擴展有限元應(yīng)用于致密儲層水力壓裂的數(shù)值研究.pdf

1、非常規(guī)油氣藏的儲量豐富，但是由于其滲透率極低，開采難度較大，必須通過采用水力壓裂技術(shù)產(chǎn)生水力裂縫達到增產(chǎn)的目的。另外，地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般異常復(fù)雜，存在大量天然裂隙和層理結(jié)構(gòu)，它們與水力壓裂裂縫相互連通有利于提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通性，從而進一步提高產(chǎn)量。為確保形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)，研究水力壓裂過程的影響因素至關(guān)重要。
　　本文建立了基于離散裂縫模型和擴展有限元法的二維水力壓裂模型，該模型考慮了壓裂液流動、巖石變形、流固耦合作用及裂縫的相交規(guī)律，

2、并且基于擴展有限元法的優(yōu)勢只需采用規(guī)則的正交網(wǎng)格。流固耦合體現(xiàn)在基質(zhì)中壓裂液滲流與固體骨架變形的相互影響，壓力場影響骨架變形從而改變裂縫寬度，裂縫寬度反過來會改變裂縫的滲透率繼而影響壓力場。為準(zhǔn)確描述地應(yīng)力的影響，本文將位移場分解為地應(yīng)力引起的初始位移場和壓裂液作用的有效位移場。另一方面，在求解應(yīng)力強度因子時采用考慮體積力影響的相互作用J積分域形式，避免了裂尖應(yīng)力奇異造成的誤差。為了驗證本文模型的可靠性，首先與經(jīng)典的KGD模型理論解進行

3、對比，運用本文模型模擬得到裂縫擴展過程的裂縫長度與最大縫寬數(shù)值解與理論解相吻合，同時還與判斷相交裂縫穿透與否的實驗結(jié)果進行了對比，對比結(jié)果相一致。
　　利用本文模型首先模擬了不考慮天然裂縫和層理結(jié)構(gòu)條件下壓裂液流量、基質(zhì)滲透率、流固耦合系數(shù)及射孔角對水力壓裂過程的影響。結(jié)果表明:一定范圍內(nèi)隨著壓裂液流量的增多，水力裂縫擴展的距離變長張開開度變寬，但是當(dāng)壓裂液流量超過一定值時裂縫長度增加，而裂縫最大寬度幾乎保持不變;基質(zhì)滲透率和流固

4、耦合系數(shù)作為流固耦合強弱的影響因素，較大的基質(zhì)滲透率導(dǎo)致壓裂液作用在裂縫面的力較小得到的裂縫長度較短，流固耦合系數(shù)越大體積力越大裂縫容易張開擴展距離較長;射孔角影響裂縫的擴展方向，但是不同射孔角下裂縫的擴展均逐漸趨向于最大主應(yīng)力方向。另外，還研究了水平井多段壓裂產(chǎn)生的水力裂縫延伸擴展?fàn)顟B(tài)。多條水力裂縫同時壓裂時相互之間存在應(yīng)力干擾，隨著射孔間距的增加應(yīng)力干擾變?nèi)?在一定的射孔間距條件下，射孔數(shù)量不同相互之間的應(yīng)力干擾作用也不同，結(jié)果顯示

5、兩側(cè)水力裂縫在應(yīng)力干擾下逐漸向兩側(cè)擴展，中間部分的水力裂縫不易啟裂且擴展距離比兩側(cè)短。
　　本文還研究了地層中存在一條天然裂縫時不同射孔方位、逼近角及地層應(yīng)力差異系數(shù)條件下水力裂縫的擴展情況和存在多條天然裂縫時其不同數(shù)量、初始分布狀態(tài)、壓裂液粘度及地層應(yīng)力差異系數(shù)下形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，射孔角和逼近角較小時，水力裂縫被天然裂縫捕獲后僅其中一端發(fā)生了擴展，在水力壓裂過程相當(dāng)于僅僅改變了裂縫的擴展方向，未能有效的溝通較多體積的

6、儲集層油氣增加產(chǎn)量;對于較小的地層應(yīng)力差異系數(shù)，水力裂縫沿天然裂縫兩端擴展時更易溝通較遠距離的油氣藏，增大開采面積，而地層應(yīng)力差異系數(shù)較大時水力裂縫沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向后很快又轉(zhuǎn)至最大主應(yīng)力方向。研究裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成時結(jié)果表明:對于存在較多天然裂縫且其分布無規(guī)律時，容易形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò);壓裂液粘度和地層應(yīng)力差異系數(shù)過大或過小都不利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，在實際工程壓裂之前應(yīng)進行詳細的地質(zhì)探測并合理地調(diào)整壓裂液的粘度。
　　油氣藏受各方面因