一种预测酸损伤后储层破裂压力的方法 【技术领域】
本发明涉及油气田开发领域压裂改造过程中酸损伤后储层破裂压力的预测技术。 背景技术 压裂是提高油气井产量和最终采收率的有效措施。 它通过向地层注入压裂液、 支撑剂，裂缝闭合后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，使得裂缝面不能完全闭合而 仍然具有一定的导流能力，从而改善油气井的渗流能力，使油气井获得增产和提高最终 采收率。 目前通常是在压裂改造前采用射孔对储层进行预处理，它是将射孔器下放并 定位到油气井中的某一层段，在套管、水泥环和地层中打开通道，使地层和井筒连通。 某些井段由于储层地应力异常高、岩石强度大、钻完井时储层伤害严重、岩石非均质性 强等原因导致地层压不开而使得改造失败，有效降低储层破裂压力是这类储层改造需要 解决的首要难题。 目前降低储层破裂压力方法有优化射孔、喷砂射孔以及高能气体压 裂等 ( 李根生，牛继磊，水力喷砂射孔机理及实验 [J]，石油大学学报，2002，26(2) ：
31 ～ 34 ；严玉中，水力喷砂射孔机理及参数优选研究 [D]2006，中国地质大学 ( 北京 ) 硕士学位论文 ：36-37 ；吴飞鹏 . 高能气体压裂过程动力学模型与工艺技术优化决策研究 [D]2009，中国石油大学 ( 山东东营 ) 博士学位论文 ：48-51)。
优化射孔 ：利用地磁、井眼变形方向等确定地应力的方位，通过固定射孔枪内 射孔弹的喷出方向，确保射孔方位角为 0° ( 射孔孔眼与最大水平主应力方向一致 ) 进行 射孔。
喷砂射孔 ：根据水动力学动量 - 冲量原理，利用地面压裂车将混有一定浓度石 英砂的水浆加压，通过油管泵送至井下，水砂浆通过井下射孔工具的喷嘴喷射出高速射 流，射穿套管和近井地层，形成一定直径和深度的射孔孔眼。
高能气体压裂 ：利用火药或推进剂在油气层中有控制地燃烧，产生大量超过油 气层最大就地应力值的高温高压气体以脉冲加载方式作用于油气层，使井筒周围地层岩 石发生破裂，结果是形成不受地应力控制的多条径向裂缝，降低储层岩石强度和改善储 层渗流条件。
目前降低储层破裂压力的现有技术明显存在以下几个缺点 ：
1) 需要额外的施工材料和设备，操作复杂、施工时间长、作业成本高 ；
2) 优化射孔需要知道精确的地应力方向，射孔弹在高温、深井、致密储层穿透 深度有限 ；
3) 喷砂射孔降低破裂压力的能力显著受到泵车功率、围压的限制，当围压从 8.5MPa( 垂深约 850m) 增加到 20MPa( 垂深约 2000m) 后，射孔深度从 9cm 减少到 5.5cm， 此时射开地层的能力大大削弱 ( 严玉中，水力喷砂射孔机理及参数优选研究 [D]2006，中 国地质大学 ( 北京 ) 硕士学位论文 ：36-37) ；
4) 高能气体压裂对套管有显著的破坏作用，在深井、超深井中，由于高温、高压的影响，高能气体压裂后降低储层破裂压力的作用效果降低。
根据岩石强度理论以及大量的岩石力学实验表明，储层破裂的难易程度在宏观 上与岩石力学性质 ( 抗压强度、断裂韧性、杨氏模量、泊松比等 ) 密切相关。 岩石的力学 性质主要取决于岩石的组成、结构、构造等内在因素，另外也受到围压、温度、溶液、 孔隙压力、时间、岩石变形以及应力状态等环境条件的影响。 岩石矿物颗粒间直接由接 触面上产生的结构作用力以及矿物颗粒通过胶结物所产生的连结力是岩石具有一定强度 的本质。 由于岩石结构强度远远大于胶结物强度，因此岩石破坏的难易程度主要受到胶 结物强度的控制。 岩石力学性质的酸敏感性是指深部、高温储层岩石在与特定酸液接触 后，酸液通过与岩石矿物中的钙质、泥质胶结物以及岩石骨架等发生反应，改变岩石矿 物成分、结构和矿物颗粒间作用力，使得岩石孔隙增加，变得松散脆弱，强度降低，进 而使储层破裂压力降低的现象。
