针对微震事件对裂缝几何形状进行校准的方法

1.一种在井场执行压裂操作的方法，所述井场位于地下地层附近，所述地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络，所述裂缝网络包括天然裂缝，通过将具有支撑剂的注射流体注入到所述裂缝网络中使所述井场增产，所述方法包括：
生成包括所述天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据，并且获得所述地下地层的微震事件的测量；
基于所述井场数据对所述裂缝网络的水力压裂进行建模，并且定义所述水力压裂的水力压裂几何形状；
基于所述井场数据使用地质力学模型生成所述水力压裂的应力场；
确定包括在所述裂缝网络附近的断裂包络线和应力状态的剪切断裂参数；
根据所述断裂包络线和所述应力状态确定所述裂缝网络的剪切断裂的位置；以及通过对于所测量的微震事件而将所述建模的水力压裂和剪切断裂的所述位置相比较来校准所述水力压裂几何形状。
2.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述校准来调整所述天然裂缝参数。
3.如权利要求1所述的方法，还包括通过将注射流体注入到所述裂缝网络中使所述井场增产。
4.如权利要求3所述的方法，还包括基于所述校准来调整所述增产操作。
5.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述校准通过选择性地重复所述方法来调整所述井场数据。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定应力场包括执行数值模拟。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定剪切断裂参数包括确定在如下各项中的一项处的应力状态：沿所述天然裂缝、沿所述水力压裂和沿在所述天然裂缝附近的岩石介质。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述地质力学模型包括以下各项中的一项：二维位移不连续方法、三维位移不连续方法、有限元数值地质力学代码和有限差分代码。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述二维位移不连续方法包括：
提供三维校正系数；
针对三维有限差分解验证所述二维位移不连续方法；以及
计算作用于所述裂缝网络上的应力。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述三维位移不连续方法包括：
将离散裂缝网络离散成多个单元；
通过叠加来自所述裂缝网络的所有裂缝单元的应力来在一个点处生成诱导引力；以及施加坐标变换。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准包括执行断裂评估和针对所述微震事件的校准。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准包括：
通过向三维空间中的点施加所述应力场来生成断裂参数图；
基于断裂条件的剪切应力来在和/或沿所述天然裂缝生成应力参数；
将应力参数与微震位置和矩张量属性相比较；
计算在观测到的微震事件的位置处的应力；以及
将预测的包括剪切滑移的断裂与所述微震事件相比较。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述断裂包络线是莫尔-库伦断裂包络线，并且其中，所述应力状态是莫尔圆。
14.一种在井场执行压裂操作的方法，所述井场位于地下地层附近，所述地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络，所述裂缝网络包括天然裂缝，通过将具有支撑剂的注射流体注入到所述裂缝网络中而使所述井场增产，所述方法包括：
生成包括所述天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得所述地下地层的微震事件的测量；
基于所述井场数据对裂缝网络的水力压裂进行建模并且定义所述水力压裂的水力压裂几何形状；
基于所述井场数据使用地质力学模型生成所述水力压裂的应力场；
确定包括在所述裂缝网络附近的断裂包络线和应力状态的剪切断裂参数；
根据所述断裂包络线和所述应力状态确定所述裂缝网络的剪切断裂的位置；以及通过对于所测量的微震事件而将所述建模的水力压裂和剪切断裂的所述位置相比较来校准所述水力压裂几何形状；
基于所述校准来调整所述天然裂缝参数操作；以及
通过将所述注射流体注入到所述裂缝网络中来执行包括使所述井场增产的增产操作。
15.一种在井场执行压裂操作的方法，所述井场位于地下地层附近，所述地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络，所述裂缝网络包括天然裂缝，通过将具有支撑剂的注射流体注入到所述裂缝网络中而使所述井场增产；所述方法包括：
通过将所述注射流体注入到所述裂缝网络中来执行包括使所述井场增产的增产操作；
生成包括所述天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得所述地下地层的微震事件的测量；
基于所述井场数据对所述裂缝网络的水力压裂进行建模并且定义所述水力压裂的水力压裂几何形状；
基于所述井场数据使用地质力学模型生成所述水力压裂的应力场；
确定包括在所述裂缝网络附近的断裂包络线和应力状态的剪切断裂参数；
根据所述断裂包络线和所述应力状态确定所述裂缝网络的剪切断裂的位置；
通过对于所测量的微震事件而将所述建模的水力压裂和剪切断裂的所述位置相比较来校准所述水力压裂几何形状；以及
测量所述井场处的所述井场数据和所述微震事件。

针对微震事件对裂缝几何形状进行校准的方法
背景技术
[0001] 本公开内容总体涉及用于执行井场操作的方法和系统。更具体地，本公开内容针对用于执行压裂操作的方法和系统，例如勘测地下地层和表征地下地层中的水力压裂网络。
[0002] 为了促进从油井和气井中回收碳氢化合物，可对包围这些井的地下地层进行水力压裂。水力压裂可以用于在地下地层中产生裂缝以允许油或气朝向井移动。通过将高压力和高流速的特别设计的流体(在这里被称作“压裂流体”或“压裂浆体”)通过一个或多个井眼引入到地层中来使地层压裂。根据地层内部的固有应力，水力压裂可以远离井眼沿两个相反的方向延伸几百英尺。在特定环境下，其可以形成复杂的裂缝网络。复杂的裂缝网络可以包括诱发的水力压裂和天然裂缝，其沿着多个方位角在多个平面和方向、以及多个区域中可以或可以不交叉。
[0003] 当前的水力压裂监控方法和系统可以绘制出压裂在哪里发生和压裂的程度。微震监控的一些方法和系统可以通过使用模型化的到达时间和/或射线路径将地震到达时间和偏振信息绘制到三维空间中来处理地震活动位置。这些方法和系统可以用于推断随着时间变化的水力压裂扩展。
[0004] 通过压裂增产所产生的水力压裂的模式可以是复杂的并且可以形成如通过相关的微震事件的分布表示的裂缝网络。复杂的水力压裂网络已经发展成可以表示所产生的水力压裂。在美国专利/申请号No.6101447、No.7363162、No.7788074、No.20080133186、No.20100138196和No.20100250215中提供了压裂技术的例子。
发明内容
[0005] 在至少一个方面中，本公开内容涉及在井场执行压裂操作的方法。井场位于地下地层附近，地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络。裂缝网络具有在其中的天然裂缝。可以通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括获得包括天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的地质力学模型并且生成裂缝网络的随着时间变化的水力压裂发展模式。该生成包括从井眼延伸水力压裂并且使其进入地下地层的裂缝网络中以形成包括天然裂缝和水力压裂的水力压裂网络，在延伸之后确定水力压裂的水力压裂参数，确定支撑剂通过水力压裂网络的传输参数，以及根据所确定的水力压裂参数、所确定的传输参数和地质力学模型确定水力压裂的裂缝尺寸。该方法还包括在水力压裂上执行应力投影以确定水力压裂之间的应力干涉并且基于所确定的应力干涉重复上述生成。
[0006] 如果水力压裂遇到天然裂缝，该方法还可包括基于所确定的应力干涉来确定水力压裂与遇到的裂缝之间的交叉特性，并且该重复可以基于所确定的应力干涉和交叉特性来重复该生成。该方法还可包括通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。
[0007] 该方法还可以包括，如果水力压裂遇到天然裂缝，则确定在遇到的天然裂缝处的交叉特性，并且其中，所述重复包括基于所确定的应力干涉和所述交叉特性来重复所述生成。裂缝发展模式可以由交叉特性改变或不改变。水力压裂网络的压裂压力可以大于作用在遇到的裂缝上的应力，并且裂缝发展模式可以沿着遇到的裂缝扩展。裂缝发展模式可以沿着遇到的裂缝继续发展直到到达天然裂缝的端部。裂缝发展模式可以在天然裂缝的端部改变方向，并且裂缝发展模式可以在天然裂缝的端部处沿垂直于最小应力的方向上延伸。
裂缝发展模式可根据应力投影垂直于局部主应力扩展。
[0008] 应力投影可包括对水力压裂中的每一个执行位移不连续法。应力投影包括在井场的多个井眼附近执行应力投影并且使用在多个井眼上执行的应力投影来重复该生成。应力投影可包括在井眼中的多个增产阶段执行应力投影。
[0009] 该方法还可包括验证裂缝发展模式。该验证可包括将裂缝发展模式与裂缝网络的增产的至少一个模拟结果相比较。
[0010] 该延伸可包括基于天然裂缝参数和地下地层上的最小应力和最大应力沿着裂缝发展模式延伸水力压裂。确定裂缝尺寸可包括评估地震测量、蚂蚁追踪、声波测量、地质测量以及其组合中的一种。井场数据可包括地质学数据、岩石物理数据、地质力学数据、测井测量数据、完井数据、历史数据以及其组合中的至少一种。天然裂缝参数可以通过观测井孔成像记录、根据井眼测量估算裂缝尺寸、获得微震图像以及其组合中的一个来生成。
[0011] 在另一个方面中，本公开内容涉及在井场执行压裂操作的方法，井场位于地下地层附近，地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络，裂缝网络包括天然裂缝，通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括获得包括天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的地质力学模型，生成裂缝网络的随时间变化的水力压裂发展模式，在水力压裂上执行微震活动性解释以确定水力压裂之间的应力干涉，以及基于所确定的应力干涉重复该生成。该生成包括从井眼延伸水力压裂并且使其进入地下地层的裂缝网络中以形成包括天然裂缝和水力压裂的水力压裂网络，在延伸之后确定水力压裂的水力压裂参数，确定支撑剂通过水力压裂网络的传输参数，以及根据所确定的水力压裂参数、所确定的传输参数和地质力学模型确定水力压裂的裂缝尺寸。
[0012] 在另一个方面中，提供了在井场执行压裂操作的方法，井场位于地下地层附近，地下地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络。裂缝网络包括天然裂缝，并且通过将具有支撑剂的注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产。该方法包括生成包括天然裂缝的天然裂缝参数的井场数据并且获得地下地层的微震事件的测量，基于该井场数据对裂缝网络的水力压裂进行建模并且定义该水力压裂的水力压裂几何形状，基于该井场数据使用地质力学模型生成该水力压裂的应力场，确定包括在该裂缝网络附近的断裂包络线和应力状态的剪切断裂参数，根据该断裂包络线和应力状态确定该裂缝网络的剪切断裂的位置，以及通过对于所测量的微震事件而将该建模的水力压裂和剪切断裂的位置相比较来校准该水力压裂几何形状。该方法还可以包括在井场测量井场数据和微震事件，基于该校准来调整天然裂缝参数操作，执行增产操作(该增产操作包括通过将注射流体注入到裂缝网络中而使井场增产)，和/或基于该校准来调整增产操作。
[0013] 提供本发明内容是为了引入一系列概念，其在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于辅助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
[0014] 参照附图描述用于表征井眼应力的系统和方法的实施例。遍及附图使用相同的数字以标记相同的特征和部件。
[0015] 图1.1为示出压裂操作的水力压裂现场的示意图；
[0016] 图1.2为在水力压裂现场上示出有微震活动的示意图；
[0017] 图2为2D压裂的示意图；
[0018] 图3为应力投影效应的示意图；
