專利名稱：使用裂縫高度和原地應(yīng)力的水力裂縫處理的自動階段設(shè)計(jì)的制作方法
使用裂縫高度和原地應(yīng)力的水力裂縫處理的自動階段設(shè)計(jì)領(lǐng)域本申請的實(shí)施方案涉及模型化地下巖層中的裂縫及使用來自所述模型的信息處理巖層的方法和裝置。背景在致密氣層中，當(dāng)在井中的大井深井段存在許多含氣層(產(chǎn)油帶)時，常常在多個階段中進(jìn)行水力壓裂處理。最小水平原地應(yīng)力對水力裂縫高度具有很強(qiáng)影響，且水力裂縫高度是在設(shè)計(jì)處理時要考慮的重要因素。當(dāng)產(chǎn)油帶的數(shù)量很大(超過100)時，人工設(shè)計(jì)致密氣層的分階段水力壓裂處理很費(fèi)時。壓裂處理的設(shè)計(jì)取決于許多因素，如巖層的巖石物理性質(zhì)和地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)。算法可用于基于巖石物理性質(zhì)的分階段設(shè)計(jì)，但這種算法未考慮原地應(yīng)力。最小水平原地應(yīng)力對水力裂縫高度具有很強(qiáng)影響(

圖1現(xiàn)有技術(shù))，且水力裂縫高度是在設(shè)計(jì)處理時要考慮的重要因素。裂縫高度可確定一個裂縫激發(fā)出多少產(chǎn)油帶，及多少裂縫被組合為一個階段。設(shè)計(jì)目標(biāo)在于由許多水力裂縫激發(fā)出全部產(chǎn)油帶，且沒有或僅有最小的裂縫高度重疊?？梢愿鶕?jù)裂縫高度模型和最小水平原地應(yīng)力分布與深度的關(guān)系來估計(jì)每個裂縫高度。理想地，使用考慮了原地應(yīng)力和裂縫高度的計(jì)算機(jī)程序來自動設(shè)計(jì)這種分階段處理。附圖

圖1 (現(xiàn)有技術(shù))是層狀巖層中的垂直裂縫的剖視圖。圖2是使用應(yīng)力和算法精化的階段確定的代表圖。圖3是產(chǎn)油帶應(yīng)力差的代表圖(a)需要一個裂縫；(b)需要兩個裂縫。圖4是二個重置聞度的代表圖，其中中間聞度具有最小應(yīng)力。圖5是裂縫高度和裂縫單元確定和所得階段設(shè)計(jì)的示例性屏幕快照。圖6是力學(xué)性質(zhì)和模型輸出的示意圖。概述本發(fā)明的實(shí)施方案涉及一種用于處理地下巖層的方法，包括測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)；基于所述力學(xué)性質(zhì)確定巖層裂縫高度；基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置；基于所述估計(jì)辨別水力壓裂處理階段；以及在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。本發(fā)明的實(shí)施方案也涉及一種用于處理地下巖層的方法，包括測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)；基于所述力學(xué)性質(zhì)確定目標(biāo)區(qū)帶；基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置；基于所述估計(jì)辨別水力壓裂處理階段；以及在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。描述開始時應(yīng)注意，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施方案時，必須做出許多實(shí)施特有的決定以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，如遵守依不同實(shí)施而不同的系統(tǒng)相關(guān)及商業(yè)相關(guān)約束。此外，將了解，這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜和費(fèi)時的，但對于受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說仍將是例行任務(wù)。此外，本文使用/公開的組合物還可能包含除引用的部件之外的一些部件。在發(fā)明摘要和此詳細(xì)描述中，除非在上下文中另行指出，否則每個數(shù)值應(yīng)理解一次為由術(shù)語“大約”修飾(除非已明確如此修飾)，然后再次理解為不如此修飾。此外，在發(fā)明摘要和此詳細(xì)描述中，應(yīng)理解，列舉或描述為有用的、適合的或類似物的濃度范圍旨在認(rèn)為已經(jīng)陳述在范圍之內(nèi)的包括端點(diǎn)的全部濃度。例如，“從I至10的范圍”將被理解為指示沿在約I與約10之間的連續(xù)統(tǒng)的每個可能的數(shù)。因此，即使僅明確標(biāo)識或提及一些在范圍之內(nèi)的具體數(shù)據(jù)點(diǎn)，乃至未明確標(biāo)識或提及在范圍之內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也將理解為發(fā)明人了解與理解認(rèn)為已經(jīng)說明了在所述范圍之內(nèi)的全部數(shù)據(jù)點(diǎn)，而且發(fā)明人擁有關(guān)于整個范圍和在所述范圍之內(nèi)的全部點(diǎn)的知識。