判识储层的可渗透性，储层的可渗透性包括储层为可渗透性储层或为不可渗透储层；利用储层可渗透性的判识结果，选择合适的地层破裂压力公式，利用所述井筒周围远场地应力场的分量和传递因子tf预测射孔孔眼地层破裂压力的大小。2.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述地应力场参数包括垂向主应力σ
v
、最大水平主应力σ
h
和最小水平主应力σ
h
；所述井眼轴线基本参数包括井斜角ψ和方位角ω；井筒周围远场地应力场的分量包括笛卡尔坐标系下的σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
yz
、τ
xz
和τ
xy
；其中，σ
x
为x方向应力分量；σ
y
为y方向应力分量；σ
z
为z方向应力分量；τ
yz
为所在平面外法线为y方向，应力方向平行z方向的剪应力分量；τ
xz
为所在平面外法线为x方向，应力方向平行z方向的剪应力分量；τ
xy
为所在平面外法线为x方向，应力方向平行y方向的剪应力分量。3.根据权利要求2所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述井筒周围远场地应力场的分量计算式如下：4.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述套管参数包括套管的杨氏模量e
s
、泊松比ν
s
、强度σ
st
、井筒轴线到套管外边界的半径r
o
以及井筒轴线到套管内边界的半径r
i
；储层基本参数包括储层岩石的泊松比ν和杨氏模量e。5.根据权利要求4所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述的传递因子tf的计算式如下：6.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，所述渗流控制参数包括岩石渗透率k和压裂液粘度μ；利用渗流控制参数判识储层的可渗透性时：判识公式为：g＝k/μ，其中，渗透率k的单位是md，压裂液粘度μ的单位是mpa
·
s；当g大于等于0.1时，储层判识为可渗透性储层；当g小于0.1时，储层判识为不可渗透储
层。7.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，对于储层为不可渗透储层，射孔孔眼地层破裂压力计算式如下：孔孔眼地层破裂压力计算式如下：其中，p
wf
为射孔孔眼地层破裂压力，σ
x
为笛卡尔坐标系下x方向应力分量，σ
y
为笛卡尔坐标系下y方向应力分量，σ
z
为笛卡尔坐标系下z方向应力分量，p
o
为储层初始孔隙压力，σ
t
为储层岩石的抗拉强度，θ为射孔角度，ν为储层岩石的泊松比，tf为传递因子；预测不可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时，将对应的参数带入公式(1)和公式(2)计算得到四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
，通过比较这四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
得到地层破裂压力的最小值p
wf-min
，将地层破裂压力的最小值p
wf-min
作为不可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值；如果最小射孔孔眼地层破裂压力p
wf-min
属于公式(1)则说明水力压裂裂缝在射孔尖端起裂；如果最小射孔孔眼地层破裂压力p
wf-min
属于公式(2)则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。8.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，对于储层为可渗透储层，射孔孔眼地层破裂压力计算式如下：孔孔眼地层破裂压力计算式如下：其中，p
wf
为射孔孔眼地层破裂压力，σ
x
为笛卡尔坐标系下x方向应力分量，σ
y
为笛卡尔坐标系下y方向应力分量，σ
z
为笛卡尔坐标系下z方向应力分量，θ为射孔角度，σ
t
为储层岩石的抗拉强度，ν为储层岩石的泊松比，α为储层岩石的biot有效应力系数，p
o
为储层初始孔隙压力，tf为传递因子；预测可渗透储层射孔孔眼的地层破裂压力时，将对应的参数带入公式(3)和公式(4)计算得到的四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
，通过比较四个射孔孔眼地层破裂压力p
wf
得到射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
，射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
作为可渗透储层条件下射孔孔眼地层破裂压力的预测值；如果射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
属于公式(3)，则说明水力压裂裂缝在射孔
尖端起裂；如果射孔孔眼地层破裂压力的最小值p
wf-min
属于公式(4)，则说明水力压裂裂缝在射孔跟部起裂。9.根据权利要求1所述的一种射孔井地层破裂压力预测方法，其特征在于，射孔孔眼之间的间距r满足r≥5r
a
的条件，其中，r
a
为射孔孔眼的半径。10.一种射孔井地层破裂施工参数优化设计方法，其特征在于，包括如下过程：利用权利要求1-9任意一项所述的射孔井地层破裂压力预测方法判识裂缝起裂的位置以及射孔孔眼地层破裂压力，判断射孔孔眼地层破裂压力是否超过套管的强度，如果裂缝起裂的位置在射孔的根部或者射孔孔眼地层破裂压力超过套管的强度，则更改套管的参数和射孔角度，重新判识裂缝起裂的位置以及射孔孔眼地层破裂压力，直至裂缝起裂位置在射孔的端部同时射孔孔眼地层破裂压力小于套管的强度。

技术总结

本发明公开了一种射孔井地层破裂压力预测方法及施工参数优化设计方法，预测方法，包括如下过程：利用地应力场参数和井眼轴线基本参数计算井筒周围远场地应力场的分量；利用套管参数和储层基本参数计算传递因子；利用渗流控制参数判识储层的可渗透性，储层的可渗透性包括储层为可渗透性储层或为不可渗透储层；利用储层可渗透性的判识结果，选择合适的地层破裂压力公式，利用所述井筒周围远场地应力场的分量和传递因子TF预测射孔孔眼地层破裂压力的大小。利用射孔孔眼地层破裂压力的大小能够对施工参数进行调整和优化。利用本发明的方法可以准确预测任意射孔角度射孔垂直井和射孔水平井的地层破裂压力，进而对射孔参数和套管的类型进行优化设计。的类型进行优化设计。的类型进行优化设计。