[0019] 图4为将两个平行的直线裂缝的2D位移不连续法(DDM)和Flac3D进行比较的示意图。
[0020] 图5.1-5.3为示出延伸的裂缝在各个位置的应力的2D DDM和Flac3D曲线图；
[0021] 图6.1-6.2为示出两个初始平行的裂缝分别在各向同性和各向异性的应力场中的扩展路径的曲线图；
[0022] 图7.1-7.2为示出两个初始偏移的裂缝分别在各向同性和各向异性的应力场中的扩展路径的曲线图；
[0023] 图8为沿着水平井的横向平行裂缝的示意图；
[0024] 图9为示出五个平行裂缝的长度的曲线图；
[0025] 图10为示出图9的平行裂缝的UFM压裂形状和宽度的示意图；
[0026] 图11.1-11.2为分别示出高射孔摩擦情况和大型压裂空间情况下裂缝形状的示意图；
[0027] 图12为示出微震绘制的图；
[0028] 图13.1-13.4分别为与阶段1-4的微震测量相比较的模拟压裂网络的示意图；
[0029] 图14.1-14.4为示出各个阶段分布的压裂网络的示意图；
[0030] 图15为示出执行压裂操作的方法的流程图；
[0031] 图16.1-16.4为示出在压裂操作过程中在井眼附近的压裂发展的示意图；
[0032] 图17为示出应用到水力压裂上的应力的示意图；
[0033] 图18为示出岩石介质的莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)包络线与莫尔圆的图形；
[0034] 图19.1和19.2分别为表示应用到水力压裂上的应力的截面图和地图视图的示意图；
[0035] 图20为示出具有微震事件时水力压裂与天然裂缝间的相互作用的示意时间轴；
[0036] 图21为示出水力压裂和天然裂缝相互作用的发展的示意图；
[0037] 图22.1和22.2分别为示出离散裂缝网络与具有模拟的水力压裂网络的裂缝网络的示意图；
[0038] 图23.1和23.2为示出用于执行压裂操作的方法的流程图；以及
[0039] 图24为示出关于坐标轴的断裂平面的示意图。
具体实施方式
[0040] 后面的描述包括体现了本发明主题的技术的典型的设备、方法、技术以及控制序列。然而，可以理解的是描述的实施例在没有这些具体的细节时也可以实施。
[0041] I.压裂模型
[0042] 已经形成用于获悉地下裂缝网络的模型。该模型考虑到各种因素和/或数据，但是可以不必考虑裂缝和注射的流体之间以及裂缝之间泵送的流体量或机械作用的限制。限定的模型可以提供对涉及的机理的基本理解，但是在数学描述上是复杂的和/或需要计算机处理数据源和时间以提供对水力压裂扩展的准确模拟。限定的模型可以配置成执行模拟以考虑随着时间变化并且在期望条件下的因素，例如裂缝之间的相互作用。
[0043] 一种非传统的压裂模型(UFM)(或者复合模型)可以用于模拟具有预先存在的天然裂缝的地层中的复杂裂缝网络扩展。多个裂缝分支可以同时扩展并且彼此交叉/交错。每一个开放的裂缝可以对周围的岩石和相邻的裂缝施加额外的应力，这可以被称作“应力投影”效应。应力投影可能引起对裂缝参数(例如，宽度)的限制，这例如可能导致很大的支撑剂渗透的风险。该应力投影还可能改变裂缝扩展路径并且影响裂缝网络模式。该应力投影可能影响复杂裂缝模型中裂缝之间相互作用的建模。
[0044] 提出了一种计算复杂水力压裂网络中应力投影的方法。该方法可以基于具有对有限的裂缝高度进行校正的增强的2D位移不连续法(2D DDM)或3D位移不连续法(3D DDM)执行。通过2D DDM计算出的应力场可以与3D数值模拟(3D DDM或者flac3D)进行比较以确定3D裂缝问题的近似值。这种应力投影计算可以集成在UFM中。两个裂缝的简单情况的结果显示，每一个裂缝例如根据它们的初始相关位置彼此吸引或排斥，并且可以与独立的2D非平面水力压裂模型进行比较。
[0045] 提供了来自多射孔群的平面和复合裂缝扩展的附加例子，显示出裂缝相互作用可以控制裂缝的尺寸和扩展模式。在具有小应力各向异性的地层中，由于裂缝趋于彼此排斥因而裂缝相互作用可能导致裂缝发生巨大的背离。然而，即使当应力各向异性很大并且由于裂缝相互作用受限而发生裂缝转向时，应力投影对裂缝宽度仍然可能具有很强的作用，这可能影响到分配进入多射孔群的注射速率，并且由此影响整个裂缝网络形状和支撑剂放置。
[0046] 图1.1和1.2示出了关于井场100的裂缝扩展。井场具有从井口装置108开始在地面位置延伸并且穿过位于其下的地下地层102延伸的井孔104。裂缝网络106在井孔104附近延伸。泵系统129位于井口装置108附近，以用于使流体通过管道142。
[0047] 泵系统129被示出为受记录维护和运行数据和/或根据规定的泵送安排表执行操作的现场操作者127控制。泵系统129在压裂操作中将流体从地面泵送到井眼104。
[0048] 泵系统129可包括水源，例如多个水罐131，向凝胶水合单元133提供水。凝胶水合单元133将来自水罐131的水与凝胶剂混合形成凝胶。凝胶接着被送入搅拌机135，在其中与来自支撑剂运送装置137的支撑剂混合，形成压裂流体。凝胶剂可以用于提高压裂流体的粘性，并且使支撑剂悬浮在压裂流体中。其还可以作用为摩擦减小剂使得在具有较小摩擦压力的同时具有较高的泵送速率。
[0049] 压裂流体接着从搅拌机135被泵送到具有柱塞泵的处理车120中，如实线143所示。
每一个处理车120接收低压压裂流体并且将其排放到处于高压的共用集管139(有时被称作发射拖车或发射器)中，如虚线141所示。发射器139接着将压裂流体从处理车120引导到井眼104中，如实线115所示。可以使用一个或多个处理车120来提供具有期望流速的压裂流体。
[0050] 每一个处理车120通常可以以任意的速率运行，例如在其最大运行容量下很好地运行。在运行容量下工作的处理车120可以允许其中一个失效并且其余的在较高的速度下运行以弥补失效泵的缺席。可以采用计算机操作的控制系统在压力运行过程中管理整个泵系统129。
[0051] 各种流体，例如传统的具有支撑剂的激发流体，都可以用于产生压裂。其它流体，例如粘性凝胶、“滑溜水(slick water，其具有摩擦减少物(聚合物)和水)”也可以用于水力压裂页岩气井。这种“滑溜水”可以是薄流体形式(例如，接近于水的粘性)并且可以用于产生更复杂的裂缝，例如通过监测可检测到的多微震裂缝。
[0052] 如图1.1和1.2所示，裂缝网络包括位于在井眼104附近的各个位置处的裂缝。这些裂缝可以是在流体注射之前具有的天然裂缝144，或者在注射过程中在地层102附近的水力压裂146。图1.2示出基于使用传统方法聚集的微震活动148的裂缝网络106。
[0053] 多级增产是非传统气藏开发的规范。然而，对页岩气藏完井进行最优化的障碍可能包括缺少能够正确地模拟在这些地层中经常能看到的复杂裂缝扩展的水力压裂模型。已经开发出了复杂的压裂网络模型(或者UFM)(例如参见Weng,X.,Kresse,O.,Wu,R.,and Gu,H.,Modeling of Hydraulic Fracture Propagation in a Naturally Fractured Formation.Paper SPE 140253presented at the SPE Hydraulic Fracturing 
Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,USA,January 24-26(2011)(此后称作"Weng 2011")；Kresse,O.,Cohen,C,Weng,X,Wu,R.,and Gu,H 2011(此后称作"
Kresse2011").Numerical Modeling of Hydraulic Fracturing in Naturally 
Fractured Formations.45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium,San Francisco,CA,June 26-29,其全部内容通过引用由此并入本文)。
[0054] 现有的模型可以用于模拟裂缝扩展、岩石变形以及流体在处理过程中产生的复杂裂缝网络中的流动。该模型还可以用于解决在裂缝网络中流动的流体以及裂缝的弹性变形的完全耦合问题，其与传统的虚拟3D压裂模型具有相似的假设和控制方程。泵送的流体和支撑剂的每种组分的迁移方程都可以被解决。
[0055] 传统的平面压裂模型可以对裂缝网络的各个方面进行建模。提供的UFM还可以包括模拟具有预先存在的天然裂缝的水力压裂的相互作用的能力，即确定当它们相互作用并且沿着天然裂缝继续扩展时水力压裂扩展穿过天然裂缝还是被天然裂缝阻止。水力压裂在与天然裂缝的交叉点上的分支促进了复杂裂缝网络的发展。
[0056] 交叉模型可以从Renshaw and Pollard(例如参见,Renshaw,C E.and Pollard,D.D.1995,An Experimentally Verified Criterion for Propagation across 
Unbounded  Frictional  Interfaces  in  Brittle,Linear  Elastic 
Materials.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.&Geomech.Abstr.,32:237-249(1995)，其全部内容通过引用由此并入本文)界面交叉标准延伸，应用于任意的交叉角度，并且可以被开发(例如参见,Gu,H.and Weng,X.Criterion for Fractures Crossing Frictional Interfaces at Non-orthogonal Angles.44th US Rock symposium,Salt Lake City,Utah,June 27-
30,2010(此后被称作"Gu和Weng 2010")，其全部内容通过引用由此并入本文)并且经过实验数据的查验(例如参见Gu,H.,Weng,X.,Lund,J.,Mack,M.,Ganguly,U.and Suarez-Rivera R.2011.Hydraulic Fracture Crossing Natural Fracture at Non-Orthogonal Angles,A Criterion,Its Validation and Applications.Paper SPE 139984presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,January 24-26(2011)(此后被称作"Gu et al.2011")，其全部内容通过引用由此并入本文)并且整合在UFM中。
[0057] 为了正确地模拟多条或复杂的裂缝的扩展，压裂模型可以考虑相邻的水力压裂分支之间的相互作用，其通常被称作“应力投影”效应。当单个平面水力压裂在有限流体净压力下被打开时，其可以在周围岩石上施加与净压力成比例的应力场。
[0058] 在具有恒定有限高度的无限长垂直裂缝的极限情况中，可以提供由开放的裂缝所施加的应力场的解析表达式。例如参见Warpinski,N.F.and Teufel,L.W.,Influence of Geologic Discontinuities on Hydraulic Fracture Propagation,JPT,Feb.,209-220(1987)(此后称为"Warpinski和Teufel")以及Warpinski,N.R.,and Branagan,P.T.,Altered-Stress Fracturing.SPE JPT,September,1989,990-997(1989),其全部内容通过引用由此并入本文。净压力(或者更精确地为产生指定裂缝开口的压力)可以在垂直于裂缝的方向上在最小化的原处应力上施加压应力，其在压裂面上等于净压力，但是随着与裂缝的距离的增大而快速减少。
[0059] 在超过裂缝高度的距离上，诱导应力可能只是净压力的一小部分。因此，术语“应力投影”可以用于描述围绕裂缝的区域中应力的增加。如果产生的第二水力压裂平行于已有的开放裂缝，并且如果第二水力压裂落在“应力投影”中(即与已有裂缝的距离小于裂缝高度)，第二裂缝实际上可能经受大于初始原处应力的闭合应力。因此，可能需要更高的压力来扩展裂缝，和/或裂缝与相应的单个裂缝相比需要更窄的宽度。
[0060] 应力投影研究的一个应用可以包括对从水平井眼开始同时扩展的多个裂缝之间的裂缝间隔的设计和优化。在极低渗透的页岩中，裂缝密集分布用于气藏的有效排出。然而，应力投影效应可以防止裂缝在其它裂缝的近邻中扩展(例如参见Fisher,M.K.,J.R.Heinze,C.D.Harris,B.M.Davidson,C.A.Wright,and K.P.Dunn,Optimizing 