本文做出的陳述僅提供與本公開有關(guān)的信息，而不能構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)，并且可以描述說明本發(fā)明的一些實(shí)施例。本發(fā)明的實(shí)施方案包括一種用于基于最小水平原地應(yīng)力自動設(shè)計(jì)多產(chǎn)油帶巖層中的多階段水力壓裂處理的方法。開發(fā)所述方法以選擇激發(fā)全部產(chǎn)油帶所需要的水力裂縫的數(shù)量和位置，而同時沒有或僅有最小裂縫重疊。然后基于每個處理階段可用的泵送能力將水力裂縫組合在一起，以確定處理整個井所需要的階段數(shù)。所述方法適用于致密氣層中的垂直或略斜井。對于這種巖層，需要長裂縫以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。致密氣層常常由頁巖與砂巖層段組成，且氣體生產(chǎn)主要來自砂巖層。所述方法的適用性取決于將裂縫高度限制到實(shí)際量的應(yīng)力差。當(dāng)不存在足夠大以限制裂縫高度生長的應(yīng)力差時，處理階段設(shè)計(jì)需要其它法則。如以上簡述和由圖1 (現(xiàn)有技術(shù))所圖示，巖層之間的應(yīng)力差可能形成抑制裂縫高度生長的障礙。取決于巖石性質(zhì)和裂縫處理壓力，應(yīng)力障礙的效果取決于應(yīng)力差的量和應(yīng)力層的厚度(圖1現(xiàn)有技術(shù))。為了確定跨越多個層的水力裂縫的垂直覆蓋范圍，我們需要知道一個或多個層中的應(yīng)力是否足夠大以形成抑制高度生長的障礙。應(yīng)力量和層厚度都影響垂直方向的裂縫的生長。很難使用經(jīng)驗(yàn)法則定量確定應(yīng)力差是否為有效障礙。另一方面，可以使用P3D(擬3D)或平面3D水力裂縫模擬器來確定裂縫高度生長和應(yīng)力差是否能限制裂縫高度。然而，全P3D或平面3D模擬需要包括流體性質(zhì)和泵送調(diào)度在內(nèi)的詳細(xì)處理設(shè)計(jì)。使用本發(fā)明的實(shí)施方案的最佳實(shí)踐提供在不進(jìn)行全水力裂縫模擬的情況下對裂縫高度覆蓋范圍的快速和定量估計(jì)。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及基于裂縫高度和原地應(yīng)力自動設(shè)計(jì)分階段水力壓裂處理的方法。開發(fā)所述方法以選擇激發(fā)全部產(chǎn)油帶所需要的水力裂縫的數(shù)量和位置，而同時沒有或僅有最小裂縫重疊。然后基于每個處理階段可用的泵送能力將水力裂縫組合在一起，以確定處理整個井所需要的階段數(shù)。以下描述在分階段設(shè)計(jì)中考慮了原地應(yīng)力和裂縫高度作用的詳細(xì)逐步方法。1.巖層區(qū)帶假定具有巖石物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和原地應(yīng)力的區(qū)帶是從鉆井日志產(chǎn)生。每個區(qū)帶具有任何性質(zhì)的單一值，且區(qū)帶是分階段設(shè)計(jì)算法中的最小單元。例如，圖2在氣體與應(yīng)力標(biāo)題下示出基于巖石物理性質(zhì)的區(qū)帶(產(chǎn)氣帶)與基于應(yīng)力的區(qū)帶。此外，具有不同巖石物理性質(zhì)的若干產(chǎn)油帶可以彼此接近存在。很方便將這些產(chǎn)油帶組合成一個單元并將其定義為連續(xù)產(chǎn)油帶(CP)。CP可以具有一個或多個產(chǎn)油帶。圖2中，連續(xù)產(chǎn)油帶由紅色填充圖案標(biāo)記且編號為CP1-CP7。由于具有巖石物理性質(zhì)與應(yīng)力的區(qū)帶是根據(jù)不同鉆井日志確定，所以這些區(qū)帶很可能具有在不同深度的區(qū)帶邊界。為了應(yīng)用算法，需要將這些區(qū)帶組合成使得每個區(qū)帶具有一個任何性質(zhì)的值。圖2在“組合區(qū)帶”的標(biāo)題下示出組合區(qū)帶的實(shí)例。2.井底處理壓力可根據(jù)相同或類似巖層中的補(bǔ)償井的前述處理來確定或估計(jì)井底處理壓力(BHTP)。如果已知特定深度(TVD)處的BHTP，那么可以通過使用壓力梯度來獲取作為深度函數(shù)的BHTP。壓力梯度的一個估計(jì)是全部CP的應(yīng)力梯度的平均值。還可以說明多個深度處的多個BHTP，在這種情況下，BHTP與深度的關(guān)系表提供作為深度函數(shù)的BHTP。圖2中，BHTP0示出一個深度處的已知BHTP，并在BHTP的標(biāo)題下示出作為TVD的函數(shù)的BHTP。3.裂縫開始井段在使用軟件程序(如可從Sugar Land, TX 的 Schlumberger TechnologyCorporation購得的程序FRACHITE )的每個模擬中，需要裂縫開始井段以確定裂縫高度。我們需要確定裂縫沿整個巖層的TVD開始的位置。