[发明专利]一种页岩水压裂缝扩展预测方法

说明书

本发明涉及岩石破裂预测领域，具体涉及一种页岩水压裂缝扩展预测方法，包括步骤(一)计算斜裂缝在外界应力和水压力作用下的法向、切向应力和有效应力。(二)根据裂缝类型获得应变能密度函数、(三)根据应变能密度函数得到应变能密度因子、(四)根据应变能密度准则判断裂缝扩展方向和扩展角。(五)通过数值模拟获得层理、天然裂缝等对水压裂分扩展方向的影响，从而对页岩水力压力作用下的裂缝扩展进行预测。该预测方法基于断裂力学，引入水力条件因子，通过研究裂缝扩展方向和水力大小的关系，并采用扩展有限元法，得到不同层理方向对页岩水力压裂裂缝扩展方向的影响，从而实现对水压裂缝扩展的精确预测，得到较高的预测准确率。

技术领域

本发明涉及岩石破裂预测领域，特别涉及一种页岩水压裂缝扩展预测方法。

背景技术

水力压裂技术首次被用于气井生产是在1947年，随后，这一技术在经历了其发展过程中的三个重要阶段后，该技术到如今已经广泛地应用在石油工业中。水力压裂就是利用地面高压泵，通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，则在井底油层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层将被压开并产生裂缝。这时，继续不停地向油层挤注压裂液，裂缝就会继续向油层内部扩张。为了保持压开的裂缝处于张开状态，接着向油层挤入带有支撑剂(通常石英砂)的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不至于闭合。再接着注入顶替液，将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝，用石英砂将裂缝支撑起来。最后，注入的高粘度压裂液会自动降解排出井筒之外，在油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使油层与井筒之间建立起一条新的流体通道。

同时也在更多的未知领域取得了进展，其中包括地下核废料存储、井工矿产采掘、地热开发、地应力测量等领域。水力压裂的其中一个主要研究内容是对裂缝萌生、扩展、演化机理和特征的研究，同时应用最有效的技术来准确地监控水压裂缝的空间扩展形态。但是考虑到实际储层地质条件的复杂性，在分析水力压裂扩展机理时主要是在简化后的地质条件的基础上进行的，并且分析简化条件下的水压裂缝的扩展规律。

水力压裂技术也是页岩气开采的核心技术之一，页岩气储层具有埋藏深、低孔隙度、低渗透率、各向异性明显，页岩层理和天然裂缝极发育等特点，使得页岩气储层压裂改造时裂缝扩展状态难以控制和估计。现有技术中，主要从断裂力学理论和数值模拟方面进行页岩水压裂缝扩展方向研究，裂缝的传播方向可由最大周向应力理论，应变能的理论，临界能量释放率理论获得。

但是，对于水压裂缝来说，上述方法均没有考虑水力压裂等因素，水力条件、天然裂缝、页岩不均匀性对水力压裂缝扩展方向影响较大，传统的水压裂缝预测方法存在容易出错而且精确率较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中采用断裂力学理论和数值模拟方面进行页岩水压裂缝扩展方向研究时，通过在简化后的地质条件的基础上进行研究存在精确率较低，甚至容易发生预测错误的问题，提供一种页岩水压裂缝扩展预测方法，该预测方法基于断裂力学，引入水力条件因子，通过研究裂缝扩展方向和水力大小的关系，并采用扩展有限元法，得到不同页岩层理方向对页岩水力压裂裂缝扩展方向的影响，从而实现对水压裂缝扩展的精确预测，得到较高的预测准确率。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种页岩水压裂缝扩展预测方法，具体包括以下步骤：

a、计算斜裂缝在压应力场下的法向应力和切向应力；

b、计算裂缝面在水压力作用下的法向应力；

c、根据裂缝面类型，获得裂缝的应变能密度函数；

d、设定页岩为弹性体，并根据其受力变形后的应变能密度得到应变能密度因子的表达式；