體積壓裂復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)模擬研究及應(yīng)用分析

1、-1-2012年9月趙金洲 李勇明 王 松匯報(bào)人： 王 松-2-主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容-3-1 1）體積壓裂基礎(chǔ)理論研究）體積壓裂基礎(chǔ)理論研究 一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀礦井實(shí)拍圖礦井實(shí)拍圖室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值模擬數(shù)值模擬-4-1 1）體積壓裂基礎(chǔ)理論研究）體積壓裂基礎(chǔ)理論研究測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果受力分析受力分析一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀-5-2 2）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究Wire-mesh ModelWire-mesh ModelUnconventinal Fractu

2、re ModelUnconventinal Fracture Model正交線網(wǎng)模型正交線網(wǎng)模型非常規(guī)裂縫模型非常規(guī)裂縫模型一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀-6-2 2）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀非常規(guī)裂縫模型非常規(guī)裂縫模型非常規(guī)裂縫模型模擬方法非常規(guī)裂縫模型模擬方法模型特點(diǎn)模型特點(diǎn) 需根據(jù)地質(zhì)、地震、測(cè)井等預(yù)先得到天然縫的長度、方位、力學(xué)參數(shù)等參數(shù)。 基于微地震數(shù)據(jù)擬合縫網(wǎng)幾何尺寸及縫內(nèi)凈壓力。 考慮不同物性天然裂縫影響，能較為精確計(jì)算縫網(wǎng)尺寸及復(fù)雜程度，但天然縫多時(shí)模擬難

3、度及工作量較大。-7-2 2）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究）體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀一、體積壓裂復(fù)雜裂縫模擬研究現(xiàn)狀正交線網(wǎng)模型正交線網(wǎng)模型模型特點(diǎn)模型特點(diǎn)正交線網(wǎng)模型模擬方法正交線網(wǎng)模型模擬方法 根據(jù)微地震數(shù)據(jù)點(diǎn)密度、地質(zhì)及測(cè)井等數(shù)據(jù)用于調(diào)整正交天然縫間距。 通過調(diào)整H擬合縫網(wǎng)基本幾何尺寸。 調(diào)整裂縫（裂縫沿水平主應(yīng)力方向且正交分布）相互間距和粗糙因子擬合縫內(nèi)凈壓力。 縫網(wǎng)整體為橢圓狀、裂縫形態(tài)規(guī)則，但縫網(wǎng)尺寸與微地震數(shù)據(jù)擬合難度大。-8-匯匯 報(bào)報(bào) 內(nèi)內(nèi) 容容-9-褶皺構(gòu)造：由軸部向兩翼發(fā)育天然裂縫的可能性越來越小。褶皺構(gòu)造：由軸部向兩翼發(fā)育天然裂縫的可能性越來

4、越小。斷層構(gòu)造：斷面附近受到擠壓更強(qiáng)，應(yīng)力更大，天然裂縫越發(fā)育。斷層構(gòu)造：斷面附近受到擠壓更強(qiáng)，應(yīng)力更大，天然裂縫越發(fā)育。-10-11-楊氏模量較高楊氏模量較高、泊松泊松比較低比較低的地層脆性強(qiáng)，的地層脆性強(qiáng)，天然縫較為發(fā)育，且天然縫較為發(fā)育，且易發(fā)生斷裂。易發(fā)生斷裂。-12-存在天然裂縫是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的充分條件。存在天然裂縫是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的充分條件。大量的天然縫存在，濾失大，需要液量大、排量大（大量的天然縫存在，濾失大，需要液量大、排量大（國外頁巖氣壓裂國外頁巖氣壓裂單段使用液量達(dá)到單段使用液量達(dá)到7000m7000m3 3，排量達(dá)到，排量達(dá)到21m21m3 3/min/min）。）。天然縫

5、發(fā)育狀況、幾何尺寸、空間位置決定分支縫的起裂和延伸情況。天然縫發(fā)育狀況、幾何尺寸、空間位置決定分支縫的起裂和延伸情況。適當(dāng)?shù)牡貞?yīng)力條件，是形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的有利條件。適當(dāng)?shù)牡貞?yīng)力條件，是形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的有利條件。-13-1 1）近井徑向縫網(wǎng)形成原理）近井徑向縫網(wǎng)形成原理近井徑向縫網(wǎng)示意圖近井徑向縫網(wǎng)示意圖-14-2 2）近井徑向縫網(wǎng)形成影響因素分析）近井徑向縫網(wǎng)形成影響因素分析井周存在多個(gè)破裂壓力相近的等效破裂點(diǎn)井周存在多個(gè)破裂壓力相近的等效破裂點(diǎn)裂縫延伸壓力高于破裂壓力，井底壓力升高促使等效破裂點(diǎn)起裂延伸裂縫延伸壓力高于破裂壓力，井底壓力升高促使等效破裂點(diǎn)起裂延伸裂縫性地層典型壓裂施工曲線

