水平井水力壓裂數(shù)值模擬與施工參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、水力壓裂是非常規(guī)油氣田有效開采的重要技術(shù)手段。由于現(xiàn)場施工和儲(chǔ)層地質(zhì)條件的復(fù)雜性，壓裂所產(chǎn)生的部分人工裂縫對產(chǎn)量貢獻(xiàn)較小，增產(chǎn)效果不理想。因此，需要對壓裂相關(guān)問題進(jìn)行深入研究，優(yōu)化施工參數(shù)。由于目前測量和實(shí)驗(yàn)手段的局限性，數(shù)值模擬是水力壓裂研究的重要技術(shù)手段。本文采用二維水力裂縫數(shù)值模型，研究了大排量施工對復(fù)雜裂縫形成的影響、不同壓裂方式下裂縫間距優(yōu)化、多縫同時(shí)壓裂裂縫形態(tài)控制、復(fù)雜裂縫形態(tài)形成條件等重要工程實(shí)際問題，主要包括:

2、　　(1)基于擴(kuò)展有限元法，建立了水力裂縫擴(kuò)展流固耦合模型，提出采用低應(yīng)力差區(qū)域預(yù)測復(fù)雜裂縫分布的方法。研究了壓裂過程中地應(yīng)力大小和復(fù)雜裂縫區(qū)域的變化。計(jì)算了單縫和多縫壓裂，排量對復(fù)雜裂縫區(qū)域的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同壓裂方式下，大排量施工均能有效擴(kuò)大復(fù)雜裂縫區(qū)域。參數(shù)敏感性分析指出，大排量施工對低脆性巖石所產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫區(qū)域影響較小，初始地應(yīng)力差是形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵因素，裂縫的張開寬度與應(yīng)力干擾程度取決于最小地應(yīng)力;低滲透率儲(chǔ)層裂縫所產(chǎn)生

3、的應(yīng)力干擾更大，有助于產(chǎn)生復(fù)雜裂縫。順序壓裂時(shí)由于應(yīng)力干擾程度隨著裂縫條數(shù)不斷增加，后續(xù)裂縫所產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。多縫順序壓裂大排量所引起的復(fù)雜裂縫區(qū)域擴(kuò)大的效果遠(yuǎn)好于單縫壓裂。
　　(2)水平井多段壓裂的裂縫間距是施工中重要的可控參數(shù)。采用水力裂縫擴(kuò)展流固耦合模型，模擬順序壓裂和同時(shí)壓裂過程中，裂縫的形態(tài)和復(fù)雜裂縫區(qū)域的變化。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，多縫順序壓裂，縫間應(yīng)力干擾使得裂縫沿一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。減小裂縫間距，復(fù)雜裂縫區(qū)域擴(kuò)大。

4、而間距過小會(huì)導(dǎo)致部分裂縫在起裂和偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)位置發(fā)生閉合，無法加砂?？p間距優(yōu)化綜合考慮了復(fù)雜裂縫區(qū)域大小以及裂縫寬度能否加砂這兩個(gè)因素。對同時(shí)壓裂最優(yōu)間距的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)間距受彈性模量的影響較小，隨地應(yīng)力差的增大而減小。
　　對于水平井交替壓裂方法，本文采用二維數(shù)值模型計(jì)算了支撐裂縫對周圍地應(yīng)力場的影響范圍，并模擬了交替壓裂過程。用地應(yīng)力的方向預(yù)測壓裂所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放縫的分布。通過計(jì)算不同階段壓裂應(yīng)力釋放縫的分布角度，得到了所能形成

5、的復(fù)雜裂縫的范圍。計(jì)算結(jié)果顯示，復(fù)雜裂縫區(qū)域面積隨著裂縫間距的變化有一個(gè)峰值，與此對應(yīng)的間距為最優(yōu)裂縫間距。參數(shù)影響分析顯示，最優(yōu)間距隨著地應(yīng)力差的增加而降低，隨著凈壓力的增加而增加。支撐劑的鋪置對地應(yīng)力分布以及最優(yōu)間距有顯著影響。
　　(3)水平井同時(shí)壓裂中，裂縫間應(yīng)力干擾作用使得裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，擴(kuò)展長度和寬度也會(huì)受到抑制。本文基于擴(kuò)展有限元法建立了多孔介質(zhì)裂縫同時(shí)起裂的數(shù)值計(jì)算模型，模型考慮了壓裂過程中各裂縫壓裂液注入流量

6、的動(dòng)態(tài)分配。研究了地質(zhì)參數(shù)和施工參數(shù)對裂縫幾何形態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地應(yīng)力差是裂縫形態(tài)的控制因素，地應(yīng)力差不同，中間裂縫起裂擴(kuò)展會(huì)受到抑制或在注入點(diǎn)位置發(fā)生閉合;地應(yīng)力差較大時(shí)，減小排量和增大孔眼摩阻有助于促進(jìn)中間裂縫擴(kuò)展。通過對可控因素調(diào)節(jié)，建立了對裂縫形態(tài)的控制的方法。
　　(4)復(fù)雜裂縫形態(tài)的模擬對頁巖氣開采具有重要意義。本文采用基于有限元法的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)模型(GEOS)，研究不同地質(zhì)參數(shù)對裂縫擴(kuò)展的影響。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地應(yīng)

7、力和天然裂縫是復(fù)雜裂縫形成的控制因素。平行分布的天然裂縫，人工裂縫往往沿著天然裂縫的方向擴(kuò)展，且裂縫形態(tài)單一，無法形成復(fù)雜裂縫。垂直相交分布的天然裂縫有助于人工裂縫分叉，形成復(fù)雜裂縫。人工裂縫擴(kuò)展的形態(tài)不僅與地應(yīng)力差有關(guān)，還受地應(yīng)力的絕對大小影響。地應(yīng)力或地應(yīng)力差較大時(shí)，會(huì)抑制人工裂縫分叉和擴(kuò)展，難以形成復(fù)雜裂縫。
　　本文所提出的數(shù)值模型、分析方法和研究結(jié)果，可以為非常規(guī)油氣藏水力壓裂施工設(shè)計(jì)提供一定的參考，以優(yōu)化施工參數(shù)，提高