在石油工程领域中，岩石矿物组成可以通过全岩矿物成分分析获得、岩石力学 参数 ( 抗压强度、杨氏模量和泊松比等 ) 可以通过室内三轴力学参数获得，而岩石断裂韧 性与岩石抗压强度具有良好的相关性，最大水平主应力、最小水平主应力可以通过相同 构造临近同层位井的施工资料获得。
利用酸与岩石反应后损伤变量的定义及计算方法，可以建立酸损伤后岩石强度 与矿物组成、酸液类型、作用时间等相关关系，结合损伤力学、断裂力学理论可有效预 测储层经过酸损伤后的破裂压力。 发明内容 本发明的目的在于提供一种预测酸损伤后储层破裂压力的方法，利用该方法可 以克服现有技术的不足，有效解决酸损伤后储层破裂压力的预测精度问题，从而为储层 压裂改造的优化设计提供合理的基础数据，提高储层改造成功率。
一种预测酸损伤后储层破裂压力的方法，主要包括下列步骤 ：
(1) 制备符合实验条件的标准圆柱体岩样 ；
(2) 鉴定岩石圆柱体的矿物成份、确定单矿物含量，计算单矿物圆柱体初始半 径；
(3) 岩样酸损伤处理 ；
(4) 测试标准岩样、酸损伤后岩样围压条件下的杨氏模量、泊松比、抗压强 度；
(5) 计算岩石在不同酸液类型、酸用量、酸作用时间下的损伤变量 ；
(6) 进行酸损伤储层破裂压力预测的岩石力学参数准备 ；
(7) 预测酸损伤后的储层破裂压力。
在本发明中，所述步骤 (1) 中制备符合实验条件的标准圆柱体岩样，即用金刚 石取芯钻头在现场取回的岩柱中钻取 25.4mm×50.0mm 的标准圆柱形试样。
在本发明中，所述步骤 (2) 中鉴定岩石圆柱体的矿物成份、确定单矿物含量， 计算单矿物圆柱体初始半径，就是对制备好的岩样圆柱体，通过岩矿全岩分析手段，获 得储层岩石的单矿物类型、组成及其含量，计算单矿物圆柱体的初始半径，包括下列步 骤：
1) 将岩样圆柱体粉碎至粒径 0.5-1.0mm，用环氧树脂作为粘结剂，将样品和环 氧树脂按 1 ∶ 1 的比例置入模具内，搅拌均匀，静置固化 24h ；
2) 按照 SY/T6414-1999 的标准测定岩石中骨架 ( 石英、碳酸盐岩 ) 和胶结物 ( 高 岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石 ) 等矿物的种类和绝对含量 ；
3) 根据下式计算第 i 种单矿物的初始半径， a0i ：
式子 ：a0i- 岩样中第 i 种单矿物的初始半径， cm ；d- 岩样圆柱体直径， cm ； ρ- 岩样密度， g/cm3 ；ρi- 岩样中第 i 种单矿物的密度， g/cm3 ；wi- 岩样中第 i 种单矿 物的质量绝对含量， ％。
在本发明中，所述步骤 (3) 岩样酸损伤处理包括下列步骤 ：
1) 将制备好的岩样圆柱体在真空条件下饱和标准盐水 ；
2) 将经过标准盐水饱和处理后的岩样放入岩心夹持器内，置于岩心流动装置 中；
3) 将围压缓慢调至 12MPa，实验过程中始终保持围压值大于岩心上游压力 2.0MPa ；
4) 打开岩心夹持器进出口端排气阀，开驱替泵注入标准盐水，当标准盐水从排 气阀中流出时，关驱替泵 ；
5) 将泵注的标准盐水换成实验酸液体系 ；
6) 调节驱替泵的流量到实验选定的初始流量，模拟储层温度，注入不同酸液、 酸量的组合酸液体系。
在本发明中，所述步骤 (4) 中测试岩石抗压强度、杨氏模量、泊松比，包括下 列步骤 ：