horizontal completion techniques in the Barnett Shale using microseismic fracture mapping.SPE 90051presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Houston,26-29September2004，其全部内容通过引用由此并入本文)。
[0061] 过去已经对平行的裂缝之间的干扰进行了研究(例如参见Warpinski and 
Teufel；Britt,L.K.and Smith,M.B.,Horizontal Well Completion,Stimulation Optimization,and Risk Mitigation.Paper SPE 125526presented at the 2009SPE Eastern Regional  Meeting,Charleston,September 23-25,2009；Cheng,
Y.2009.Boundary Element Analysis of the Stress Distribution around Multiple Fractures:Implications for the Spacing of Perforation Clusters of 
Hydraulically Fractured Horizontal Wells.Paper SPE 125769presented at the 
2009SPE Eastern Regional Meeting,Charleston,September 23-25,2009；Meyer,B.R.and Bazan,L.W.,A Discrete Fracture Network Model for Hydraulically Induced  Fractures:Theory,Parametric and  Case Studies.Paper  SPE 
140514presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,USA,January 24-26,2011；Roussel,N.P.and Sharma,M.M,Optimizing Fracture Spacing and Sequencing in Horizontal-Well Fracturing,SPEPE,May,2011,pp.173-184,其全部内容通过引用由此并入本文)。这些研究可以包括静态条件下的平行裂缝。
[0062] 应力投影的一种效应可以是在多个平行裂缝的中间区域中的裂缝可以具有更小的宽度，这是由于来自邻近裂缝的增强的压应力(例如参见Germanovich,L.N.,and Astakhov D.,Fracture Closure in Extension and Mechanical Interaction of Parallel Joints.J.Geophys.Res.,109,B02208,doi:10.1029/2002JB002131(2004)；
Olson,J.E.,Multi-Fracture Propagation Modeling:Applications to Hydraulic Fracturing in Shales and Tight Sands.42nd US Rock Mechanics Symposium and 2nd US-Canada Rock Mechanics Symposium,San Francisco,CA,June 29-July 2,2008,其全部内容通过引用由此并入本文)。当多个裂缝同时扩展时，进入裂缝的流量分配可能是动态过程并且可能受到裂缝的净压力的影响。净压力高度依赖于裂缝的宽度，并且由此，应力投影对流量分配和裂缝尺寸的影响需要进一步的研究。
[0063] 同时扩展的多个裂缝的动力学也依赖于初始裂缝的相对位置。如果裂缝是平行的，例如在多个裂缝与水平井眼垂直的情况中，裂缝可彼此排斥，导致裂缝向外弯曲。然而，如果多个裂缝以阶梯样式分布时，例如对于从不垂直于裂缝平面的水平井眼起始的裂缝，相邻裂缝之间的相互作用使得它们的端部彼此吸引并且甚至连接到一起(例如参见Olson,J.E.Fracture Mechanics Analysis of Joints and Veins.PhD dissertation,Stanford University,San Francisco,California(1990)；Yew,C.H.,Mear,M.E.,Chang,CC,and Zhang,X.C.On Perforating and Fracturing of Deviated Cased Wellbores.Paper SPE 
26514presented at SPE 68th Annual Technical Conference and Exhibition,
Houston,TX,Oct.3-6(1993)；Weng,X.,Fracture Initiation and Propagation from Deviated Wellbores.Paper SPE 26597presented at SPE 68th Annual Technical Conference and Exhibition,Houston,TX,Oct.3-6(1993)，其全部内容通过引用由此并入本文)。
[0064] 当水力压裂与朝向不同方向的次生裂缝交叉时，其在次生裂缝上施加与净压力成比例的附加闭合应力。该应力可以被提取出并且被考虑到在对裂缝性地层的压力依赖泄露进行分析的裂缝开启压力的计算中(例如参见Nolte,K.,Fracturing Pressure Analysis for nonideal behavior.JPT,Feb.1991,210-218(SPE 20704)(1991)(此后被称作"Nolte 
1991")，其全部内容通过引用由此并入本文)。
[0065] 对于更加复杂的裂缝，可以具有上面讨论的各种裂缝的相互作用的组合。为了正确地说明这些相互作用并且保持计算效率使其能够结合到复杂裂缝网络模型中，可以构建正确的建模框架。基于增强的2D位移不连续法(2D DDM)的方法可以用于计算在指定裂缝上以及在其余的复杂裂缝网络的岩石中的诱导应力(例如参见Olson,J.E.,Predicting Fracture Swarms-The Influence of Sub critical Crack Growth and the Crack-Tip Process Zone on Joints Spacing in Rock.In The Initiation,Propagation and Arrest of Joints and Other Fractures,ed.J.W.Cosgrove and T.Engelder,
Geological Soc.Special Publications,London,231,73-87(2004)(此后被称作"Olson 
2004")，其全部内容通过引用由此并入本文)。裂缝转向还可以基于由于应力投影效应而在扩展的裂缝端部之前的改变的局部应力方向而建立模型。给出结合有裂缝相互作用建模的来自UFM模型的模拟结果。
[0066] UFM模型描述
[0067] 为了模拟由多个相互交叉的裂缝组成的复杂裂缝网络的扩展，可以使用控制压裂过程的基础物理过程的方程。基本的控制方程例如包括控制裂缝网络中的流体流动的方程、控制裂缝变形、以及裂缝扩展/相互作用标准的方程。
[0068] 连续方程假定流体流动沿着裂缝网络扩展，具有以下质量守恒：
[0069]
[0070] 其中，q为水力压裂内沿着长度的局部流量， 为裂缝在位置s＝s(x,y)处的横截面的平均宽度或开口，Hfl为裂缝中流体的高度，并且qL为穿过水力压裂壁进入基质的每单位高度的泄漏容积率(压裂流体渗透进入周围的可渗透介质的速度)，其通过Carter泄漏模型(Carter's leak-off model)进行表达。裂缝端部作为尖端扩展，并且水力压裂的长度在任意给定时间t被限定为l(t)。
[0071] 驱动流体的特性可以由幂律指数n'(流体流性指数)和稠度指数K'限定。流体流动可以是层流、湍流或者透过支撑剂包的达西流(Darcy flow)，并且相应地可以采用不同的规律描述。对于任意给定裂缝分支中的幂律流体的1D层流这种普遍的情况而言，可以使用泊肃叶定律(Poiseuille law，例如参见Nolte,1991)：
[0072]
[0073] 其中：
[0074]
[0075] 这里，w(z)表示裂缝宽度，其为当前位置s的深度的函数，α为系数，n'为幂律指数(流体稠度指数)，φ为形函数，并且dz为沿着公式中的裂缝高度的积分增量。
[0076] 裂缝宽度通过弹性方程与流体压力关联。岩石的弹性(其可以被认为是大致均质、各向同性、线性的弹性材料)可以通过杨氏模量E和泊松比v限定。对于位于具有可变的最小水平应力σh(x,y,z)和流体压力p的层状介质中的垂直裂缝来说，宽度截面(width profile)(w)可以通过给出的解析解法确定：
[0077] w(x,y,z)＝w(p(x,y),H,z)  (4)
[0078] 其中W是在具有空间坐标x、y、z(裂缝单元的中心的坐标)的点上的裂缝宽度；p(x,y)为流体压力，H为裂缝单元高度，并且z为沿着裂缝单元在点(x,y)上的垂直坐标。
[0079] 由于裂缝的高度可以变化，控制方程组还可以包括例如在Kresse 2011中描述的高度增长计算。
[0080] 除了上面描述的方程，整体体积平衡条件也可以得到满足：
[0081]
[0082] 其中gL为流体渗漏速度，Q(t)为时间相关的注射速率，H(s,t)为裂缝在空间点s(x,y)并且在时间t处的高度，ds为沿着裂缝长度用于积分的长度增量，dt为时间增量，dhl为渗漏高度的增量，HL为渗漏高度，并且s0为喷射损失系数。方程(5)表示在时间t之内泵送的流体的总体积等于裂缝网络中的流体体积和直到时间t从裂缝渗漏的流体体积。这里的L(t)表示HFN在时间t的总长度并且S0为喷射损失系数。边界条件需要流率、净压力以及裂缝宽度在所有裂缝端部处为零。
[0083] 方程1-5的系统与初始和边界条件一起可以用于表述一组控制方程。将这些方程组合并且将裂缝网络离散成小单元就可以形成每一个单元的流体压力p的非线性系统方程，简化为f(p)＝0，其可以使用阻尼牛顿-拉夫逊方法进行解析。
[0084] 在对水力压裂在天然开裂的气藏中的扩展进行建模时可以考虑裂缝的相互作用。
这例如包括，水力压裂和天然裂缝之间的相互作用，还有水力压裂之间的相互作用。对于水力压裂和天然裂缝之间的相互作用，可以在UFM中执行半解析交叉准则，例如使用在Gu和Weng 2010以及Guetal等2011中描述的方法。
[0085] 应力投影的建模
[0086] 对于平行裂缝，应力投影可以通过相邻裂缝的应力叠加来表示。图2为2D裂缝200关于具有x-轴和y-轴的坐标系统的示意图。沿着2D裂缝的各个点，例如位于h/2处的第一端、位于-h/2处的第二端以及中间点被延伸到观察点(x,y)。每条线L从沿着2D裂缝的各个点成角度θ1、θ2延伸到观察点。
[0087] 在具有内部压力p的2D裂缝附近的应力场例如可以使用在Warpinski和Teufel中描述的技术来计算。影响裂缝宽度的应力为σx，并且可以通过下面的公式计算得出：
[0088]
[0089] 其中，
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] 并且其中σx为x方向上的应力，p为内部压力，并且 为图2的
通过一半高度h/2裂缝规范化的坐标和距离。由于σx在y方向以及x方向上变化，在裂缝整个高度上的平均应力可以用在应力投影的计算中。
[0094] 上面给出的解析方程可以用于计算其中一条裂缝作用在相邻的平行裂缝上的平均有效应力并且可以被包括在作用在该裂缝上的有效闭合应力中。
[0095] 对于更复杂的裂缝网络，裂缝可以朝向不同的方向并且彼此相互交叉。图3示出示出了应力投影效应的复杂裂缝网络300。该裂缝网络300包括从井眼304延伸并且与裂缝网络300中的其它裂缝305相互交叉的水力压裂303。
[0096] 一种更加通用的方法可以用于计算从裂缝网络的其余部分中的任意指定的裂缝分支上的有效应力。在UFM中，裂缝之间的机械相互作用可以基于增强的2D位移不连续法(DDM)进行建模(Olson 2004)，用于计算诱导应力(例如参见图3)。
[0097] 在2D中，平面应变、位移不连续方法(例如参见Crouch,S.L.and Starfield,A.M.,Boundary Element Methods in Solid Mechanics,George Allen&Unwin Ltd,
London.Fisher,M.K.(1983)(此后被称作Crouch和Starfield1983)，其全部内容通过引用由此并入本文)，可以用于描述作用在一个裂缝单元上的由所有裂缝单元的张开和剪切位移间断(DD和Ds)诱发的正应力和切应力(σn和σs)。为了说明由于有限裂缝高度而产生的3D效应，可以使用Olson 2004来为与如下的2D DDM校正弹性方程相结合的干扰系数Cij提供3D校正因子：
