一种储层裂缝开启压力、开启次序及注水压力预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种储层裂缝开启压力、开启次序及注 水压力预测方法。
【背景技术】
[0002] 在裂缝性储层开发过程中，裂缝的开启压力、开启次序以及储层的破裂压力是制 定油气开发方案必须考虑的因素，尤其在对储层实施压裂、注水开发等措施时，准确的预测 构造裂缝发育规律、储层破裂压力是提高油气采收率、经济效益的重要保证。合理的油气井 注水压力往往不能超过油气层的破裂压力，而这一压力条件下又要保证构造裂缝充分开 启，最大限度地提高油气采收效益。传统的裂缝开启压力往往基于单个井点的裂缝发育规 律实现单个井点裂缝开启压力的预测，而不能在三维平面实现裂缝性储层开发建议的量化 研究。
[0003] 在构造裂缝预测方法中，基于古今应力场数值模拟技术对裂缝的定量评价方法日 趋成熟，成为研究储层裂缝分布的有效手段。因此，综合运用古今应力场数值模拟技术，在 充分考虑构造裂缝的产状、构造位置的基础上，能够实现对储层裂缝的开启压力-开启次序 以及储层合理注水压力进行研究。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在解决上述问题，提供了一种储层裂缝开启压力、开启次序及注水压力 预测方法，它解决了裂缝性储层开发建议无法定量预测的问题。
[0005] 本发明的技术方案为:一种储层裂缝开启压力、开启次序及注水压力预测方法，具 体步骤如下：
[0006] 第一步确定裂缝形成时期、建立工区地质力学模型
[0007] 结合工区资料，确定研究区裂缝的形成时期。确定裂缝形成时期的方法应包括以 下方法之一:结合工区构造演化、构造应力场演化，分析断层的活动性、活动强度，评价构造 演化各个时期的强度，确定裂缝形成时期;通过裂缝充填物分析确定裂缝形成时期;通过裂 缝切割关系确定裂缝形成时期;通过岩石声发射确定裂缝形成时期;通过裂缝产状在垂向 地层中国的演变规律确定。
[0008] 通过岩石力学实验获得岩石静态力学参数，或通过测井解释求得岩石动态力学参 数，结合工区地质构造建立工区地质力学模型。
[0009] 第二步不同组系裂缝现今产状预测
[0010] 古应力场的定向主要依据岩心裂缝、薄片裂缝的观测结果以及成像测井资料，并 结合区域活动断裂的产状，断裂的力学性质，地震资料中的褶皱、提取的地震属性以及薄片 显微小构造确定主应力的方向。古应力场大小确定可以采用声发射法、数学解析、等效古应 力等方法，依据恢复的古构造图以及岩石力学参数建立研究区古地质-力学模型，对研究区 的古应力场数值模拟，结合岩石破裂准则预测裂缝不同组系的产状。
[0011]结合岩石力学层不同时期的空间变化特征，分析不同组系的裂缝的演化规律，设 裂缝形成时期所在平面的单位法向矢量为Y，倾角为α，倾向为β;现今裂缝面的单位法向矢 量为η;古岩石力学层所在平面的法向矢量Sp 1，现今岩石力学层所在平面的法向矢量为Ρ2， 矢量Pl与矢量Ρ2所在平面的单位法向矢量为P。
[0012]矢量r/在大地坐标系中的三个分量为：
[0013]
[0014] 公式(1)中，（rb/ ,n/)为矢量r/在大地坐标系中三个坐标轴的分量。
[0015] 矢量η与矢量r/的定量转换关系可以表示为：
[0016]
(2)
[0017] 公式(2)中，（nx，ny，nz)为矢量η在大地坐标系中三个坐标轴的分量。
[0018] 公式(2)中，旋转矩阵T1可以表示为：
[0019]
(3)
[0020]公式(3)中，（px，py，pz)为矢量P在大地坐标系中三个坐标轴的分量;ξ为矢量Pi与 矢量P2重合的旋转角，（°)。
[0021] 第三步现今应力场数值模拟、主应力垂向梯度反演
[0022] 通常采用多种方法对研究区现今地应力方位进行判断，并通过测井、压裂资料以 及物理实验计算关键井现今地应力的数值，在此基础上，通过确定岩石力学参数并建立有 限元模型，对研究区现今地应力场进行了数值模拟;得到不同节点的现今地应力分布；因为 不同岩石力学层顶底面主应力垂向梯度不一致，因此，结合工区岩石力学层分布规律，采用 岩石力学层顶底面寻点法求取不同节点的主应力垂向梯度。