1) 将标准圆柱体岩样、酸损伤处理后岩样套上塑料胶套，对岩样施加孔隙压力 ( 储层流体压力 )，围压 ( 储层最小水平主应力 )，进行压缩试验，并记录岩石破坏时的应 力，即抗压强度 ；
2) 根据标准圆柱体岩样、酸损伤处理后岩样的应力、应变曲线，采用 YS/T 63.13-2006 计算岩石杨氏模量和泊松比。
在本发明中，所述步骤 (5) 中计算岩石在不同酸液组合、酸用量、酸作用时间 下的损伤变量，包括下列步骤 ：
1) 利用下式计算任意时刻第 i 种单矿物圆柱体截面半径 ai ：
式中 αi——任意时刻第 i 种单矿物圆柱体的半径，cm ；α0i——第 i 种单矿物圆 柱体的初始半径， cm ；γi——某种酸与第 i 种单矿物的反应速率， mol/(m2 · s) ；t—— 反应时间，s ；βi——单位体积酸液溶解第 i 种单矿物岩石的体积，cm3/cm3 ；ρi——第 i 种单矿物的岩石密度， g/cm3。
2) 利用下式计算第 i 种单矿物在 t 时刻圆柱体截面积的变化 ΔAi ：
ΔAi ＝ π(a0i2-ai2)
3) 利用下式计算整个圆柱体在任意时刻的损伤变量 St ：St——圆柱体任意时刻的损伤变量，无因次 ；n——矿物种类数 ；A——圆柱体 初始横截面积， cm2。
在本发明中，所述步骤 (6) 计算酸损伤射孔井储层破裂压力的参数准备，包括 以下步骤 ：
1) 建立破裂压力预测物理模型、施加约束及载荷、生成有限元网格 ；
2) 根据应变等价原理，利用下式计算酸损伤后岩石弹性矩阵 ：
D* ＝ (1-St)D
式中 ：D*—— 岩石损伤后的弹性矩阵 ；D—— 岩石不存在损伤时的弹性矩阵 ； E—— 岩石不存在损伤时的杨氏模量， MPa ；μ—— 岩石不存在损伤时的泊松比，无因 次。
3) 根据步骤 (3)、 (4) 测试得到的标准岩样、酸损伤后岩样的抗压强度，结合 步骤 (5) 计算得到的岩石损伤变量，通过大量的测试和拟合计算，它们之间存在下式关 系：
σcs/σc ＝ 3.5854St2-1.5429St+0.9927
式中 ：σcs/σc—— 酸损伤后岩样无因次抗压强度， MPa ；σcs—— 酸损伤后的 岩样抗压强度， MPa ；σc——标准岩样的抗压强度， MPa ；
4) 利用下式计算酸损伤后岩样的断裂韧性 ：
KIC ＝ 0.0059σt3+0.0923σt2+0.517σt-0.3322
σt ＝ 1/20σcs
式中 ：KIC—— 酸损伤后岩样的断裂韧性， MPa.m1/2 ；σt—— 岩石抗拉强度， MPa ；
所述步骤 (7) 预测酸损伤后的储层破裂压力，主要是根据储层岩石经过酸损伤 后的岩石力学参数 D*( 岩石损伤后的弹性矩阵 )，将其输入到射孔井破裂压力预测模型 中，计算、提取射孔孔眼尖端储层岩石的应力强度因子 KI2， KII2( 平面应变条件下的裂 缝扩展类型有 I 型、 II 型和 I-II 复合型。 从射孔相位分布以及井筒周围复杂的应力状 态来看， I-II 复合型裂缝扩展判断准则更加符合射孔井储层破裂的真实情况 )。 判断若 KI2+KII2 ≥ KIC2，则储层破裂，此时井筒液柱压力 (p) 即为储层破裂压力 (pr) 即 pr ＝ p。 否 则可增大 p，重复步骤上述步骤，直到满足 KI2+KII2 ≥ KIC2。
式中 ：KI—— I 型裂缝应力强度因子， MPa.m1/2 ；KII—— II 型裂缝应力强度因 子， MPa · m1/2 ；p——井筒液柱压力， MPa ；Pr——储层破裂压力， MPa。