[0098]
[0099]
[0100] 其中A为在方程(9)中描述的干扰系数的矩阵，N为考虑了其相互作用的网络中的单元总数，i为所考虑的单元，并且j＝1,N为网络中的其它单元，它们对于单元i上的应力的影响也被计算；并且其中Cij为2D、平面应变弹性干扰系数。这些表达式可以在Crouch和Starfield 1983中找到。
[0101] 图3的Elem i和j示意性地示出了方程(8.1、8.2)中的变量i和j。应用于Elem j的间断Ds和Dn也在图3中进行示出。Dn可以和裂缝宽度一样大，并且剪切应力σs如图所示可以是0。Elem j的位移间断在Elem i上产生应力，如所示出的σn和σs。
[0102] Olson 2004所给出的3D校正因子可以表述如下：
[0103]
[0104] 其中h为裂缝高度，dij为单元i和j之间的距离，α和β为拟合参数。方程9示出3D校正因子可能导致当任意两个裂缝单元之间的距离增加时，彼此之间的相互作用发生衰减。
[0105] 在UFM模型中，在每一个时间步长，可以计算出由于应力投影效应所引起的附加诱导应力。可以假设在任意时间，裂缝宽度等于法向位移间断(Dn)并且在裂缝表面的剪切应力为零，即Dnj＝wj，σsi＝0。将这两个条件代入方程8.1和8.2，可以得出剪切位移间断(Ds)和在每一个裂缝单元上诱导的正应力(σn)。
[0106] 应力投影诱导的应力对裂缝网络扩展模式的影响可以分两层来描述。首先，在压力和宽度迭代过程中，每一个裂缝单元上的初始原处应力可以通过增加由于应力投影效应而产生的附加正应力而被校正。这可能直接影响裂缝压力和宽度分布，导致压裂发展发生改变。其次，通过包含应力投影诱导应力(正向和切向应力)，位于扩展端部前方的局部应力场也可以被改变，这可能使得局部主应力方向从初始的原处应力方向偏离。该改变后的局部主应力方向可以导致裂缝从其初始扩展平面发生转向并且可能进一步影响裂缝网络扩展模式。
[0107] 应力投影模型的验证
[0108] 对于双翼裂缝情形的UFM模型的验证例如可以使用Weng 2011或者Kresse 2011进行。还可以使用应力投影建模方法进行验证。例如，可以将使用2D DDM的结果与Itasca Consulting Group Inc.,2002,FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 
3Dimensions),Version 2.1,Minneapolis:ICG(2002)(此后被称作"Itasca,2002")给出的Flac 3D进行比较。
[0109] 增强的2D DDM与Flac3D的对比
[0110] Olson 2004提出的3D校正因子包括两个经验常数α和β。可以通过将对具有无限长度和有限高度的平面应变裂缝的由数值方法(增强的2D DDM)获得的应力与由解析方法获得的应力进行对比而对α和β的值进行校准。可以进一步通过将对具有有限长度和高度的两个平行直线裂缝的2D DDM结果与例如使用FLAC 3D进行完整的三维数值方法获得的结果进行对比而对该模型进行验证。
[0111] 验证问题在图4中示出。图4的示意图400将用于两个平行直线裂缝的增强2D DDM和Flac 3D进行对比。如图400所示，两个平行的裂缝407.1、407.2经受沿着x、y坐标轴的应力σx、σy。裂缝分别具有长度2Lxf以及压裂压力p1、p2。裂缝的间隔距离为s。
[0112] 裂缝在Flac 3D中可以被模拟成两个表面处于相同位置但是具有独立的网格点。
恒定的内部流体压力作为正应力被施加到网格上。裂缝还要经受间接应力σx和σy。两个裂缝具有相同的长度和高度，其中高度/一半长度的比值为0.3。
[0113] 可以沿着x-轴(y＝0)和y-轴(x＝0)对应力进行对比。两条相距很近的裂缝(s/h＝
0.5)可以被模拟成如图5.1-5.3所示的对比。这些图给出了拓展的2D DDM和Flac 3D的对比：沿着x-轴(y＝0)和y-轴(x＝0)的应力对比。
[0114] 这些图分别包括曲线图500.1、500.2、500.3，分别示出延伸的裂缝2D DDM和Flac 
3D的沿着y-轴的σy，沿着y-轴的σx，以及沿着x-轴的σy。图5.1使用2D DDM和Flac 3D绘制出σy/p(y-轴)与距离裂缝的规范化距离(x-轴)之间的曲线图。图5.2使用2D DDM和Flac 3D绘制出σx/p(y-轴)与距离裂缝的规范化距离(x-轴)之间的曲线图。图5.3使用2D DDM和Flac 
3D绘制出σy/p(y-轴)与距离裂缝的规范化距离(x-轴)之间的曲线图。裂缝端部的位置Lf被示出成沿着线x/h。
[0115] 如图5.1-5.3所示，采用3D校正因子的增强的2D DDM方法所模拟出的应力与采用完全3D模拟得出的结果非常吻合，这意味着校正因子能够在应力场的裂缝高度上获得3D效果。
[0116] 与CSIRO模型的对比
[0117] 结合有增强的2D DDM方法的UFM模型可以通过采用CSIRO对完全2D DDM模拟器进行修改而得到验证(例如参见Zhang,X.,Jeffrey,R.G.,and  Thiercelin,
M.2007.Deflection and Propagation of Fluid-Driven Fractures at Frictional Bedding Interfaces:A Numerical Investigation.Journal of Structural Geology,
29:396-410,(此后被称作"Zhang 2007")，其全部内容通过引用由此并入本文)。这种方法例如可以用于裂缝非常高、2D DDM方法无法考虑裂缝高度的3D效果的这种受限的情况中。
[0118] 可以对两个邻近扩展的裂缝对彼此扩展路径的影响进行比较。两个初始彼此平行的水力压裂的扩展(沿着局部最大应力方向的扩展)可以被模拟成如下形式，例如：1)起始点位于彼此的顶部并且彼此各向同性地偏移；以及2)各向异性的远场应力。裂缝扩展路径和每一个裂缝内部的压力可以关于UFM和CSIRO编码对表1给出的输入数据进行对比。
[0119]
注射流量 0.106m3/s 40bbl/min
应力各向异性 0.9MPa 130psi
杨氏模量 3×10^10Pa 4.35e+6psi
泊松比 0.35 0.35
流体粘性 0.001pa·s 1cp
流体比重 1.0 1.0
最小水平应力 46.7MPa 6773psi
最大水平应力 47.6MPa 6903psi
裂缝韧度 1MPa·m0.5 1000psi/in0.5
裂缝高度 120m 394ft
[0120] 表1对CSIRO模型进行验证的输入数据
[0121] 当两条裂缝起始时彼此平行并且起始点间隔dx＝0，dy＝33ft(10.1m)时(最大水平应力场沿x-方向定向)，由于应力投影效应它们可能转向彼此分开。
[0122] 各向同性和各向异性应力场的扩展路径在图6.1和6.2中示出。这些图为分别示出两条初始平行的裂缝609.1、609.2在各向同性和各向异性应力场中的扩展路径的曲线图
600.1、600.2。裂缝609.1和609.2初始平行地接近于注射点615.1、615.2，但是随着它们从那里延伸出去而发生分叉。与各向同性的情况相比，裂缝在应力各向异性情况下的曲率被示出成更小。这可能是由于趋于使裂缝彼此分离的应力投影效应与推动裂缝在最大水平应力(x-方向)上扩展的远场应力之间的竞争引起的。远场应力的影响随着裂缝之间距离的增加而变得显著，在这种情况下，裂缝可能趋于平行于最大水平应力方向扩展。
[0123] 图7.1和7.2示出了曲线图700.1、700.2，示出一对分别从不同的注射点711.1、
711.2开始的裂缝。这些图示出当裂缝从间隔距离为dx＝dy＝(10.1m)的点开始时在各向同性和各向异性应力场中的对比。在这些图中，裂缝709.1、709.2趋于朝向彼此扩展。相似类型表现的例子已经在实验室研究中被发现(例如参见Zhang 2007)。
[0124] 如上面所指出的，在UFM模型中采用的增强的2D DDM方法能够获得有限裂缝高度在裂缝相互作用和扩展模式上的3D效果，同时在计算上也是高效的。能够提供用于垂直水力压裂网络和裂缝扩展方向(模式)的应力场的良好评估。
[0125] 案例
[0126] 案例#1水平井中的平行裂缝
[0127] 图8为示意图800，示出平行的横断裂缝811.1、811.2、811.3分别从多个在水平井眼804附近的射孔群815.1、815.2、815.3中同时地扩展。裂缝811.1、811.2、811.3中的每一个提供不同的流量q1、q2、q3，其为在压力p0下的总流量qt的一部分。
[0128] 当对于所有的裂缝来说地层条件和井孔都相同时，如果在射孔群之间的井眼中的摩擦压力占比很小，那么裂缝可能具有大致相同的尺寸。这可以假定成裂缝被分隔开足够远并且应力投影效应可被忽略。当裂缝之间的间隔位于应力投影影响的区域内时，裂缝可能不仅在宽度上受影响，而且还在其它裂缝尺寸上受影响。为了对此进行描述，可以对具有五条平行裂缝的简单例子进行考虑。
[0129] 在该例子中，裂缝被假定为具有恒定的高度100ft(30.5m)。裂缝之间的间隔为
65ft(19.8m)。其它输入参数在表2中给出。
[0130]
[0131] 表2案例#1的输入参数
[0132] 对于这种简单情况，传统的用于多条裂缝的Perkins-Kern-Nordgren(PKN)模型(例如参见Mack,M.G.and  Warpinski,N.R.,Mechanics  of  Hydraulic 
Fracturing.Chapter 6,Reservoir Stimulation,3rd Ed.,eds.Economides,M.J.and Nolte,K.G.John Wiley&Sons(2000))可以通过结合方程6给出的应力投影计算而被校正。
闭合应力的增加通过将方程6计算的应力在整个裂缝上进行平均来近似。注意到这种简化的PKN模型由于应力投影效应而不能模拟裂缝转向。这种简单模型的结果可以与结合有沿着整个裂缝路径还有裂缝转向逐点进行的应力投影计算的UFM模型进行比较。
[0133] 图9示出从两种模型得出的五条裂缝的裂缝长度的模拟结果。图9为示出五条平行裂缝在注射过程中长度(y-轴)随着时间(t)变化的曲线图900。线917.1-917.5是UFM模型产生的。线919.1-919.5是由简化的PKN模型产生的。
[0134] 图9中UFM模型得到的五条裂缝的裂缝形状和宽度的轮廓在图10中示出。图10为示出在井眼1004附近的裂缝1021.1-1021.5的示意图1000。
[0135] 裂缝1021.3为五条裂缝中间的一条，并且裂缝1021.1和1021.5为最边上的两条。
由于裂缝1021.2、1021.3以及1021.4由于应力投影效应而比外边的两条裂缝具有更小的宽度，因此它们可能具有更大的流阻，容纳更少的流量，并且具有更短的长度。因此，应力投影在动态条件下不仅仅影响裂缝宽度而且还影响裂缝长度。
[0136] 应力投影效应可以通过许多参数对裂缝的几何形状产生影响。为了示出这些参数的效果，对于变化的裂缝间隔、射孔摩擦以及应力各向异性的情况下计算出的裂缝长度在表3中示出。
[0137] 图11.1和11.2示出由UFM预测的在大射孔摩擦和大裂缝间隔(例如，大约120ft(36.6m))情况下的裂缝形状。图11.1和11.2为示出在井眼1104附近的五条裂缝1123.1-
1123.5的示意图1100.1和1100.2。当射孔摩擦很大时，能够提供均匀地将流量分配到全部的射孔群里的巨大偏移力。因此，可以克服应力投影并且如图11.1所示由此产生的裂缝长度可以变得近似相等。当裂缝间隔很大时，应力投影效应可以消散，并且如图11.2所示裂缝具有大致相同的尺寸。
[0138]
[0139] 表3各种参数对裂缝形状的影响
[0140] 案例#2复杂裂缝
[0141] 在图12的例子中，UFM模型可以用于模拟页岩中水平井的4-阶段水力压裂处理。例如参见Cipolla,C,Weng,X.,Mack,M.,Ganguly,U.,Kresse,O.,Gu,H.,Cohen,C and Wu,R.,Integrating Microseismic Mapping and Complex Fracture Modeling to 
Characterize Fracture Complexity.Paper SPE 140185presented at the SPE 
Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,USA,January 
