水力壓裂水平裂縫擴展的數(shù)值模擬研究.pdf

1、水力壓裂是當前油氣開采工程中最重要的增產(chǎn)技術(shù)之一。從水力裂縫的幾何形態(tài)上區(qū)分，水力壓裂作業(yè)可能形成垂直裂縫或水平裂縫。而水平裂縫是石油工程在較淺地層中進行水力壓裂作業(yè)時常見的裂縫形態(tài)，但是相對垂直裂縫所作的研究工作較少，由于缺乏水平裂縫壓裂理論方面的研究，實際工程在壓裂水平裂縫時受到很大困擾。本文則針對這一問題采用有限元方法對水力壓裂水平縫問題進行了系統(tǒng)的研究，分析了水平裂縫出現(xiàn)的條件，并以ABAQUS軟件為平臺，采用有限元方法對水平裂

2、縫擴展問題進行了模擬，得到了相應(yīng)的結(jié)論，可作為水平裂縫壓裂及控制技術(shù)的理論依據(jù)。
　　 本文首先從工程和力學的角度介紹了水力壓裂技術(shù)，回顧了水力壓裂問題的控制方程以及傳統(tǒng)的解法，介紹了水力壓裂數(shù)學模型的發(fā)展歷史和最新的研究進展。再從有限元方法的角度分析了水力壓裂問題，推導了水力壓裂這一非線性大變形、流固耦合問題的控制方程，給出了可直接用于編制程序的離散形式的系統(tǒng)控制方程組，討論了相應(yīng)的求解方法。
　　 本文推導了無射孔和

3、單射孔（或忽略射孔間影響）情況下井筒壁應(yīng)力分布的解析解，利用數(shù)值方法計算了螺旋射孔下的井壁應(yīng)力和地層破裂壓力。通過ABAQUS軟件和用戶子程序，模擬了水力壓裂水平裂縫起裂和擴展的過程，采用應(yīng)力滲流耦合單元描述巖石行為，采用cohesive單元描述裂縫行為，將典型油井模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了比較，對計算模型和子程序進行了驗證，在此基礎(chǔ)上研究了各參數(shù)對水平裂縫擴展的影響，給出了水平裂縫擴展的控制因素。通過用戶子程序?qū)崿F(xiàn)了垂直井水平縫分層

4、壓裂過程的模擬，再現(xiàn)了前期壓裂裂縫閉合在支撐劑上對后續(xù)裂縫的影響，選取了典型分層壓裂油井并將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比。以所選油井建立的模型為基礎(chǔ)，對不同裂縫間距條件下水平裂縫的分層壓裂的擴展過程進行了模擬，從裂縫幾何形態(tài)、壓力和壓后產(chǎn)能的角度分析了多水平壓裂裂縫間的干擾規(guī)律。本文還對對螺旋射孔條件下水平裂縫的空間形態(tài)進行了計算，給出了不同射孔方案下水平多裂縫的空間形態(tài)和壓裂時的壓力變化。最后還進行了螺旋射孔條件下水力壓裂的物理模擬實

5、驗，用于與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比和驗證。
　　 通過計算分析得到了以下結(jié)論。主要有：
　　 1.得到了裸眼井和射孔井井壁應(yīng)力的解析表達式，推導了水平裂縫的出現(xiàn)條件，可作為工程中裂縫形態(tài)判別的初步依據(jù)。對螺旋射孔條件，采用有限元方法計算了破裂壓力，得到了螺旋射孔參數(shù)與地層破裂壓力的關(guān)系，給出了相應(yīng)的射孔參數(shù)的優(yōu)選方案。
　　 2.模擬了一口典型的水平縫壓裂油井裂縫擴展的整個過程，在模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果符合良好的

6、基礎(chǔ)上改變不同參數(shù)，得到了這些參數(shù)對水平裂縫擴展的影響規(guī)律，為實際的水平裂縫水力壓裂的設(shè)計和施工提供了參考。
　　 3.對某薄差層壓裂油井的分層壓裂過程進行了模擬，通過自編程序?qū)崿F(xiàn)了前期裂縫閉合在支撐劑上對后續(xù)壓裂的影響，模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測結(jié)果符合良好，在此基礎(chǔ)上從裂縫形態(tài)、壓力和壓后產(chǎn)能的角度，給出薄差儲層開采過程中水平多裂縫之間的干擾規(guī)律，界定了薄差儲層的有效開采間距。
　　 4.對不同射孔形式下水平裂縫的擴展過