与现有技术相比，本发明提供了一种降低储层破裂压力的新工艺以及预测方
法，可以很大程度的解决酸损伤降低储层破裂压力的预测精度问题。 根据预测结果，能 够选择合理的施工管柱、井口设备等，为储层改造 ( 压裂、酸化 ) 的优化设计提供合理的 基础数据，可以提高改造的成功率和有效率。 附图说明
图 1 是本发明中酸损伤前后岩石应力 - 应变曲线 ； 图 2 是本发明中岩石酸损伤物理模型及俯视效果示意图 (a) 单矿物小圆柱体物理模型 (b) 一种单矿物酸溶蚀俯视图径 ； 图 3 是本发明中射孔井破裂压力预测模型约束及载荷施加条件 ； 图 4 是本发明中酸损伤后杨氏模量与损伤变量的关系曲线 ； 图 5 是本发明中无因次抗压强度与酸损伤变量之间的关系曲线 ； 图 6 是本发明中损伤时间和酸损伤降低储层破裂压力的关系 ； 图 7 是本发明中井筒内压力与射孔孔眼尖端岩石临界应力强度因子的关系。具体实施方式 下面结合附图进一步说明本发明。
一种预测酸损伤后储层破裂压力的方法，主要包括下列步骤 ：
(1) 制备符合实验条件的标准圆柱体岩样 ：
用金刚石取芯钻头在现场取回的储层岩柱中钻取 25.4mm×50.0mm 的标准圆 柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，尽量避免在采取和制备过程中产生裂 缝；
(2) 将一块已制备好的岩样圆柱体，通过岩矿全岩分析，获得储层岩石的单矿物 类型、组成及其含量，计算单矿物圆柱体的初始半径 ：
1) 取一块已制备好的岩样圆柱体，用颚式粉碎机粉碎至粒径 0.5-1.0mm，用缩 分法取 10-20g 备用。 选用环氧树脂作为粘结剂。 取约 5g 样品和环氧树脂按 1 ∶ 1 的比 例置入直径为 20-40mm 的圆形模具内，搅拌均匀，稍固化后在其上加环氧树脂至 12mm 左右的高度，放入标签，静置固化 24h 后取出光片 ；
2) 按照 SY/T6414-1999 的标准测定岩石中骨架 ( 石英、碳酸盐岩 ) 和胶结物 ( 高 岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石 ) 等矿物的种类和绝对含量 ；
3) 根据下式计算第 i 种单矿物的初始半径 a0i ：
(3) 岩样酸损伤处理 ：
1) 将制备好的岩样圆柱体在抽空条件下饱和标准盐水 ；
2) 将经过标准盐水饱和处理后的岩样放入岩心夹持器内，置于岩心流动装置 中，其方向与规定的方向一致 ；
3) 缓慢将围压调至 12MPa，实验过程中始终保持围压值大于岩心上游压力 2.0MPa ；
4) 打开岩心夹持器进出口端排气阀，开驱替泵注入标准盐水，当标准盐水从排
气阀中流出时，关驱替泵 ；
5) 将泵注的标准盐水换成实验用的酸液体系 ；
6) 调节驱替泵的流量到实验选定的初始流量，模拟储层温度，注入不同酸液、 酸量的组合酸液体系 ；
7) 酸液驱替完成后，关闭驱替泵、进出液阀门，清洗实验管线 ；
(4) 测试标准岩样、酸损伤后岩样围压条件下的杨氏模量、泊松比、抗压强 度：
1) 标准圆柱体岩样、酸损伤处理后岩样套上塑料胶套，将试样置于材料试验机 上，并对岩样施加孔隙压力 ( 储层流体压力 )，围压 ( 储层最小水平主应力 )，进行压缩 试验，并记录岩石破坏时的应力，即抗压强度，见图 1 ；
2) 根据标准圆柱体岩样、酸损伤处理后岩样的应力、应变曲线，采用 YS/T 63.13-2006 计算岩石杨氏模量和泊松比 ；
(5) 计算岩石在不同酸液类型、酸用量、酸作用时间下的损伤变量 ：