24-26,2011(此后被称作“Cipolla 2011”)，其全部内容通过引用由此并入本文。该井可以被包围住并且用水泥浇筑，并且每一阶段泵送通过三或四个射孔群。四个阶段中的每一个阶段包括大约25,000bbls(4000m3)的流体和440,000lbs(2e+6kg)的支撑剂。广泛数据对于井是可用的，包括提供最小和最大水平应力的估计的先进的声波测井。微震测绘数据对于各个阶段都是可用的。例如参见Daniels,J.,Waters,G.,LeCalvez,J.,Lassek,J.,and Bentley,D.,Contacting More of the Barnett Shale Through an Integration of Real-Time Microseismic Monitoring,Petrophysics,and Hydraulic Fracture 
Design.Paper SPE 110562presented at the 2007SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Anaheim,California,USA,October 12-14,2007。该例子在图12中示出。
图12为示出在井眼1204附近的各阶段微震活动1223的微震测绘图。
[0142] 由先进的声波测井得到的应力各向异性表明井的前段比尾段具有更高的应力各向异性。先进的3D地震分析表明占优势的天然裂缝走向从前段的NE-SW向横向的尾段的NW-SE改变。例如参见Rich,J.P.and Ammerman,M.,Unconventional Geophysics for Unconventional Plays.Paper SPE 131779presented at the Unconventional Gas Conference,Pittsburgh,Pennsylvania,USA,February 23-25,2010，其全部内容通过引用由此并入本文。
[0143] 模拟结果可能基于UFM模型而不结合完全的应力投影计算(例如，参见Cipolla 
2011)，包括切应力和裂缝转向(例如参见Weng 2011)。该模拟可以升级成具有这里提供的完全应力模型。图13.1-13.4分别示出模拟的在井眼1304附近的裂缝网络1306在全部四个阶段的平面视图，以及它们分别与微震测量1323.1-1323.4的对比。
[0144] 从图13.1-13.4的模拟结果可以看出，对于阶段1和2，紧密间隔的裂缝没有显著地偏移。这可能是因为在井眼的前段具有高的应力各向异性。对于阶段3和4，应力各向异性较低，能够看到由于应力投影效应而具有更大的裂缝偏移。
[0145] 案例#3多阶段例子
[0146] 案例#3是示出前面阶段的应力投影如何能够影响下个处理阶段的水力压裂网络的扩展模式，导致第四处理阶段产生的水力压裂网络的全部图像发生变化的例子。
[0147] 该案例包括四个水力压裂处理阶段。井被包围并且浇筑水泥。阶段1和2被泵送通过三个射孔群，并且阶段3和4被泵送通过四个射孔群。岩石组构为各向同性的。输入参数在下面的表4中列出。没有考虑或考虑了来自前面阶段的应力投影的整个水力压裂网络的顶视图在图13.1-13.4中示出。
[0148]
6
杨氏模量 4.5×l0psi＝3.1e+10Pa
泊松比 0.35
流量 30.9bpm＝0.082m3/s
粘性 0.5cp＝0.0005pa·s
高度 330ft＝101m
泵送时间 70min
[0149] 表4案例#3的输入参数
[0150] 图14.1-14.4为示出压裂操作过程中在各个阶段的裂缝网络1429的示意图
1400.1-1400.4。图14.1示出处理之前的离散的裂缝网络(DFN)1429。图14.2示出出第一处理阶段之后的模拟DFN 1429。DFN 1429具有由于第一处理阶段而从其开始扩展的水力压裂(HFN)1431。图14.3示出示出有分别在四个阶段扩展、但是没有考虑前面阶段影响的模拟HFN1431.1-1431.4的DFN。图14.4示出示出有在四个阶段扩展但是考虑了前面阶段的压裂、应力投影和HFN的HFN 1431.1、1431.2'-1431.4'的DFN。
[0151] 当各个阶段单独地生成，它们可能如图14.3所示无法看到彼此。当各个阶段的应力投影和HFN都如图14.4所示被考虑进去时，扩展模式可能改变。如图14.3和14.4所示，第一阶段产生的水力压裂1431.1对于各种情况都是相同的。第二阶段1431.2扩展模式可能受第一阶段的应力投影以及新的DFN(包括阶段1的HFN 1431.1)的影响，导致扩展模式变化成HFN1431.2'。HFN 1431.1'开始跟随在阶段1产生的HFN 1431.1同时两者相互依赖。第三阶段1431.3跟随在第二阶段处理1431.2、1431.2'产生的水力压裂，并且由于如1431.3与
1431.3'的对比所表示的阶段2的应力投影效应而不会扩展很远。当阶段4(1431.4)可能时，其趋于从阶段3转移离开，但是当其与前阶段的HFN 1431.3'相遇时可能跟随前阶段的HFN 
1431.3'并且如图14.4被示出成HFN 1431.4'。
[0152] 提出一种计算复杂水力压裂网络中的应力投影的方法。该方法包括具有对有限裂缝高度进行校正的增强2D或3D位移不连续法。该方法可以用于估算复杂裂缝网络中不同裂缝分支之间的相互作用以用于解决基本的3D裂缝问题。这种应力投影计算可以结合到UFM——一种复杂裂缝网络中。两条裂缝的简单情况的结果显示裂缝彼此之间既可能吸引也可能排斥，取决于它们初始的相对位置，并且可以与独立的2D非平面水力压裂模型相媲美。
[0153] 水平井的多条平行裂缝的模拟可以用于确认两条最外边的裂缝变化(其会更加显著)，同时由于应力投影效应，内部的裂缝具有减小的裂缝长度和宽度。这种变化还取决于其它参数，例如射孔摩擦和裂缝间隔。当裂缝间隔大于裂缝高度时，应力投影效应可能减小并且在多条裂缝之间具有细微的差别。当射孔摩擦很大时，可以提供足够的偏移以在射孔群之间均匀地分配流量，并且尽管有应力投影效应，裂缝尺寸仍然可以变得大致相同。
[0154] 当产生复杂裂缝时，如果地层具有小的应力各向异性，裂缝相互作用可能导致裂缝发生显著的偏移，它们趋向于彼此排斥。另一方面，对于大的应力各向异性，可能具有有限的裂缝偏移，其中应力各向异性抵消由于应力投影产生的裂缝转向效应，并且裂缝被迫使向着最大应力的方向前进。不考虑裂缝偏移的量，应力投影对裂缝宽度具有影响，其可能影响分配到多个射孔群的注射量，以及整个裂缝网络覆盖的区域和支撑剂布置。
[0155] 图15为示出在井场执行压裂操作的方法1500的流程图，井场例如是图1.1的井场
100。井场位于地下地层附近，地层具有贯穿其的井眼和在其中的裂缝网络。裂缝网络具有如图1.1和1.2所示的天然裂缝。该方法(1500)包括(1580)通过将具有支撑剂的注射流体注入裂缝网络以形成水力压裂网络而执行井场的增产操作。在某些情况下，这种增产可以在井场或通过模拟进行。
[0156] 该方法包括(1582)获得井场数据和地下地层的地质力学模型。井场数据包括对模拟有用的关于井场的任何数据，例如天然裂缝的天然裂缝参数、裂缝网络的图像等等。天然裂缝参数例如可以包括密度定向、分布以及力学特性(例如摩擦系数、粘结力、裂缝韧度等等)。裂缝参数可以通过对井孔成像记录直接观察获得、通过3D微震估算、蚂蚁追踪、声波各向异性、地质层曲率、微震活动或图像获得。获得裂缝参数的技术的例子在PCT/US2012/
059774中给出，其全部内容通过引用由此并入本文。
[0157] 图像例如可以通过观察井孔成像记录、通过井眼勘测估计裂缝尺寸、获得微震图像和/或类似方法来获得。裂缝尺寸可以通过评估地震测量、蚂蚁追踪、声波测量、地质测量和/或类似方法估计。其它井场数据还可以通过各种来源(例如井场测量、历史数据、假设)等生成。这种数据例如可以包括完井数据、地质结构数据、岩石物性数据、地质力学数据、测井测量数据和其它形式的数据。地质力学模型可以通过使用传统技术获得。
[0158] 该方法(1500)还包括(1584)生成随着时间变化的水力压裂发展模式，例如在增产操作过程中。图16.1-16.4示出了一种生成水力压裂发展模式的例子(1584)。如图16.1所示，在其初始状态，具有天然裂缝1623的裂缝网络1606位于地下地层1602附近，地下地层
1602具有贯穿其的井眼1604。随着支撑剂从井眼1604被注入到地下地层1602，来自支撑剂的压力在井眼1604附近产生水力压裂1691。该水力压裂1691沿着L1和L2延伸进入地下地层(图16.2)，并且随着时间变化遇到裂缝网络1606.1中的其它裂缝，如图16.2-16.3所示。与其它裂缝接触的点为交叉点1625。
[0159] 该生成(1584)包括(1586)使水力压裂从井眼延伸并且进入地下地层的裂缝网络以形成包括天然裂缝和水力压裂的水力压裂网络，如图16.2所示。裂缝发展模式基于天然裂缝参数和地下地层的最小应力和最大应力。该生成还包括：(1588)确定水力压裂的水力压裂参数(例如，压力p、宽度w、流量q等)；(1590)确定支撑剂通过水力压裂网络的传输参数；以及(1592)例如根据所确定的水力压裂参数、所确定的传输参数和地质力学模型来确定水力压裂的裂缝尺寸(例如，高度)。水力压裂参数可以在延伸之后确定。该确定(1592)还可以通过采用支撑剂传输参数、井场参数和其它参数进行。
[0160] 该生成(1584)可包括基于例如在Koutsabeloulis and Zhang,3D Reservoir Geomechanics Modeling in Oil/Gas Field Production,SPE Paper126095,2009SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition held in Al Khobar,Saudi Arabia,9-11May,2009(“Koutsabelouis 2009”)(其全部内容通过引用由此并入本文)中描述的地质力学模型的模拟地层特性。该生成还可包括通过使用作为建模软件、例如UFM输入的井场数据、裂缝参数和/或图像建立压裂操作的模型，以在裂缝网络中生成连续的诱导水力压裂图像。
[0161] 该方法(1500)还包括：(1594)在水力压裂上执行应力投影以确定水力压裂之间(或与其它裂缝)的应力干涉，和(1598)基于应力投影和/或所确定的水力压裂之间的应力干涉而重复该生成(1584)。可以执行该重复以说明可影响裂缝发展的裂缝干涉。应力投影可包括执行例如用于每条水力压裂的2D或3D DDM以及更新随着时间变化的裂缝发展模式。
裂缝发展模式可以根据应力投影垂直于局部主应力方向扩展。裂缝发展模式可包括天然和水力压裂在裂缝网络中的影响(见图16.3)。
[0162] 可以对井场的多个井眼执行应力投影。各个井眼的应力投影可以被组合以像确定每一个井眼那样确定裂缝的相互作用。该生成对为多个井眼中的一个或多个所执行的每一个应力投影都可以重复。该生成对多个井眼提供的增产所执行的应力投影也可以重复。还可以在具有各种数据组合的相同的井眼上执行多种模拟，并且如期望的进行比较。历史数据或其它数据也可以被输入到该生成中以为最终结果中的考虑提供多个信息来源。
[0163] 该方法还包括：(1596)如果水力压裂遇到另一条裂缝，则确定在水力压裂和遇到的裂缝之间的交叉特性，和(1598)如果水力压裂遇到一条裂缝，则基于交叉特性重复该生成(1584)(例如，参见图16.3)。交叉特性例如可以使用PCT/US2012/059774的技术，其全部内容通过引用由此并入本文。
[0164] 确定交叉特性可包括执行应力投影。当水力压裂遇到裂缝时，根据向下打眼的条件，裂缝发展模式可不变或发生改变。当压裂压力大于作用在遇到的裂缝上的应力时，裂缝发展模式可沿着遇到的裂缝扩展。该裂缝发展模式可沿着遇到的裂缝扩展直到到达天然裂缝的端部。该裂缝发展模式在天然裂缝的端部可改变方向，且裂缝发展模式在天然裂缝端部上沿垂直于最小应力的方向延伸，如图16.4所示。如图16.4所示，水力压裂根据局部应力σ1和σ2在新的路径1627上延伸。
[0165] 可选地，该方法(1500)还可包括(1599)验证裂缝发展模式。该验证可通过将得到的发展模式与其它数据、例如如图7.1和7.2所示的微震图像进行对比来执行。
[0166] 该方法可以以任意的顺序执行并且按照期望进行重复。例如，生成步骤(1584)-(1599)可以随时间重复，例如通过随着裂缝网络变化而进行迭代。可以执行该生成(1584)，以更新在该生成过程中执行的迭代模拟，以说明多个裂缝的相互作用和影响，因为裂缝网络随着时间而被激发。
[0167] II.微震活动性解释
[0168] 在本公开内容的一个方面，至少一个实施例涉及用于执行油田操作的技术，例如压裂和/或增产操作。更具体地，本公开内容的至少一个实施例涉及用于使用地质力学模型来计算围绕所建立的裂缝网络的应力场以及天然裂缝中的潜在剪切断裂进行微震数据解释的方法。这可能导致用于校准的方法以及对裂缝网络几何形状的更精确确定。
[0169] 本公开内容还涉及基于微震活动性和应力分析来解释水力压裂。提供了一种考虑由于水力压裂与天然裂缝之间的相互作用而引起的微震活动性的方法。地质力学模型可以用于确定围绕裂缝网络的应力场和裂缝网络的天然裂缝中的潜在剪切断裂。可以基于该地质力学模型来确定水力压裂几何形状。