6、裂縫性地層典型壓裂施工曲線不同模式下破裂壓力變化趨勢(shì)不同模式下破裂壓力變化趨勢(shì)-15-2 2）近井徑向縫網(wǎng)形成影響因素分析）近井徑向縫網(wǎng)形成影響因素分析導(dǎo)致井底壓力升高的其他因素導(dǎo)致井底壓力升高的其他因素射孔摩阻射孔摩阻裂縫面粗糙度裂縫面粗糙度井筒憋壓井筒憋壓-16-復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成過程：復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成過程：分支縫天然縫實(shí)拍圖實(shí)拍圖示意圖示意圖-17-(a)穿透紋 (b)表面紋 (c)埋深紋裂紋的擴(kuò)展形式包括裂紋的擴(kuò)展形式包括型型型和型和型裂紋型裂紋 型（張開型）裂紋(b) 型（滑開型）裂紋(c) 型（撕開型）裂紋 按裂紋的幾何特征可分為按裂紋的幾何特征可分為穿透裂紋、表面紋和埋深紋穿透裂紋

7、、表面紋和埋深紋 。-18-2221230coscoscos+fnpT2000max13coscossin2222 2KKr -19- 縫網(wǎng)壓裂復(fù)雜裂縫延伸數(shù)學(xué)模型縫網(wǎng)壓裂復(fù)雜裂縫延伸數(shù)學(xué)模型連續(xù)性方程連續(xù)性方程壓降方程壓降方程裂縫寬度方程裂縫寬度方程裂縫高度方程裂縫高度方程起裂與延伸判定準(zhǔn)則起裂與延伸判定準(zhǔn)則變換自變量變換自變量StenffensenStenffensen方法方法 預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法 數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法擬三維擬三維PalmerPalmer模型模型理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 數(shù)值解法概述：數(shù)值解法概述：以壓力作為自變量，結(jié)合天然縫起裂及延伸判斷準(zhǔn)則，改以壓力作為自變量，結(jié)合天

8、然縫起裂及延伸判斷準(zhǔn)則，改進(jìn)裂縫幾何尺寸迭代算法，加快收斂速度。進(jìn)裂縫幾何尺寸迭代算法，加快收斂速度。 StenffensenStenffensen方法方法預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法-20-計(jì)算特點(diǎn)：計(jì)算特點(diǎn)：每條天然縫都需分配新的每條天然縫都需分配新的計(jì)算模塊，計(jì)算模塊，天然縫越多，計(jì)天然縫越多，計(jì)算越復(fù)雜算越復(fù)雜；對(duì)每條縫都需進(jìn)行相交判對(duì)每條縫都需進(jìn)行相交判定，并在節(jié)點(diǎn)處重新分配計(jì)定，并在節(jié)點(diǎn)處重新分配計(jì)算參數(shù)，算參數(shù)，縫網(wǎng)越復(fù)雜，計(jì)算縫網(wǎng)越復(fù)雜，計(jì)算量越大量越大；-21-水平地應(yīng)力相等，水平地應(yīng)力相等，延伸角不受縫內(nèi)凈延伸角不受縫內(nèi)凈壓影響。壓影響。凈壓力增加，凈壓力增加，延伸角變小延伸角

9、變小-22-延伸凈壓力隨裂縫半徑增大而減??；夾角對(duì)延伸凈壓力影響較小。延伸凈壓力隨裂縫半徑增大而減小；夾角對(duì)延伸凈壓力影響較小。延伸所需凈壓力（延伸所需凈壓力（MPa）-23-=5 MPa=2 MPa 水平應(yīng)力差大，延伸壓力大，分支縫不易擴(kuò)展水平應(yīng)力差大，延伸壓力大，分支縫不易擴(kuò)展 延伸所需凈壓力（延伸所需凈壓力（MPa）-24-壓裂施工的實(shí)際凈壓力越高，延伸壓力越高壓裂施工的實(shí)際凈壓力越高，延伸壓力越高Pfnet=2MPaPfnet=5MPa延伸所需凈壓力（延伸所需凈壓力（MPa）-25-斷裂韌性越大，延伸壓力越大斷裂韌性越大，延伸壓力越大延伸壓力（延伸壓力（MPa）KIC=0.8MPa(m

10、)0.5KIC=1.2MPa(m)0.5-26-影響參數(shù)參數(shù)變化趨勢(shì)延伸及起裂趨勢(shì)備注復(fù)合型裂縫起裂與延伸判定準(zhǔn)則：參數(shù)值增大：參數(shù)值減?。河欣诜种Эp起裂或延伸：不利于分支縫起裂或延伸延伸趨勢(shì)起裂趨勢(shì)裂縫面法線與X軸夾角夾角變化范圍 090地應(yīng)力差任意兩個(gè)主應(yīng)力方向上的應(yīng)力差裂縫半徑假設(shè)為圓片狀裂縫縫內(nèi)實(shí)際壓力延伸凈壓力隨縫內(nèi)實(shí)際壓力變化巖石斷裂韌性計(jì)算中將斷裂韌性設(shè)為定值-27-28- 參數(shù)變化（排量降低、應(yīng)力差增加）使得延伸的分支縫不能與參數(shù)變化（排量降低、應(yīng)力差增加）使得延伸的分支縫不能與2#2#天然縫相天然縫相交，難以溝通天然縫為裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成提供客觀條件。交，難以溝通天然縫為裂縫網(wǎng)