1) 利用下式计算任意时刻第 i 种单矿物圆柱体截面半径 ai ：
2) 计算第 i 种单矿物在 t 时刻圆柱体截面积的变化 ΔAi，见图 2 ： ΔAi ＝ π(a0i2-ai2) 3) 计算整个圆柱体在任意时刻的损伤变量 ：(6) 计算酸损伤储层破裂压力的基础参数 ： 1) 建立破裂压力预测物理模型、施加约束及载荷 ( 见图 3)、生成有限元网格 ； 2) 利用下式计算酸损伤后岩石弹性矩阵 ( 见图 4) ： D* ＝ (1-St)D 3) 利用下式计算岩石经过酸损伤后的抗压强度 ( 见图 5) ： σcs/σc ＝ 3.5854St2-1.5429St+0.9927 4) 利用下式计算岩石经过酸损伤后的断裂韧性 ： KIC ＝ 0.0059σt3+0.0923σt2+0.517σt-0.3322σt ＝ 1/20σcs
(7) 预测酸损伤后的储层破裂压力 ( 见图 6、图 7) ：
将岩石损伤后的弹性矩阵 D* 输入到射孔井破裂压力预测模型中。 计算、提取 射孔孔眼尖端的储层岩石的应力强度因子 KI2+KII2(KI—— I 型裂缝应力强度因子， MPa. m1/2 ；KII—— II 型裂缝应力强度因子 )。 若 KI2+KII2 ≥ KIC2，则储层破裂，此时井筒液柱压 力 (p) 即为储层破裂压力 (pr) 即 p ＝ pr。 否则可增大 p，重复步骤上述步骤，直到满足 KI2+KII2 ≥ KIC2。
下面进一步举例说明利用本发明具体计算某一地层酸损伤降低储层破裂压力的 定量预测方法，具体如下 ：
某一待压裂地层储层、射孔基本参数如下所示 ：射孔孔眼长度为 104.3mm ；射孔直径为 10mm ；射孔方位角为 0(° ) ；孔密为 20 孔 /m ；杨氏模量 E 为 3.5×104MPa ；泊松比 μ 为 0.24 ；最大水平井主应力 σH 为 85MPa ；最小水平井主应力 σh 为 64.8MPa ；岩石抗压强度 σc 为 267.2MPa。
1) 储层矿物组成及初始半径的计算
根据全岩分析得到岩石矿物组成等参数带入公式得到岩石的矿物组成及初始半径，见表 1。
表 1 储层矿物组成分析
2) 计算岩石任意时刻的损伤变量 根据储层的矿物组成及初始半径，根据酸液反应动力学参数以及溶解系数等， 计算储层岩石任意时刻的损伤变量。根据公式
3) 计算酸损伤后任意时刻岩石的抗压强度
根 据 该 井 未 经 过 损 伤 处 理 时 的 岩 石 抗 压 强 度 为 268MPa、 杨 氏 模 量 为 35000MPa，根据式 D* ＝ (1-St)D 计算损伤后任意时刻的杨氏模量、抗压强度和临界应力 强度因子，见表 2。
表 2 岩石经过 15HCl+3％ HF 的酸液酸损伤处理后的力学参数
4) 将岩石经过酸损伤后的基础参数输入酸损伤破裂压力预测模型，其中储层 最大水平主应力 σH 为 85MPa、最小水平主应力 σh 为 64.8MPa ；岩石损伤 120.12min
后 的 杨 氏 模 量 为 28875.28MPa、 抗 压 强 度 σc 为 223.11MPa、 临 界 应 力 强 度 因 子 为 17.66MPa · m1/2 ；输入不同的井筒内液柱压力计算射孔孔眼尖端岩石的断裂韧性，判断 是否发生断裂，见图 6。
根据输入的基础参数，预测储层经过 15％ HCl+3％ HF 酸液处理 120min 后，储 层的破裂压力为 98.8MPa，与实际施工时的破裂压力 100MPa，相对误差仅为 1.2％，说明 了本发明的适用性和可靠性。