[0023]所述的岩石力学层顶底面寻点法求取不同节点的主应力垂向梯度（图2)是指根据 研究区的小层对比图，对于岩石力学层内部的井点Α，首先分别在岩石力学层的顶底面确定 节点A的两个垂向投影点A1J 2,在此基础上，在A1J2*在的岩石力学层面上寻找离其最近 的节点C、B，则对应的节点A的主应力垂向梯度为：
[0024:
(4)
[0025] 公式⑷中，〇hB、σΗΒ分别为节点B最小、最大主应力，MPa; Ohc、〇HC分别为节点C最小、 最大主应力，1?&;丨。1和匕3分别为现今最大和最小主应力梯度，10^/1〇11 ;28、2。分别为节点8、〇 的埋深，km;求取层内不同节点的后，拟合每个岩石力学层内不同深度的节点对应的 埋深Z与L1、L3，得到拟合关系式：
[0026]
C5)
[0027] 公式(5)中，fdPfu分别为现今最大和最小主应力梯度，MPa/km;Z分别为节点的 对应埋深，km; qi、q3、pi、P3为拟合系数，无量纲。
[0028]利用公式(5)，依据岩石力学层顶底面节点的Z坐标，可以求取不同岩石力学层顶 底面的f(Jl和f(J3。
[0029]第四步裂缝开启压力-开启次序预测
[0030]建立工区裂缝开启压力预测数学模型，数学模型应包含与裂缝的开启压力密切相 关的几个因素-裂缝的性质与产状、岩石力学参数、孔隙压力、节点对应的现今地应力大小、 方向以及应力梯度等相应地质信息。依据油田开发实践经验不同方向的裂缝开启压力大小 不一，因此在储层实施注水开发时，裂缝开启次序也有所不同，常用的不同方向的裂缝开启 压力Pk可表示为：
[0031]
(6)
[0032] 公式(6)中，μ为岩石泊松比;H为构造裂缝埋藏深度，km; Θ为裂缝倾角，（° ) ;ps为岩 石密度，g/cm3 ;pw为地层水密度，g/cm3; fdi和分别为现今最大和最小主应力梯度，MPa/ kmj是裂缝走向与水平最大主应力之间的夹角，（°)。
[0033] 依据公式(6)，可以对储层不同走向的构造裂缝的开启压力进行预测。
[0034]第五步裂缝性储层破裂压力及注水压力确定
[0035]在油气井水力压裂设计中，依据相关理论或者经验公式预测岩石破裂压力，有利 于压裂作业实施。根据工区储层的特点，选取适用于非渗透性岩石破裂压力的H-W公式或适 用于高渗透性岩石破裂压力的H-F公式或者适用于低孔低渗储层破裂压力计算模型（公式 7);将已知层位的破裂压力大小作为优化反演的约束条件，综合节点主应力模拟结果、岩石 破裂压力、孔隙压力，通过不断地反演拟合使模拟值与实测值最为接近，得到最优拟合结 果。
[0036] (7)
[0037]公式(7)中，〇h、oH分别为最小、最大主应力，MPa;〇t为岩石单轴抗拉强度，MPa;p。为 孔隙压力，MPa;Z为孔隙弹性常数，无因次;0。岩石触点孔隙度，％。
[0038] 公式(7)中，参数Z、0。很难准确测量，本发明采用多井约束的方法，优化反演储层 破裂压力分布规律，具体思路是，将已知层位的破裂压力大小作为优化反演的约束条件，通 过不断地反演拟合使模拟值与实测值最为接近，得到最优拟合结果。
[0039] 结合不同节点的实际埋深，依据公式(8)可计算地下储层的实际破裂压力Pt。
[0040] Pt = Pb+PwgH(8)
[0041] 在临界储层破裂压力的条件下，裂缝能够得到充分开启，因此针对不同的构造位 置，采用不同的注水压力，是提高油气采收率的有效手段。
[0042]本发明的有益效果是:本发明利用地质资料、物理实验确定地质力学模型，在古应 力场数值模拟的基础上，借助于岩石破裂准则，古今岩石力学层演化特征，预测不同组系裂 缝的现今产状;在现今应力场数值模拟的基础上，结合工区岩石力学层分布规律，米用岩石 力学层顶底面寻点法求取不同节点的主应力垂向梯度，综合地质信息，实现了裂