[0170] 可以使用2D和3D DDM方法来执行水力压裂解释，以描述由如上所述的由其它裂缝作用于给定的裂缝上的诱导应力。也可以使用2D DDM和3D DDM应力场方法来执行水力压裂解释，以便为具有已知界面位移的一批裂缝计算应力场。在应力场方法中，微震预测采用DDM来计算岩石中和/或远离水力压裂的闭合天然裂缝上的应力。DDM可用于生成通过使用
2D、3D DDM的其它裂缝在一个裂缝上的诱导应力，和/或使用发展DDM来生成作用于远处裂缝上的应力。
[0171] 当前的水力压裂监测方法和系统可以映射裂缝在那里发生以及裂缝的程度。微震监测的一些方法和系统可以通过使用模型化的到达时间和/或射线路径来将地震到达时间和偏振信息绘制到三维(3D)空间中来处理地震事件位置。这些方法和系统可以用于推断水力压裂随时间的发展。
[0172] 理解水力压裂复杂性的性质和程度对非常规资源的经济发展可能是有益的。水力压裂技术的例子在下面的论文中描述：Mayerhofer et al.,Integrating  of 
Microseismic Fracture Mapping Results with Numerical Fracture Network 
Production Modeling in the Barnett Shale,Society of Petroleum Engineers(SPE)
102103,presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,24-24September 2006；Mayerhofer et al.,What is Stimulated Reservoir Volume(SRV)？,SPE 119890presented at the SPE Shale Gas Production Conference,Fort Worth,Texas,16-18November 2008；Warpinski et al.,Stimulating Unconventional Reservoirs:Maximizing Network Growth while Optimizing Fracture Conductivity,SPE 114173presented at the SPE Unconventional Reservoirs 
Conference,Keystone,Colorado,10-12February 2008；and Cipolla et al.,The Relationship between Fracture Complexity,Reservoir Properties,and Fracture Treatment Design,SPE 115769presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Denver,Colorado,21-24September 2008,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0173] 可以从例如对非常规储层和致密气藏的微震测量来解释复杂水力压裂发展。在下面的文章中提供了复杂的水力压裂技术的例子：Maxwell et al.,Microseismic Imaging of Hydraulic Fracture Complexity in the Barnett Shale,SPE 77440presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,
September 29-0ctober 2,2002；Fisher et al.,Integrating Fracture Mapping Technologies to Optimize Stimulations in the Barnett Shale,77411presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,
September 29-0ctober 2,2002；Cipolla et al.,Effect of Well Placement on Production and Frac Design in a Mature Tight Gas Field,95337presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Dallas,Texas,9-12October 2005；
and Warpinski et al.,Stimulating Unconventional Reservoirs:Maximizing Network Growth while Optimizing Fracture Conductivity,SPE 114173presented at the SPE Unconventional Reservoirs Conference,Keystone,Colorado,10-12February 2008,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0174] 关于压裂的其它技术提供于：Zhao,X.P.and Young,R.P.2009,Numerical Simulation of Seismicity Induced by Hydraulic Fracturing in Naturally 
Fractured Reservoirs,Paper SPE 124690presented at the Annual Technical Conference and Exhibition,New Orleans,LA,USA,October 4-7；Meyer,B.R.and Bazan,L.W.(2011)“A Discrete Fracture Network Model for Hydraulically-Induced Fractures:Theory,Parametric and Case Studies,”Paper SPE 140514presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,January 24-26；Jeffery,R.G.,Zhang,X.,and Thiercelin,M.2009,Hydraulic Fracture Offsetting in Naturally Fractured Reservoirs:Quantifying a Long-Recognized Process,Paper SPE 119351presented at 2009SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference,Woodlands,TX,19-21January；and Wu,R.,Kresse,O.,Weng,X.,Cohen,C.,and Gu,H.2012,Modeling of Interaction of Hydraulic Fractures in Complex Fracture Networks,Paper SPE 152052presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference and Exhibition held in The Woodlands,Texas,USA,6-8February(“Wu 
2012”),其全部内容通过引用由此并入本文。
[0175] 图17-19.2示出了施加于岩石介质的水力压裂和天然裂缝上的应力，所述岩石介质例如是在例如图1.1和1.2中所示的井眼附近的地层。如这些图所示，微震事件可以由与裂缝相关的裂缝几何形状与应力特性之间的相互作用触发。在水力压裂操作期间记录的微震事件可以用于解释诱导的裂缝几何形状。每一个微震事件可能是存储在岩石中的本地弹性能量的突然释放(与裂纹发展有关)的结果，例如，在剪切变形下。
[0176] 微震事件技术的例子提供于：Warpinski,N.R.,Branagan,P.T.,Peterson,R.E.,Wolhart,S.L.,and Uhl,J.E.1998,Mapping Hydraulic Fracture Growth and Geometry Using Microseismic Events Detected by a Wireline Retrievable Accelerometer Array,Paper SPE 40014presented at the 1998Gas Technology Symposium,Calgary,Alberta,Canada,March 15-18；Cipolla,C.L.,Peterman,F.,Creegan,T.,McCarley,D.and Nevels,H.2005,Effect of Well Placement on Production and Frac Design in a Mature Tight Gas Field,Paper SPE 95337presented at the 2005SPE Annual 
Technical Conference and Exhibition,Dallas,Texas,October 9-12；Maxwell,S.C.,Urbancic,T.I.,Steinsberger,N.P.,and Zinno,R.2002,Microseismic Imaging of Hydraulic Fracture Complexity in the Barnett Shale,Paper SPE 77440presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,September 29-October 2；and Fisher,M.K.,Davidson,B.M.,Goodwin,A.K.,Fielder,E.O.,Buckler,W.S.,and Steinberger,N.P.2002,Integrating Fracture Mapping Technologies to Optimize Stimulations in the Barnett Shale,Paper SPE 
77411presented at the 2002SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,USA,September 29-October 2,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0177] 图17是示出了在包含预先存在天然裂缝1702的岩石介质1704中发展的简单平面水力压裂1701的示意图1700。所示出的水力压裂1701可以是例如生成于图1.1的地层102中的裂缝。围绕水力压裂1701的区域1706表示渗入到岩石介质1704的岩石基质中的流体。
[0178] 岩石介质1704的同质岩石基质可以最初承受地球中的地应力(in-situ stress)(例如，最小水平应力σmin，最大水平应力σmax)。天然裂缝1702的面可以相互接触，因为岩石介质1704承受由箭头所表示的压地应力(compressive in-situ stress)σmin、σmax。如果天然裂缝1702不与主应力σmin、σmax的方向对准，天然裂缝1702的面除承受挤压法向力外，可承受剪切力。如果在界面上的剪切应力超过了限制值(其可以被定义为粘结应力与正应力的和乘以库仑摩擦系数(COF))，岩石界面可能滑动，引发可从位于一定距离处的地震检波器(未示出)检测到的裂缝的发展和微震事件。
[0179] 可以基于断裂参数(例如，断裂包络线(例如，莫尔-库仑断裂包络线)和应力状态(例如，莫尔圆))来解释剪切断裂。图18是示出了莫尔-库仑断裂包络线1808和莫尔圆1810的曲线图1800。莫尔-库仑断裂包络线1808可以适用于图17的岩石介质1704的天然裂缝界面。断裂包络线1808可以用作描述岩石介质对剪切应力的响应的模型。莫尔-库仑断裂包络线1808是岩石介质的剪切强度(y轴)相对于施加的正应力(x轴)的曲线图。y轴表示σ剪切。
[0180] 曲线图1800的横轴(x轴)表示有效应力，定义为岩石中的总应力σ总减去孔隙压力Pp。断裂包络线1808从一个点沿负x轴到正x轴上的σ正应上方延伸一定距离。断裂包络线1808从x轴延伸到y轴的拉伸线1812提供了岩石介质的拉伸断裂。从y轴沿断裂包络线1808的顶侧延伸的剪切线1814可以表示剪切断裂。从剪切断裂延伸至x轴的压实(compaction)线
1816可以表示压实。
[0181] 天然裂缝的莫尔圆1810可以用于表示在岩石介质1704中的初始应力状态。莫尔圆
1810在x轴上方在σ'min与σ'max之间延伸一距离。莫尔圆1810表示在岩面上以任何方向θ的正应力和剪切应力。莫尔圆1810可以用于图形地确定作用于旋转坐标系上的应力分量。换句话说，莫尔圆1810可以用于确定作用于经过某个质点的不同取向平面上的应力分量。即使当总应力保持恒定时，随着孔隙压力的增加，莫尔圆1810可向左移动，并且可能导致天然裂缝1701滑动。
[0182] 断裂包络线1808可以不同于岩石介质1704的岩石基质的断裂包络线，该岩石介质可以具有不同的粘结应力1811(粘结力是剪切断裂斜率与y轴的交点)和不同的斜率。如果岩石介质1704中的初始应力状态使得相应的莫尔圆1810接触剪切断裂包络线1808，则对应于接触断裂包络线的点的以角度θ定向的天然裂缝在剪切下可能断裂。尽管示出了莫尔-库仑断裂包络线和莫尔圆，其它断裂包络线或应力状态可以用于断裂分析。
[0183] 参考图17和18，在水力压裂处理期间(例如，如图1.1所示)，流体可以侵入到围绕水力压裂1701的岩石基体中。结果，岩石基体的孔隙压力可能会增加，并且导致莫尔圆1810如上所述的向左移动。这种移动可能是在渗透性岩石中水力压裂期间发生微震的主要机制。可能是超低渗透性岩石的主导机制的另一个机制可能是围绕水力压裂1701的应力扰动，如图19所示意性地示出。
[0184] 图19.1和19.2示意性地示出了施加至水力压裂1701的应力σmin和σ垂直的应力扰动
1900。如果已有的天然裂缝1702的性质和初始应力状态使得天然裂缝1702接近于剪切断裂状态，则这些应力扰动可能会触发已有天然裂缝1702的滑动。小的应力扰动，如在围绕水力压裂1701的岩石中诱发的，可以推动莫尔圆1810到达剪切断裂并且产生微震事件。
[0185] 如图19.1的截面图所示，可以生成正比于裂缝1701的裂缝高度的应力扰动区域
1918。剪切变形1920可以在应力扰动区域附近产生，如双箭头所示。如图19.1的地图视图所示，拉伸变形T可以施加于水力压裂，如相反的箭头所示。
[0186] 类似于天然裂缝1702，如果应力状态使得到达岩石基体的剪切包络线1808，则在岩石基体中可以发生剪切裂纹，其也可以触发微震事件。对于至少一些已有的天然裂缝
1702，其比岩石基体可以更容易地达到断裂条件。
[0187] 水力压裂可用于例如超紧非常规储层中的碳氢化合物(例如页岩气)回收。如在常规储层中，微震监测可用于帮助确定产生的裂缝几何形状。微震监测可以显示在水力压裂期间产生扩散的事件云，其可以表明复杂裂缝图案或网络。当产生复杂的裂缝图案时，例如，由于微震事件可能不位于水力压裂平面上和/或可能位于围绕水力压裂的天然裂缝上的事实和/或由于与微震事件位置相关联的不确定性，使用微震云来描绘详细的裂缝网络结构的能力可能是困难的。
[0188] 微震位置不确定性的例子提供于：Maxwell,S.C.2009,Microseismic Location Uncertainty,CSEG RECORDER,April 2009,pp.41-46；and Maxwell,S.C.,Underhill,B.,Bennett,L.,Woerpel,C.and Martinez,A.2010,Key Criteria for a Successful Microseismic Project,Paper SPE 134695presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Florence,Italy,19–22September2010,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0189] 图20是示意图2000，示出了如何由于水力压裂2001与天然裂缝2022之间的相互作用而触发微震。提供了时间轴2022，示出沿着水力压裂2001和天然裂缝2002发生的微震事件2028。微震的例子提供于：Maxwell,S.C.and Cipolla,C.2011,What Does 
Microseismicity Tell Us About Hydraulic Fracturing.Paper SPE 146932presented at the 2011SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Denver,CO,October 
30–November 2,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0190] 在时刻t1，水力压裂2001足够远离天然裂缝2002，使得围绕该水力压裂2001的压力扰动不足以触发天然裂缝2002的界面的滑移。在这种情况下，天然裂缝可以不发射微震。
在时刻t2，水力压裂2001足够接近于天然裂缝2002，使得应力扰动引起在天然裂缝处发生剪切滑移，导致微震事件2028。
[0191] 在时刻t3，水力压裂2001与天然裂缝2002交叉，并且可以沿天然裂缝2002发展或从天然裂缝2002分叉。在一些情况下，已与水力压裂2001相连通的天然裂缝2002的界面由于岩石变形或压力波动仍可能再次“粘连”。在稍后的时刻t4，该界面可以再次滑动，并发射新的微震事件2028。
[0192] 可以直接从微震数据中提取水力压裂平面/表面。用于提取微震数据的方法的例子提供于：Fisher et al.,Integrating Fracture Mapping Technologies to Optimize Stimulations in the Barnett Shale,Paper SPE 77411presented at the2002SPE Annual Technical Conference and Exhibition,San Antonio,Texas,USA,September 
29-October 2,2002；Craig,D.P.and Burkhart,R.,Using Maps of Microseismic Events to Define Reservoir Discontinuities,Paper SPE 135290presented at SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Florence,Italy,19-22September,2010；
Williams et al.,Quantitative Interpretation of Major Planes From Microseismic Event Locations With Application in Production Prediction,submitted to SEG Annual Meeting(2010),and US Patent Application No.2011/0029291,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0193] 在至少一些情况下，使用某些方法直接从微震事件中提取的裂缝表面可能有较大的不确定性，例如，由于该活动可能不一定是在如上所述的实际的水力压裂表面上。这些方法可以不使用其它信息，例如地层特性和泵送流体体积。微震声信号的解释可以产生信息，例如微震源的矩张量、应力降和对应于滑动的有效面积。这样的信息可能不完全用于关联到水力压裂几何形状。
[0194] 为了包含地层表征和泵送信息，已经开发了用于模拟复杂裂缝在天然裂缝地层中的延伸的水力压裂模型。水力压裂模型的例子提供于：Weng et al.,Modeling of Hydraulic Fracture Network Propagation in a Naturally Fractured Formation,Paper SPE 140253presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology 
Conference and Exhibition held in The Woodlands,Texas,USA,24–26January 2011(“Weng 2011”)；Cipolla et al.,Integrating Microseismic Mapping and Complex Fracture Modeling to Characterize Hydraulic Fracture Complexity,Paper SPE 
140185presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,USA,January 24–26,2011；and Gu et al.,“Hydraulic Fracture Crossing Natural Fracture at Non-Orthogonal Angles,A Criterion,Its Validation and Applications,”Paper SPE 139984presented at the SPE Hydraulic Fracturing Conference and Exhibition,Woodlands,Texas,January 24-26,2011,其全部内容通过引用由此并入本文。
[0195] 该模型可以考虑水力压裂与天然裂缝和/或裂隙的相互作用，并且预测所生成的裂缝网络的详细结构。该模型可以使用例如UFM的模拟器，其可能需要在地层中有先验、预定义群体量的天然裂缝。基于从3D地震数据、井眼成像测井和/或地核特征获得的信息，可以产生这些天然裂缝。所产生的天然裂缝可以具有大的不确定性，其可导致来自复杂裂缝模拟器的不准确预测。微震数据可提供验证和/或校准模拟结果的方法。
[0196] 如上所讨论的，因为微震数据可能不提供精确裂缝平面，裂缝模型预测的整体的裂缝网络的“痕迹(footprint)”可以与总体微震云相比较。该模型参数可以调整，直到模型结果大致与观测到的微震云一致。这种校准方法可能有一些固有的不确定性，例如，其中裂缝网络的精确痕迹可能与由微震云描绘范围不一样。例如，当可以在离实际裂缝一定距离处触发剪切断裂事件的情况下，这可能会发生。
[0197] 图21是一个示意图2100，其示出了水力压裂2101a-f和天然裂缝2102a-f的渐进发展的例子。详细的复杂水力压裂模型可以用于预测在复杂的裂缝网络中的多个断裂分支的渐进发展。地层最初可以含有许多天然裂缝2102a-f。
[0198] 如图21所示，在水力压裂2101a-f与天然裂缝2102a-f之间可以发生各种相互作用
2130a-f。相互作用2130a示出在水力压裂2101a与天然裂缝2102a之间没有交叉点。相互作用2130b示出在水力压裂压裂2101a与天然裂缝2102a之间有止裂(arrest)和/或滑移。相互作用2130c示出水力压裂2101c沿天然裂缝2102c发展并且天然裂缝2102c膨胀。相互作用
2130d示出水力压裂2101d交叉天然裂缝2102c。相互作用2130e示出水力压裂2101e与天然裂缝2102e之间的交叉点，天然裂缝2102e保持关闭。相互作用2130f示出了水力压裂2101f与天然裂缝2102f之间的交叉点，天然裂缝2102f具有在水力压裂2101f与天然裂缝2102f之间交叉后产生的裂隙开口2103。
[0199] 在一些情况下，例如相互作用2130b-2130f，水力压裂2101a-f和天然裂缝2102a-f可以交叉。水力压裂2101a-f和天然裂缝2102a-f的相互作用可能导致裂缝分支，其中水力压裂2101a-f和天然裂缝2102a-f交叉。相互作用2130a-f可能会导致水力压裂2101a-f打开，并且沿天然裂缝2102a-f发展并导致裂缝分支和复杂性。
[0200] 地下天然裂缝的精确表征(如果不是不可能的)在某些情况下可能是困难的。离散裂缝网络(DFN)的天然裂缝的初始群体可以随机产生。可以通过从地震数据和井眼成像测量所获得的信息和/或利用地质学模型和地质统计模型限制DFN的随机群体。
[0201] 图22.1示出DFN 2232在井眼2236附近的示意图2200.1。统计地产生的DFN的轨迹被示出于井眼2236附近，统计地产生的DFN轨迹均匀分布于地层2234中。轨迹示出位于地层
2234附近的天然裂缝2202。
[0202] 图22.2是示意图2200.2，其示出了根据均匀分布的DFN 2232模拟的预测水力压裂网络(HFN)2236。水力压裂2201由用于相应的DFN 2232的复杂裂缝模型产生。图22.2还示出了在压裂处理期间采集到的微震事件2238(如图形2200.2中的球所示)。
[0203] 在图22.2中描述的情况下，预测的HFN 2236痕迹不与微震事件2238的微震云2240相匹配。可以通过改变岩石性质和/或初始天然裂缝分布以试图匹配微震事件2238来尝试提供匹配。不能确定该微震事件2238表示实际的水力压裂平面，因为它们可能是天然裂缝
2202的远离水力压裂2203的由剪切诱导的滑移，如上面已经讨论过的。
[0204] 迫使复杂裂缝模型与微震云2240相匹配可能会引入错误。另一种方法可以是预测围绕所产生的HFN 2236的诱导应力场，并且确定在天然裂缝和岩石基体中的剪切断裂条件，以便断裂“足迹”大致匹配微震。此外，根据所计算的应力场，可以确定经受滑移的天然裂缝和它们的方向，其可以与由微震矩张量确定的滑移方向相比较，以获得更加可靠的解释。
[0205] 图23.1和23.2示出了在井场执行压裂操作的方法2300.1和2300.2。在本公开内容的至少一个实施例中，提出该方法2300.1、2300.2，以用于解释微震活动性和通过耦合应力和岩石断裂分析用于校准复杂裂缝模拟的用途。方法2300.1、2300.2中的每一个可以包括通过将具有支撑剂的注入流体注入到裂缝网络中执行包括使井场增产的增产操作2350，和/或生成井场数据(例如，天然裂缝的天然裂缝参数、泵数据和微震测量)2352。可以以图
15的方法1500的全部或部分执行方法2300.1、2300.2。
[0206] 方法2300.1包括预测裂缝几何形状2354，确定三维(3D)应力场2356，和执行断裂估计和对微震事件进行校准2358。
[0207] 裂缝几何形状预测
[0208] 例如，通过基于井场数据为裂缝(例如，天然裂缝、水力压裂和/或复杂裂缝)建模
2360以及根据井场数据生成离散裂缝网络2362，可以执行预测裂缝几何形状2354。首先可以基于已知的地质学数据、地质力学数据和裂缝处理数据，使用水力压裂模型计算水力压裂几何形状。在复杂裂缝的情况下，在天然裂缝的地层中，该模型可以用于预测复杂裂缝平面，以及裂缝宽度、流体压力和与裂缝系统相关联的其它参数。在美国专利申请号No.2008/
0183451中提供了建模的例子。可以通过模拟使用例如如上所述的UFM来执行预测。
[0209] 3D应力场计算
[0210] 可以通过建模来确定三维(3D)应力场2356。对于由裂缝模型计算的任何给定的水力压裂几何形状，可以通过使用例如数值地质力学模型建模2364来计算围绕水力压裂的3D应力场(或地区)(参见，例如图19)。例如，可以使用有限元数值地质力学代码和/或有限差分代码。这种数值模拟可能是耗时的，因为它需要建立围绕每一个裂缝的复杂三维精细网格，并且可能是计算密集性的。建模的例子提供于Koutsabeloulis 2009和Zhang2007，并且可采用Itasca  2002和/或商业上可从ITASCATM得到的FLAC3DTM(参见：http://
www.itascacg.com/)。
[0211] 还可以2356基于位移不连续方法(DDM)使用计算高效的方法来确定3D维度应力场。可以使用例如增强的二维(2D)DDM和/或3D DDM来执行该DDM。例子如下：
[0212] 1.增强的2D DDM
[0213] 该方法可以基于增强的2D DDM 2366，例如本文所述的那些。2D DDM已用于复杂裂缝建模中，以计算复杂水力压裂(也称为“应力投影”效应)之间的相互作用，其在本文和在PCT/US2012/063340中有讨论。Olson 2004中提供了2D DDM的例子，Weng 2011和Wu 2012中提供了复杂网络模型。
[0214] 图3示出了表示复杂裂缝网络300的俯视图的示意图300。裂缝网络300被离散成许多互连小单元ELEM i，j。在每一个单元ELEM i，j中，流体压力和宽度可以通过求解耦合弹性的系统和流体流动方程来确定。Weng2011中提供了裂缝中流体流动的例子。为了解释相邻裂缝间的相互作用，可以利用2D DDM。在Crouch和Starfield 1983中提供了2D技术的例子。
[0215] 2D DDM方程将作用于一个裂缝单元ELEM i上的正应力和剪切应力(σn和σs)与对所有裂缝单元ELEM i，j的打开和剪切位移不连续(Dn和Ds)的贡献联系起来，如下面的方程所示。为了解释由于有限裂缝高度引起的3D效应，如本文所述，向2D DDM的影响系数Cij和校正弹性方程(8.1)和(8.2)引入了3D校正系数2368。Olson 2004中提供了包括3D效应的技术。
[0216] 介绍了3D校正因子，如在方程(12)中阐述的。引入的3D校正因子可以导致任何两个裂缝单元之间的相互作用在距离增加时的衰减，正确地反映了有限裂缝高度的3D效应。
可以在简单情况下，针对3D有限差分解法验证增强的2D DDM方法2370，以确认良好的近似。
Wu 2012中描述了校正技术。
[0217] 在用于应力投影计算的以上方法中，可以在水力压裂网络的每一个单元的中心处计算应力2372。通过计算远离水力压裂单元的岩石中的应力场，可以应用类似的方程。通过计算作用在离散裂缝网络的部分(例如，预先存在的天然裂缝和/或岩石基体中的任意点)上的正应力和剪切应力，可以估计剪切断裂条件。
[0218] 2.3D DDM
[0219] 在一些情况下，增强的2D DDM方法可能限于在水平平面(假设裂缝是垂直的)内的平均应力的估计。该方法还可以基于3D DDM 2374。
[0220] 对于给定的水力压裂网络，该网络可被离散化为互联的小矩形(或多边形)单元。
对于在其两个面间经受由Dx，Dy和Dz表示的位移不连续的任何给定的矩形单元，可以使用3D DDM解法计算岩石中任意点(x，y，z)处的诱导应力。
[0221] 图24示出了用于沿x-y平面定位的矩形单元中的一个矩形单元2470的局部x，y，z坐标系的图2400。诱导位移和应力场可以表示为：
[0222] ux＝[2(1-v)f，z-zf，xx]Dx-zf，xyDy-[(1-2v)f，x+zf，xz]Dz  (10)
[0223] uy＝-zf，xyDx+[2(1-v)f，z-zf，yy]Dy-[(1-2v)f，y+zf，yz]Dz  (11)
[0224] uz＝[(1-2v)f，x-zf，xz]Dx+[(1-2v)f，y-zf，yz]Dy+[2(1-v)f，z-zf，zz]Dz  (12)[0225] σxx＝2G{[2f，xz-zf，xxx]Dx+[2vf，yz-zf，xxy]Dy+[f，zz+(1-2v)f，yy-zf，xxz]Dz}  (13)[0226] σyy＝2G{[2vf，xz-zf，xyy]Dx+[2f，yz-zf，yyy]Dy+[f，zz+(1-2v)f，xx-zf，yyz]Dz}  (14)[0227] σzz＝2G{-zf，xzzDx-zf，yzz]Dy+[f，zz-zf，xxz]Dz}  (15)
[0228] τxy＝2G{[(1-v)f，yz-zf，xxy]Dx+[(1-v)f，xz-zf，xyy]Dy-[(1-2v)f，xy+zf，xyz]Dz}  (16)[0229] τyz＝2G{-[vf，xy+zf，xyz]Dx+[f，zz+vf，xx-zf，yyz]Dy-zf，yzzDz}  (17)[0230] τxz＝2G{[(f，zz+vf，yy-zf，xxz]Dx-[vf，xy+zf，xyz]Dy-zf，xzzDz}  (18)[0231] 其中，a和b为矩形的边的半长，并且
[0232]
[0233] 对于3D空间中任意给定的观察点P(x，y，z)，通过叠加来自所有裂缝单元的应力和通过施加适当的坐标变换，可以计算点P处的诱导应力2376。Crouch,S.L.and Starfield,A.M.(1990),Boundary Element Methods in Solid Mechanics,Unwin Hyman,London中提供了包括3D DDM的技术，其全部内容通过引用由此并入本文。
[0234] 对微震事件的断裂估计以及校准
[0235] 可以对微震事件执行断裂估计和校准2358。为了不同的分析目的，可以在3D空间中的不同位置计算应力。通过在3D空间中向固定点施加应力场可以生成应力，以生成应力分量图2378，和/或沿着观测到的微震位置生成应力2380。下面列出了一些这样的应用，但该方法并不限于这些应用。
[0236] 1.3D应力等值线
[0237] 应力计算可以应用于3D空间中的固定点，以产生各应力分量的等值线图2378或从应力导出的断裂参数图。3D等值线图给出了应力集中在哪里或岩石最有可能在哪里诱发剪切断裂，其可能与微震事件位置或活动密度相关联。
[0238] 2.给定天然裂缝处的应力
[0239] 可以在天然裂缝处或沿天然裂缝计算应力2380。可以计算剪切应力或其它与断裂条件有关的相关指标。再次，这可以与微震位置和矩张量属性相比较2382，以确定假定的天然裂缝参数是否与微震观测结果一致，以及是否需要对断裂参数进行任何调整。
[0240] 3.在微震事件位置处的应力
[0241] 可以计算在观测到的微震事件位置处的应力2384。基于所计算的应力，可以估计剪切滑移的可能性或所需条件。由于剪切滑移发生在微震事件地点，模型预测与实际一致或不一致可以提供对模型结果正确性的测量。
[0242] 无论在空间的何处计算应力，可以将预测的剪切滑移或断裂的倾向与微震观测相比较2386。如果模型预测不与微震观测非常一致，则可能需要天然裂缝系统中的校正或其它岩石参数，并且重新运行模拟，直到获得充分匹配。调整2388后，井场数据可以在2352被修改，并且重复该方法。一旦校准完成，基于该比较可以调整2388断裂参数。基于该断裂参数还可以调整增产操作2390。
[0243] 该方法提供了观测的微震活动性和根据诱导的水力压裂预期的应力场之间的直接纽带。通过这样做，很多效果，由于岩层中的初始多相应力分布、天然裂缝以及其属性与它们在储层中的分布的变化、具有不同特性的主干断裂等等都可以加以考虑。这可以减少在微震事件的分析和解释中的不确定性，并且可以从裂缝模型提供裂缝几何形状的更多更确定的验证/校准。
[0244] 校准过程也可以提供对微震源机制和关键参数更好的理解，这为后续同一井中处理或者相邻井中未来处理中的改进的微震测量安装或设计考虑提供了基础。
[0245] 图23.2提供执行压裂操作的另一种方法2300.2。在这个版本中，该方法包括通过将具有支撑剂的注入流体注入到裂缝网络中来执行包括使井场增产的增产操作2350和生成如图23.1所示的井场数据(例如，天然裂缝的天然裂缝参数、泵数据以及微震测量)2352。
该方法2300.2还包括基于井场数据对裂缝网络的水力压裂进行建模并且定义水力压裂的水力压裂几何形状2375，使用地质力学模型(例如，2D或3D DDM)生成水力压裂的应力场
2377，确定包括在裂缝网络附近(例如，沿着天然裂缝、水力压裂和/或岩石介质)的断裂包络线和应力状态的剪切断裂参数2379，根据断裂包络线和应力状态确定裂缝网络的剪切断裂的位置2381，通过将微震测量与模拟的水力压裂网络和/或激活的离散裂缝网络相比较来校准水力压裂几何形状2383，基于比较来调节离散裂缝网络2385，和基于该比较来调节增产操作2387。
[0246] 所述方法中的部分或全部可以根据需要以任意顺序执行及重复。
[0247] 尽管本公开已经参照典型的实施例和其实施方式进行了描述，本公开不受限于或者不限定于这些典型实施例和/或实施方式。相反，本公开的系统和方法在不脱离本公开的精神和范围的情况下易受到各种修改、变化和/或增强。因此，本公开明显地将全部的这些修改、变化和增强包括在其范围之内。
[0248] 应当指出的是，任何这种实际实施例或者多种实施方式的发展中，必须做出具体的判定以实现研发者具体的目标，例如符合系统相关且商业关联的要求，其将在一种实施方式到另一种之间变化。此外，应当意识到，这种发展努力可能是复杂并且耗时的，但是对于享有本公开的利益的本领域技术人员来说是常规的工作。此外，这里使用/公开的实施例还包括引用之外的一些要素。
[0249] 在该说明书中，每一个数值都应当以被术语“大约”修饰来读取一次(除非已经明显地如此修饰)，然后按没有如此修饰地再次读取，除非在上下文中另有说明。同样，在本说明书中，应该理解的是，被列出或描述成有用的、合适的任何范围或类似物意味着位于该范围之内的任何和每一个值、包括端点都被认为是已经作出了声明。例如，“从1到10的范围”被理解为表示沿着大约1和大约10之间的连续区间的各个和每一个可能的数。因此，即使位于范围内的具体数据点，或者甚至在范围内没有数据点，都是明确确定的或者仅指代一些具体的点，可以理解为发明者意识和理解到该范围内的全部数据点都被认为是具体指明，并且发明者掌握整个范围以及位于该范围内的全部点的知识。
[0250] 这里做出的说明仅仅提供与本公开相关的信息并且不构成现有技术，并且可以描述说明本发明的一些实施例。这里引用的全部参考文件通过引用整体被结合到当前的申请中。
[0251] 尽管上面详细描述了少量典型的实施例，本领域技术人员可以容易地意识到典型实施例可以进行许多修改而不会实质上脱离执行井眼增产操作的系统和方法。因此，全部的这些改变都是被包括在如后面的权利要求限定的本公开的范围内。在权利要求书中，功能性限定从句用于覆盖这里描述的执行列举的功能的结构并且不仅仅是结构性等价物，而且还是等价性结构物。因此，尽管钉子和螺丝可能不是结构性等价物，因为钉子采用柱面将木质部件固定到一起，而螺丝采用螺旋面，但是在固定木质部件的条件下，钉子和螺丝可以是等价性结构物。本申请的明确目的在于不援引35U.S.C.§112第6段对这里的权利要求作任何限定，除非在权利要求中明确地将词语“用于…的装置”和相关的功能一起使用。