整理儲(chǔ)層孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫高度控制的影響

1、儲(chǔ)層孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫高度控制的影響摘要水力壓裂技術(shù)是儲(chǔ)層增產(chǎn)的一個(gè)重要辦法。在石油工程中，水力裂縫幾何形狀的預(yù)測(cè)已經(jīng)成為一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。在水力壓裂過(guò)程中采用研究和討論垂直裂縫，地層孔隙度和粘土含量對(duì)裂縫高度控制的影響。通過(guò)一組公式，將巖性、孔隙度和粘土含量聯(lián)系起來(lái)。結(jié)果表明，較大的孔隙度和粘土含量可以限制裂縫高度。當(dāng)含油層的孔隙度增加時(shí)，滲透率增加而彈性模量減小。由于壓裂液更容易泄漏到孔隙度較大的地層，因此，裂縫高度減小，井底壓力下降。隨著隔層粘土含量的增加，彈性模量降低并且?guī)r石材料的抗拉強(qiáng)度增加。裂縫高度將減小，對(duì)于粘土含量大的地層，材料更難被損害。我們的工作一個(gè)對(duì)裂縫高度控制新的認(rèn)

2、識(shí)，并有利于水力壓裂的施工和實(shí)踐。水力壓裂技術(shù)是提高氣井產(chǎn)能的主要工程技術(shù)之一。介紹水力壓裂的目的是繞過(guò)近井眼損傷并延長(zhǎng)到地層的導(dǎo)流路徑(Economides 和Nolte，2000)。由于水力壓裂的原理比較復(fù)雜，在3維計(jì)算機(jī)模擬程序中有巨大的挑戰(zhàn)。水力裂縫幾何形狀可以水平或垂直，取決于地層特征（上覆地層壓力和構(gòu)造變化）。對(duì)于垂直裂縫，裂縫高度已引起廣泛的注意。2012年Wang等人研究了一些巖性參數(shù)對(duì)多層儲(chǔ)集層的水力裂縫高度的影響。結(jié)果表明，原始地層壓力越大，彈性模量越小，隔層的抗拉強(qiáng)度越大，這可以使裂縫高度越小。2009年Deneshy指出沿弱界面的剪切破壞是裂縫高度控制的另一個(gè)因素。地層

3、孔隙度和粘土含量能顯著影響巖石材料性質(zhì)(Chen等人，2008)。但是，據(jù)我所知在文獻(xiàn)中很少見(jiàn)到孔隙度和粘土含量對(duì)水力壓裂的影響的研究。在本文中，建立一個(gè)3維的水力壓裂模擬模型。用有限元法解流-固態(tài)平衡方程。基于損傷力學(xué)，在模擬裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展中采用內(nèi)聚單元法。得到的井底壓力曲線與實(shí)測(cè)資料一致；因此，該模型的驗(yàn)證得到了認(rèn)可。然后，研究地層孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫高度的影響。用一組公式將巖性、孔隙度和粘土含量聯(lián)系起來(lái)。結(jié)果表明，較大的孔隙度和粘土含量可降低裂縫高度。水力壓裂施工設(shè)計(jì)將有益于我們的工作。數(shù)值計(jì)算法控制巖石材料的變形被表示成壓力平衡方程多孔流體的質(zhì)量守恒方程寫為流體動(dòng)力學(xué)方程遵守達(dá)西

4、定律，其中滲流速度與孔隙壓力梯度成正比(Marino和Luthin，1982；Dean和Schmidt，2008)，這就是=-1K(-g) （3） 固體的變形和滲流流量之間的關(guān)系可以表示為有效應(yīng)力原理根據(jù)損傷力學(xué)，內(nèi)聚單元被采用到壓裂行為的模擬中。巖石的初始損傷由下面的二次應(yīng)力準(zhǔn)則描述。是垂直應(yīng)力，和是兩個(gè)剪切方向的剪切應(yīng)力。是巖石抗拉強(qiáng)度，代表兩各個(gè)剪切方向的巖石剪切強(qiáng)度。<>標(biāo)志用來(lái)標(biāo)識(shí)擠應(yīng)力狀況不會(huì)造成傷害，這意味著當(dāng)達(dá)到初始傷害準(zhