[发明专利]一种水平井最优钻井轨迹预测方法

摘要

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种水平井最优钻井轨迹预测方法。本发明通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场；通过岩心古地磁定向、成像测井以及阵列声波测井，确定天然裂缝组系以及产状分布；利用岩石三维力学参数场，进行现今应力场模拟；利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率；通过丼区的应力场模拟，模拟确定现今地应力的垂向分布；利用地应力、裂缝以及岩石力学垂向分布建立压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型，预测压裂裂缝扩展方向；本发明结合水平井钻井方位以及水平井的动态资料验证压裂裂缝扩展方向的可靠性，实现不同区块压裂裂缝方向预测与水平井最优钻井轨迹设计。

主权项

1.一种水平井最优钻井轨迹预测方法，预测的步骤如下：1)岩石样品力学实验确定静态力学参数，测井解释确定岩石的动态力学参数，通过动静态岩石力学转换，得到岩石三维力学参数场；首先将单轴压缩实验结果校正到三轴压缩实验条件下的结果，将结果在测井曲线上标定，将标定的动态力学参数与静态力学参数拟合，得到拟合函数，将连续的测井解释结果剖面校正为连续的静态岩石力学剖面，利用高斯序贯算法得到研究区目的层位的三维力学参数场，用于应力场数值模拟及储层裂缝预测；2)通过岩心、野外、薄片、扫描电镜、成像测井以及阵列声波测井，结合岩石周向岩石力学确定共轭裂缝是否两组都发育；进而确定天然裂缝组系以及产状分布；3)利用岩石声发射、阵列声波测井确定水平最大主应力、水平最小主应力的大小；利用井壁崩落、诱导裂缝、压裂裂缝方位、阵列声波测井、岩心声速、差应变以及古地磁实验确定水平最大主应力、水平最小主应力的方向；利用岩石三维力学参数场，通过建立非均质地质力学的有限元模型，进行现今应力场模拟，并通过压裂、测井以及声发射资料验证现今地应力模拟的可靠性；4)利用声发射实验模拟不同时期的古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率Dlf；在有拉张应力存在的状态下，储层裂缝的线密度通过求解如下方程组进行计算：公式(1)‑(2)中，ω_f为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m³；ω为岩石总应变能密度，J/m³；ω_e为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m³；E为杨氏弹性模量，MPa；σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间和最小主应力，MPa；σ_p为岩石破裂应力，MPa；μ为岩石泊松比；C₀为岩石内聚力，MPa；为岩石内摩擦角，°；E₀为与岩性有关的比例系数，无量纲；D_vf为裂缝体密度，m²/m³；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m²；J₀为零围压下的裂缝表面能，J/m²；D_lf为裂缝线密度，条/m；L₁、L₃分别为沿σ₁、σ₃方向的表征单元体长度，m；ε₁、ε₂、ε₃分别为最大、中间和最小主应变，无量纲；ε为当前应力状态下的最大张应变，无量纲；γ为破裂角，°；σ_T为岩石抗拉强度，MPa；在公式(2)中，若(σ₁+3σ₃)＞0，则有γ＝arccos[(σ₁‑σ₃)/2(σ₁+σ₃)]/2，那么取进行计算；若(σ₁+3σ₃)≤0，则有γ＝0，那么裂缝体密度和裂缝线密度相等，D_lf＝D_vf；利用模拟的不同时期古应力场，确定不同时期裂缝的发育概率D_lf，结合岩石周向岩石力学确定的共轭裂缝中每组裂缝的发育概率，进而得到不同时期每组裂缝的发育概率P；5)通过丼区的应力场模拟，确定现今地应力的垂向分布；通过岩心、野外裂缝观测，确定天然裂缝的垂向分层性；利用地应力、裂缝以及岩石力学垂向分布建立压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型；6)利用现今应力场模拟结果、不同时期每组裂缝的发育概率、不同组系裂缝的产状分布、压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型以及岩石力学参数场分布，建立压裂裂缝等效扩展模型，在考虑现今地应力、天然裂缝以及岩石力学参数条件下，预测压裂裂缝扩展方向；对储层实施压裂时，由于天然裂缝的影响，人工压裂缝是否形成、人工压裂缝的破裂方式和延伸方向取决于现今地应力场状态、岩石力学参数和天然裂缝组系发育特征，提出了天然裂缝临界活动状态的概念，并建立起各个影响因素间的数学模型；设天然裂缝的法线矢量表示为n，它表示为：n＝nf1i+nf2j+nf3k  (3)现今地应力场作用在天然裂缝面上的正应力σn为：σn＝σa+σb+σc  (5)压裂施工时人工压裂缝沿天然裂缝面张开的极限条件是：Pf＝σn+Sf‑Pp  (6)压裂裂缝沿最大主应力σ1方向形成新裂缝的极限条件是：PR＝σ3+σT‑Pp  (7)公式(5)‑(7)，Pf为天然裂缝极限破裂压力，MPa；PR为岩石极限破裂压力，MPa；Pp为地层孔隙压力，MPa；σn为作用在天然裂缝面上的正应力，MPa；Sf是裂缝岩石抗张强度，MPa；当压裂施工的破裂压力大于Pf和PR时，天然裂缝张开或岩石破裂，形成压裂裂缝；显然，压裂缝沿天然裂缝张开的条件是天然裂缝极限破裂压力小于或等于岩石极限破裂压力，即Pf≤PR，在破裂压力相等的极限状态下Pf＝PR；在现今地应力和岩石力学参数的控制下，天然裂缝的临界活动性指数β沿天然裂缝方向传播；当天然裂缝与最大主应力之间的夹角小于β时，水力裂缝沿天然裂缝传播；否则，它沿水平最大主应力传播；一般来说，裂缝的抗拉强度Sf约为0，因此忽略Sf的影响，计算得到β；当裂缝接近垂直时，天然裂缝的临界活动性指数β由方程(5)‑(7)计算得到；考虑到裂缝发育的概率，当两组天然裂缝都可能破裂时，水力压裂方向ψ表示为：公式(8)中，δj，i为第j组、第i单层的裂缝走向；Pj，i为第j组、第i单层裂缝发育的概率；β为地应力引起的天然裂缝的临界活动性指数；当天然裂缝与水平最大主应力之间的夹角小于β时，水力压裂方向ψ沿水平最大主应力方向扩展，水力压裂方向ψ表示为：ψi＝θi  (9)公式(9)中，θi为第i单层的水平最大主应力方向；考虑裂缝以及现今地应力在垂向上的分层性，在某一段地层内，压裂裂缝的等效扩展方向表示为：公式(10)中，H是地层的总厚度，h_i为压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型中单层的厚度；m为压裂裂缝等效扩展的垂向分层模型中单层的总段数；通过利用公式(6)‑(10)，建立压裂裂缝等效扩展模型，进而预测压裂裂缝的方向；7)结合水平井钻井方位以及水平井的动态资料验证压裂裂缝扩展方向的可靠性，实现不同区块压裂裂缝方向预测与水平井最优钻井轨迹设计；通过分析Δα与水平井含水率、累积产量的关系，验证压裂裂缝扩展方向的可靠性；所述的Δα表示为：Δα＝|ψ‑ω|  (11)在公式(11)中，ψ为预测水力压裂扩展方向，ω为水平井的实际钻井方位角。