一种探究力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法

本发明属于水力压裂，具体涉及一种探究力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法。

背景技术：

1、高阳地热田是雄安新区开发较晚、探究程度较低，具有较为优质热储资源的地热田，其主要热储为蓟县系雾迷山组和高于庄组，热储类型为碳酸盐岩型。相较与探究程度较高的雾迷山组，高于庄组具有温度高、流体流量大、含水层占比高、热储发育面积广等特点。然而，中国地质科学院于2020年在高阳地热田部署完钻的华北盆地最高温地热井实际出水量(94.5m3/h)与预测的最大水量值(>170m3/h)有一定差距，认为可能与碳酸盐岩的渗透率低、孔隙缝洞发育、非均质性强等特征有关。幸运的是近年来，学者通过理论和实践的探究发现水力压裂技术在高效沟通碳酸盐岩天然裂缝、增加有效流道等方面具有显著效果。

2、相对于油气井，地热井碳酸盐岩热储压裂实践较多，但相关的基础理论探究相对较少。目前，以雄安新区高阳地热田高于庄组热储碳酸盐岩为探究对象，开展了不同围压下的常规三轴压缩和抗拉实验，揭示了高于庄组热储碳酸盐岩在不同围压下的破坏损伤规律。

3、现有的技术中，基于扩展有限元法，探究了冀中坳陷雾迷山组碳酸盐岩在不同初始裂缝场景下，地应力条件及工程压裂参数等因素对岩体裂隙扩展行为的影响；基于comsol提出了一种模拟工程尺度碳酸盐岩热储酸化压裂过程的数值方法，可实现压裂过程中的热-水-力-化四场耦合，为酸化压裂效果评价提供支撑。尽管已有探究成果可为雄安新区高阳地热田高于庄组碳酸盐岩水力压裂的探究提供一定的参考，但该套热储的裂缝起裂机理和扩展规律尚不清楚，这就为选用合理有效的压裂增产改造技术造成困扰；且传统的水力压裂裂缝起裂和扩展理论大多基于线性断裂力学，但是深层地热岩石硬度大，且处于高温高应力环境，表现出强烈的非线性特性，基于线性断裂力学的水力压裂理论难以适应深层地热，水力压裂起裂压力高，形成的裂缝单一，采热偏低。

4、因此亟需设计一种探究水力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法，以解决上述问题，从而为针对不同地域的地热田选用合理有效的压裂增产改造技术提供参考。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种探究水力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法，该方法可以提高对水力压裂过程中裂缝扩展规律的认识，本发明采用基于有限元的全局嵌入内聚力单元方法，利用abaqus软件开展了数值模拟工作，并通过探究和分析了不同的注入液排量和压裂液粘度下热储天然裂缝复杂程度对碳酸盐岩裂缝扩展规律、热储改造面积和破裂压力的影响，以期为水力压裂工程参数的选择和增产方案的设计提供一定的参考。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种探究水力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法，其特征在于：包括：s1.计算碳酸盐岩地层原位地应力值；s2.扫描步骤s1中压裂前/后的岩心试样，确定碳酸盐岩的压裂增产潜力；s3.以步骤s1的原位地应力值和步骤s2的扫描结果为基础，对碳酸盐岩进行水压裂数值模拟。

4、优选地，在步骤s1中，计算碳酸盐岩地层原位地应力值的过程包括：

5、s101-1.利用围压对岩样进行实验，得到岩样声发射信号随载荷的变化曲线；s101-2.根据步骤s101-1的变化曲线，找出每组岩样与kaiser效应相对应的应力值；s101-3.基于步骤s101-2得到的应力值，得到每组岩样围压与地应力关系差值随围压的变化曲线图；

6、s101-4.基于步骤s101-2得到的应力值，确定零围压下相应方向的应力值；s101-5.以步骤s101-3和步骤s101-4的结果为基础，计算地层岩样的主地应力σh、σh、σv；s101-6.通过步骤s101-5的结果，得到对应深度处碳酸盐岩地层岩样的地应力值。

