水平井水力壓裂數值模擬與施工參數優(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手段。由于現場施工和儲層地質條件的復雜性，壓裂所產生的部分人工裂縫對產量貢獻較小，增產效果不理想。因此，需要對壓裂相關問題進行深入研究，優(yōu)化施工參數。由于目前測量和實驗手段的局限性，數值模擬是水力壓裂研究的重要技術手段。本文采用二維水力裂縫數值模型，研究了大排量施工對復雜裂縫形成的影響、不同壓裂方式下裂縫間距優(yōu)化、多縫同時壓裂裂縫形態(tài)控制、復雜裂縫形態(tài)形成條件等重要工程實際問題，主要包括:

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

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

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

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

6、的動態(tài)分配。研究了地質參數和施工參數對裂縫幾何形態(tài)的影響。研究發(fā)現，地應力差是裂縫形態(tài)的控制因素，地應力差不同，中間裂縫起裂擴展會受到抑制或在注入點位置發(fā)生閉合;地應力差較大時，減小排量和增大孔眼摩阻有助于促進中間裂縫擴展。通過對可控因素調節(jié)，建立了對裂縫形態(tài)的控制的方法。
　　(4)復雜裂縫形態(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雜裂縫網絡模型(GEOS)，研究不同地質參數對裂縫擴展的影響。計算結果發(fā)現，地應

7、力和天然裂縫是復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展，且裂縫形態(tài)單一，無法形成復雜裂縫。垂直相交分布的天然裂縫有助于人工裂縫分叉，形成復雜裂縫。人工裂縫擴展的形態(tài)不僅與地應力差有關，還受地應力的絕對大小影響。地應力或地應力差較大時，會抑制人工裂縫分叉和擴展，難以形成復雜裂縫。
　　本文所提出的數值模型、分析方法和研究結果，可以為非常規(guī)油氣藏水力壓裂施工設計提供一定的參考，以優(yōu)化施工參數，提高