水平井水力壓裂數(shù)值模擬與施工參數(shù)優(yōu)化研究

1、水平井水力壓裂數(shù)值模擬與施工參數(shù)優(yōu)化研究水力壓裂是非常規(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 驗手段的局限性，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 條件等重要工程實際問題，主要包括：(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

2、應(yīng)力大小和復(fù)雜裂縫區(qū)域的變化。計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；低滲透率儲層裂縫所產(chǎn)生的應(yīng)力干擾更大，有助于產(chǎn)生復(fù) 雜裂縫。順序壓裂時由于應(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

3、，模擬順序壓裂和同時壓裂過程中，裂縫的 形態(tài)和復(fù)雜裂縫區(qū)域的變化。計算發(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。而間距過小會導(dǎo)致部分裂縫在起裂和偏轉(zhuǎn)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(fù)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(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，得到了所能形成的復(fù)雜

4、裂縫 的范圍。計算結(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)水平并同時壓裂中，裂縫間應(yīng)力干擾作用使得裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時，擴(kuò)展 長度和寬度也會受到抑制。本文基于擴(kuò)展有限元法建立了多孔介質(zhì)裂縫同時起裂 的數(shù)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的動態(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)展會受到抑制或在注入點 位置發(fā)生閉合；地應(yīng)力差較大時，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。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地應(yīng)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，會抑制人工