通常，裂縫開始井段是CP，例如，圖2中，井段由雙箭頭示出且用I1、12、13、18與19編號，每個編號代表每個CP。然而，當(dāng)CP中存在不同應(yīng)力時，需要多個裂縫開始井段以使得每個井段具有一個應(yīng)力值。對于圖2中的實(shí)例，CP4具有兩個開始井段14與15，且CP5具有兩個開始井段16與17。圖2中總共存在九個裂縫開始井段?？蓪浖幸娴乃惴ǚ匠炭梢詮臍v史數(shù)學(xué)模型教科書中獲取。例如，由 Michael Economides 和 Kenneth Nolte 所著的 Reservoir Stimulation 第三版(2000)中，包括方程6-47至6-50的第6章第6-16至6_18頁提供了有效方程。4.軟件軟件程序FRACHITE 用于針對基于巖層力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力和BHTP的每個裂縫開始井段計(jì)算裂縫高度H。用于FRACHITE 計(jì)算的每個開始井段的深度處的BHTP是來自BHTP與深度函數(shù)的內(nèi)插值。FRACHITE 計(jì)算的結(jié)果是來自全部開始井段的裂縫高度，每個高度與一個開始井段相關(guān)聯(lián)，如圖2在標(biāo)題“高度”下來自11-19的H1-H9所示。此步驟的結(jié)果示出哪些應(yīng)力障礙強(qiáng)到足以限制裂縫高度生長，以及哪些應(yīng)力障礙未有效抑制裂縫高度生長。這提供了對垂直方向上的裂縫覆蓋范圍的定量確定。值得注意的是，高度H用于確定應(yīng)力障礙的有效性，且在全水力裂縫模擬或最終處理設(shè)計(jì)中可能不是實(shí)際裂縫高度。5.裂縫因?yàn)樵诓襟E4中確定的高度可能重疊，所以許多CP可由一個裂縫處理或激發(fā)。我們需要確定處理全部CP所需要的沒有或僅有最小重疊的裂縫的最小數(shù)量。這個步驟是基于借助以下法則從步驟4獲得的高度確定裂縫的過程a.當(dāng)應(yīng)力障礙有效時，高度被周圍層抑制，即，在來自不同開始井段的裂縫高度間不存在重疊。在這種情況下，對于一個CP使用一個高度作為裂縫。例如，一個裂縫(裂縫單元2)與受抑制高度H3相關(guān)聯(lián)，且此裂縫用于處理CP3 (圖2)。b.當(dāng)應(yīng)力障礙不足夠強(qiáng)時，兩個或更多個高度可能重疊。這里我們認(rèn)為兩個高度重疊。對于來自具有不同應(yīng)力的兩個裂縫開始井段的兩個高度來說，存在兩個可能性bl)如果來自低應(yīng)力開始井段的高度覆蓋高應(yīng)力井段，那么對此高度指定一個裂縫，并使用此裂縫來處理與所述兩個井段相關(guān)聯(lián)的兩個CP。對于圖2的實(shí)施例來說，來自低應(yīng)力井段Il的高度Hl覆蓋高應(yīng)力井段12和相關(guān)聯(lián)的CP2。我們使用一個裂縫單元I來處理 CPl 和 CP2。b2)如果來自較低應(yīng)力開始井段的高度不覆蓋高應(yīng)力井段，那么使用兩個裂縫(裂縫單元)，即，每個高度使用一個，以處理與這兩個井段相關(guān)聯(lián)的兩個CP。例如，來自開始井段19的高度H9不覆蓋開始井段18。對于所述兩個開始井段18和19，我們分別使用兩個裂縫，裂縫單元5和裂縫單元6。每個裂縫將處理與其開始井段相關(guān)聯(lián)的一個CP (裂縫單元5用于CP6，且裂縫單元6用于CP7)。c.當(dāng)CP內(nèi)存在應(yīng)力差時，使用多個開始井段，并且來自這些開始井段的裂縫很可能重疊。我們將CP內(nèi)的兩個裂縫開始井段的情況當(dāng)作實(shí)施例(圖3)。與兩個井段相關(guān)聯(lián)的兩個高度因?yàn)樵谝粋€CP內(nèi)而通常將具有一些重疊。如圖3所示，從高應(yīng)力井段開始的高度將總是生長進(jìn)入低應(yīng)力區(qū)帶，并與從低應(yīng)力井段開始的高度重疊。兩個可能性作為(a)和(b)存在于圖3中，且如下考慮Cl)如果低應(yīng)力井段的高度生長進(jìn)入并覆蓋高應(yīng)力井段，那么對于整個產(chǎn)油帶使用一個裂縫。如圖3(a)所示，高度H2覆蓋整個產(chǎn)油帶，且與H2相關(guān)聯(lián)的一個裂縫(裂縫單元I)用于處理整個CP。c2)如果來自低應(yīng)力井段的高度不覆蓋高應(yīng)力產(chǎn)油帶，那么使用兩個裂縫來處理CP，其中一個裂縫來自低應(yīng)力井段，另一個裂縫來自高應(yīng)力井段。如圖3(b)所示，與Hl和H2相關(guān)聯(lián)的兩個裂縫(裂縫單元I和裂縫單元2)用于處理產(chǎn)油帶。(注意將一個CP劃分兩個裂縫單元是用于受限入口設(shè)計(jì)。對于具有兩個射孔井段的整個CP，裂縫模擬仍將使用一個裂縫)。