11、絡(luò)的形成提供客觀條件。 即使儲(chǔ)層具有天然縫即使儲(chǔ)層具有天然縫 ，在，在地應(yīng)力變化劇烈地應(yīng)力變化劇烈（應(yīng)力差較大）或者是（應(yīng)力差較大）或者是施工參數(shù)施工參數(shù)變化變化（排量較?。r(shí)，也不一定會(huì)形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。（排量較?。r(shí)，也不一定會(huì)形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。排量：排量：3m3m3 3/min/min應(yīng)力差：應(yīng)力差：2MPa2MPa排量：排量：1.5m1.5m3 3/min/min應(yīng)力差：應(yīng)力差：5MPa5MPa-29-u天然裂縫的條數(shù)、分布密度、物性參數(shù)的非均質(zhì)性天然裂縫的條數(shù)、分布密度、物性參數(shù)的非均質(zhì)性將使得分支裂縫起裂將使得分支裂縫起裂與延伸計(jì)算更加困難。與延伸計(jì)算更加困難。u當(dāng)當(dāng)多條分支縫多條分支縫同

12、時(shí)開啟和擴(kuò)展時(shí)，對(duì)每條裂縫幾何尺寸的計(jì)算將使得模同時(shí)開啟和擴(kuò)展時(shí)，對(duì)每條裂縫幾何尺寸的計(jì)算將使得模擬難度和計(jì)算量大幅增加。擬難度和計(jì)算量大幅增加。u當(dāng)當(dāng)分支縫間互相溝通分支縫間互相溝通時(shí)，其相交點(diǎn)處的流量、壓力等參數(shù)將重新分配和時(shí)，其相交點(diǎn)處的流量、壓力等參數(shù)將重新分配和并作為裂縫進(jìn)一步延伸計(jì)算的初始點(diǎn)，交點(diǎn)越多（縫網(wǎng)越復(fù)雜）其模擬并作為裂縫進(jìn)一步延伸計(jì)算的初始點(diǎn)，交點(diǎn)越多（縫網(wǎng)越復(fù)雜）其模擬難度更大。難度更大。u目前的壓裂理論難以兼顧多縫同時(shí)延伸模擬和單縫幾何尺寸計(jì)算。目前的壓裂理論難以兼顧多縫同時(shí)延伸模擬和單縫幾何尺寸計(jì)算。-30-匯匯 報(bào)報(bào) 內(nèi)內(nèi) 容容-31-三、結(jié)論及建議三、結(jié)論及建議

13、 1. 1.進(jìn)一步調(diào)研國內(nèi)外體積壓裂研究現(xiàn)狀，總結(jié)形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)需進(jìn)一步調(diào)研國內(nèi)外體積壓裂研究現(xiàn)狀，總結(jié)形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)需具備的基本地質(zhì)參數(shù)條件范圍，探索適宜我國壓裂開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。具備的基本地質(zhì)參數(shù)條件范圍，探索適宜我國壓裂開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。 3. 3.深入開展水力壓裂物理現(xiàn)象的科學(xué)探討。深入開展水力壓裂物理現(xiàn)象的科學(xué)探討。水力壓裂水力壓裂物理現(xiàn)象物理現(xiàn)象流固耦合流固耦合近海工程石油工程工程實(shí)際工程實(shí)際水利工程船舶工程研究方法研究方法邊界元邊界元有限元有限元無網(wǎng)格方法無網(wǎng)格方法ALEALE方法方法 2. 2.開展適宜體積壓裂的井位開展適宜體積壓裂的井位/ /層系定量?jī)?yōu)選技術(shù)研究，提高壓裂的針層系定量?jī)?yōu)選技術(shù)研究，提高壓裂的針對(duì)性和有效性。對(duì)性和有效性。-32-三、結(jié)論及建議三、結(jié)論及建議 4. 4.基于復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)尺寸，建立縫網(wǎng)壓裂產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化壓裂基于復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)尺寸，建立縫網(wǎng)壓裂產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，提高體積壓裂設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性。施工參數(shù)，提高體積壓裂設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性。 5.5.開展復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成控制技術(shù)，包括儲(chǔ)層天然裂縫評(píng)價(jià)方法，提開展復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成控制技術(shù)，包括儲(chǔ)層天然裂縫評(píng)價(jià)方法，提高縫內(nèi)凈壓力的暫堵高縫內(nèi)凈壓力的