基于不同主导模式的水力裂缝与天然裂缝交互判别方法

技术领域

本发明涉及油气藏开发技术领域，特别涉及一种基于不同主导模式的水力裂缝与天然裂缝交互判别方法。

背景技术

随着化石资源的不断勘探和开发，非常规油气已成为全球主要能源之一。由于非常规油气储层低孔低渗等特征，目前主要通过水力压裂技术对非常规储层进行大规模体积压裂改造。水力裂缝的延伸扩展行为受地质因素、岩石力学性质、储隔层界面性质和压裂施工参数多种因素的影响，在纵向上容易出现缝高扩展不足和缝高过度扩展等情况，造成储层动用不充分和支撑剂、压裂液用量的增大及污染环境等问题。

为明确水力裂缝扩展过程中受地层中不连续体(断层、天然裂缝、地层界面等)的影响规律，众多学者通过理论分析和室内实验研究水力裂缝与天然裂缝的相交行为。然而，目前关于常规水力裂缝扩展的研究主要集中在韧性主导模式，而现场大排量、大规模施工条件下和超临界CO

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于不同主导模式的水力裂缝与天然裂缝交互判别方法，通过耦合流体流动、应力阴影作用和孔隙弹性作用，能够对不同主导模式下的水力裂缝是否穿过天然裂缝界面进行判断。

本发明的技术方案如下：

一种基于不同主导模式的水力裂缝与天然裂缝交互判别方法，包括以下步骤：

S1：明确目标水力裂缝扩展的主导模式，所述主导模式为粘性主导或韧性主导，并确定在所述主导模式下的缝内净压力；

S2：根据水力裂缝穿过天然裂缝的条件确定水力裂缝尖端临界半径；

S3：根据叠加原理，计算天然裂缝应力场；

S4：建立判断准则，并根据所述判断准则判断在步骤S3获得的应力场条件下，水力裂缝是否穿过任意角度天然裂缝继续扩展。

作为优选，步骤S1中，所述目标水力裂缝扩展的主导模式通过下式进行判别：

式中：k为特征参数；K′、E′、μ′均为材料参数；Q

当所述特征参数k＜1时，所述主导模式为粘性主导；当所述特征参数k＞4时，所述主导模式为韧性主导模式。

作为优选，步骤S1中，当所述主导模式为粘性主导时，所述缝内净压力通过下式进行计算：

当所述主导模式为韧性主导时，所述缝内净压力通过下式进行计算：

式中：P

作为优选，步骤S2中，所述水力裂缝穿过天然裂缝的条件为当最大拉张应力达到天然裂缝界面另一侧岩石抗拉强度时，水力裂缝将穿过天然裂缝，即：

式中：σ

作为优选，步骤S3中，所述应力场通过下式进行计算：

σ

τ

式中：σ

作为优选，天然裂缝界面上的远场应力分量通过下式进行计算：

天然裂缝界面上由水力裂缝内流体流动产生的诱导应力分量通过下式进行计算：

天然裂缝界面上由压裂液注入导致地层孔隙压力变化引起诱导应力分量通过下式进行计算：

式中：σ

作为优选，所述天然裂缝界面上由水力裂缝内流体流动产生的诱导应力分量的计算公式中，应力阴影诱导应力场通过下式进行计算：

其中：

-π≤{θ

式中：r

作为优选，所述天然裂缝界面上由压裂液注入导致地层孔隙压力变化引起诱导应力分量的计算公式中，孔隙弹性诱导应力场通过下式进行计算：

式中：α为比奥系数；υ为泊松比。

作为优选，步骤S4中，所述判断准则为：

|τ

式中：c和μ

当满足所述判断准则时，水力裂缝将穿过天然裂缝继续扩展；当不满足所述判断准则时，水力裂缝不会穿过任意角度天然裂缝继续扩展。

本发明的有益效果是：

本发明通过耦合流体流动、应力阴影作用和孔隙弹性作用，基于线弹性断裂力学提出了一个在水力裂缝与天然裂缝相交前，能够准确判断水力裂缝是否会穿过任意角度天然裂缝继续扩展的新准则，其能够为水力裂缝扩展研究提供技术支持，对非常规油气资源高效开发具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为水力裂缝与天然裂缝相交示意图；

图2为一个具体实施例本发明新准则与Zhao和R&P准则对比结果示意图；

图3为一个具体实施例本发明新准则与Gu准则对比结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

本发明提供一种基于不同主导模式的水力裂缝与天然裂缝交互判别方法，包括以下步骤：

S1：明确目标水力裂缝扩展的主导模式，所述主导模式为粘性主导或韧性主导，并确定在所述主导模式下的缝内净压力。

假设水力裂缝在由远场应力限制条件下的均匀线弹性和不透水岩石中扩展，裂缝内部流体压力均匀施加在裂缝表面，最大和最小主应力分别平行和垂直于水力裂缝，压裂液不可压缩，水力裂缝传播连续、准静态。所涉及的问题仅限于二维平面应变下的一维运动(忽略裂纹开口)。