類似地，對于圖2中的實(shí)施例來說，來自低應(yīng)力井段15的高度H5覆蓋高應(yīng)力井段14 ;且來自低應(yīng)力井段17 的高度H7生長進(jìn)入高應(yīng)力井段16。兩種情況都是圖3(a)中所述情況的情形，因此在每種情況下僅使用一個裂縫裂縫單元3用于CP4，且裂縫單元4用于 CP5。概括起來，下表示出針對圖2中的實(shí)施例的全部CP的裂縫、高度與產(chǎn)油帶之間的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種用于處理地下巖層的方法，其包括 測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)； 基于所述力學(xué)性質(zhì)確定巖層裂縫高度； 基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置； 基于所述估計(jì)標(biāo)識水力壓裂處理階段；以及 在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述裂縫的所述估計(jì)與使用不包括楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力的力學(xué)性質(zhì)的估計(jì)相比包括較少的裂縫重疊。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述階段的所述標(biāo)識包括基于每個處理階段的可用泵送能力來將所述裂縫組合在一起。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述階段的所述標(biāo)識包括確定處理所述整個井所需要的階段的數(shù)量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行水力壓裂處理包括壓裂所述巖層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述壓裂包括壓裂所述處理階段。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述確定、估計(jì)以及標(biāo)識。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行水力壓裂處理包括以等于或高于壓裂所述巖層需要的壓力的壓力將流體弓I入所述巖層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行水力壓裂處理包括引入流體，所述流體是選自由水、碳?xì)浠衔?、酸、氣體或其組合組成的群組。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述流體進(jìn)一步包含支撐劑。
11.一種用于處理地下巖層的方法，其包括 測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)； 基于所述力學(xué)性質(zhì)確定目標(biāo)區(qū)帶； 基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置； 基于所述估計(jì)標(biāo)識階段；以及 在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述裂縫的所述估計(jì)與使用不包括楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力的力學(xué)性質(zhì)的估計(jì)相比包括較少的裂縫重疊。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述執(zhí)行水力壓裂處理包括壓裂所述巖層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述壓裂包括壓裂所述處理階段。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述確定、估計(jì)以及標(biāo)識。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及一種用于處理地下巖層的方法，所述方法包括測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)；基于所述力學(xué)性質(zhì)確定巖層裂縫高度；基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置；基于所述估計(jì)標(biāo)識水力壓裂處理階段；以及在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。本發(fā)明的實(shí)施方案還涉及一種用于處理地下巖層的方法，所述方法包括測量包含楊氏模量、泊松比和原地應(yīng)力在內(nèi)的巖層的力學(xué)性質(zhì)；基于所述力學(xué)性質(zhì)確定目標(biāo)區(qū)帶；基于所述確定估計(jì)水力裂縫的數(shù)量和位置；基于所述估計(jì)標(biāo)識水力壓裂處理階段；以及在所述階段中執(zhí)行水力壓裂處理。
文檔編號E21B43/26GK103052761SQ201180020799
公開日2013年4月17日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者H·谷 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司