7、优选地，在步骤s101-3中，得到岩样围压与地应力关系差值随围压的变化曲线图的过程包括：用步骤s101-2得到的kaiser效应对应的应力减去由现场测井资料得到的垂向主应力；在步骤s101-4中，得到零围压下相应方向的应力值的过程包括：将步骤s101-2的kaiser效应对应的应力减去围压与地应力回归得到的直线表达式；在步骤s101-2中，找出每组岩样与kaiser效应相对应的应力值过程中，对每组岩样分别在4个方向上施加载荷，其中，4个方向施加的载荷包括1个垂直方向，3个各相隔45°的水平方向。

8、优选地，在步骤s2中，确定碳酸盐岩的压裂增产潜力包括：扫描识别压裂前后岩样裂缝空间几何形态；扫描并计算压裂前后岩样孔隙占比。

9、优选地，在步骤s101-5中，通过式(1)～(4)计算为地层岩样的主地应力σh、σh、σv，其中，式(1)～(4)分别为：

10、σv＝σ⊥+σpp                       (1)

11、

12、

13、

14、式中，σv为上覆地层压力；σh、σh分别为最大和最小水平主地应力；σ⊥为垂直方向岩心kaiser效应对应的应力；α为有效应力系数；σ为上覆地层应力，pp为空隙压力；σ0°、σ45°和σ90°分别为0°、45°、90°三个水平方向岩心kaiser效应对应应力。

15、优选地，在步骤s3中，碳酸盐岩进行水压裂数值模拟的过程包括：s301.基于热储碳酸盐岩实测参数，设置模拟过程中的主要参数；s302.基于步骤s301中的主要参数，探究天然裂缝发育程度、压裂液排量和粘度对水力压裂裂缝起裂和扩展规律的影响；s303.以步骤s302的结论为基础，探究压裂液排量和粘度对工程参数优化的影响；304.以步骤s302的结论为基础，探究天然裂缝地层破裂压力的影响因素。

16、优选地，在步骤s302中，探究天然裂缝发育程度、压裂液排量和粘度对水力压裂裂缝起裂和扩展规律的影响包括：s302-1.固定压裂液排量对不同深度热储的碳酸盐岩水力压裂裂缝起裂和扩展规律的影响；s302-2.固定压裂液粘度对不同深度热储的碳酸盐岩水力压裂裂缝起裂和扩展规律的影响。

17、优选地，在步骤s303中，探究压裂液排量和粘度对工程参数优化的影响包括：s303-1.探究天然裂缝发育程度对压裂效果的影响；s303-2.探究储层改造面积的影响因素。

18、优选地，在步骤s303-2中，探究储层改造面积的影响因素的过程包括：s303-2a.在不同压裂液排量下，对不同层位水力裂缝扩展进行模拟；s303-2b.根据步骤s303-2a的模拟结果，探究压裂液排量对储层改造面积的影响；s303-2c.在不同压裂液粘度下，对不同小层的水力裂缝与天然裂缝的沟通情况进行模拟；s303-2d.根据步骤s303-2c的模拟结果，探究在不同压裂液粘度下，储层改造面积和天然裂缝之间的关系；303-2e.以步骤s303-2b和s303-2d的结果为基础，探究在天然裂缝下，压裂液排量、粘度和储层改造面积之间的关系。

19、优选地，天然裂缝包括：简单天然裂缝、中等天然裂缝、复杂天然裂缝。

20、本发明的有益效果是：本发明公开了一种探究力压裂裂缝与地热储层改造面积关系的方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

21、(1)通过本发明的探究明确了，碳酸盐岩储层压裂时，水力裂缝在不同深度地层中的扩展形态均存在差异，储层改造面积和破裂压力是优选潜力储层的重要指标。

22、(2)通过本发明的探究明确了，相同施工参数下，排量越高，水力裂缝扩展距离越远，储层改造面积越大。

23、(3)通过本发明的探究明确了，相同施工参数下，粘度越高，水力裂缝的破裂压力越高；通过提高压裂液粘度，能够提高微观裂缝出现的概率，从而达到更高效的改造效果。

24、(4)通过本发明的探究明确了，随着地层中天然裂缝发育程度的增加，水力裂缝受到天然裂缝的影响更为严重；水力裂缝在穿越天然裂缝时的转向过程和主裂缝动态分叉是使整体裂缝形态变得复杂的主要因素。