如图1所示，椭圆形区域代表水力裂缝，线段代表天然裂缝，在全局坐标系(Oxy)中，压裂液由原点O注入，水力裂缝沿x轴正方向扩展接近天然裂缝，远场应力分别为σ

在一个具体的实施例中，所述目标水力裂缝扩展的主导模式通过下式进行判别：

式中：k为特征参数；K′、E′、μ′均为材料参数；Q

当所述特征参数k＜1时，所述主导模式为粘性主导；当所述特征参数k＞4时，所述主导模式为韧性主导模式。

当所述主导模式为粘性主导时，所述缝内净压力通过下式进行计算：

当所述主导模式为韧性主导时，所述缝内净压力通过下式进行计算：

式中：P

S2：根据水力裂缝穿过天然裂缝的条件确定水力裂缝尖端临界半径，所述水力裂缝穿过天然裂缝的条件为当最大拉张应力达到天然裂缝界面另一侧岩石抗拉强度时，水力裂缝将穿过天然裂缝，即：

式中：σ

S3：根据叠加原理，计算天然裂缝应力场。

在一个具体的实施例中，所述应力场通过下式进行计算：

σ

τ

式中：σ

天然裂缝界面上的远场应力分量通过下式进行计算：

天然裂缝界面上由水力裂缝内流体流动产生的诱导应力分量通过下式进行计算：

天然裂缝界面上由压裂液注入导致地层孔隙压力变化引起诱导应力分量通过下式进行计算：

式中：σ

所述天然裂缝界面上由水力裂缝内流体流动产生的诱导应力分量的计算公式中，应力阴影诱导应力场通过下式进行计算：

其中：

-π≤{θ

/>

式中：r

所述天然裂缝界面上由压裂液注入导致地层孔隙压力变化引起诱导应力分量的计算公式中，孔隙弹性诱导应力场通过下式进行计算：

式中：α为比奥系数；υ为泊松比。

S4：建立判断准则，并根据所述判断准则判断在步骤S3获得的应力场条件下，水力裂缝是否穿过任意角度天然裂缝继续扩展。

在一个具体的实施例中，所述判断准则为：

|τ

式中：c和μ

当满足所述判断准则时，水力裂缝将穿过天然裂缝继续扩展；当不满足所述判断准则时，水力裂缝不会穿过任意角度天然裂缝继续扩展。

在一个具体的实施例中，为了验证本发明新准则的适用性，将本发明的分析结果与Zhou和Blanton已发表的实验结果进行验证，实验基本参数如表1所示：

表1Zhou和Blanton实验材料参数

对比实验结果如表2和表3所示：

表2与Zhou实验对比结果

表3与Blanton实验对比结果

从表2和表3的对比结果可知，25组实验中有22组实验结果与准则计算结果一致，仅Z4、Z11和B3与实验结果不同。结果不一致的原因可能与实验所采用的预制裂缝材料性质有关，Zhou在实验中通过填充不同实验材料模拟天然裂缝性质的差异，受裂缝尖端临界以及应力奇异性的影响，可能会导致临界半径失效，进而影响实验结果。总体来说，本发明新准则与室内实验结果具有良好的一致性。

在另一个具体的实施例中，将本发明的新准则与Zhao和R&P准则以及Gu准则进行对比，对本发明新准则进行理论验证。

在本实施例中，当水力裂缝扩展方向与天然裂缝正交时，基于表1所示的页岩参数，取抗拉强度5.67MPa，水力裂缝半长0.03m，断裂韧性1.74MPa.m

从图2可以看出，在相同岩石力学参数下，水力裂缝逼近正交的天然裂缝时，本发明新准则略低于R&P和Zhao准则。在抗拉强度不变的条件下，R&P准则中天然裂缝界面滑动临界摩擦系数仅与水平应力比相关，且呈负相关关系。

因为水力裂缝与天然裂缝相交角为90°，由公式(9)可知，在本发明新准则中，水平应力比(σ

将本发明新准则进一步推广到水力裂缝扩展方向与天然裂缝非正交情况，本发明新准则与Gu准则对比结果如图3所示。从图3可以看出，当水力裂缝与天然裂缝的相交角β<55°时，两个准则具有较好的一致性，水力裂缝均无法穿过天然裂缝；随着相交角的增加，水平应力差逐渐主导相交行为；当β>59°时，新准则相较Gu准则水力裂缝更容易穿过天然裂缝。其原因是Gu准则仅考虑了远场应力的影响。在水平应力差较低时，在新准则中作用在天然裂缝界面的压应力(σ

综上所述，本发明能够准确判断水力裂缝是否会穿过任意角度天然裂缝继续扩展。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。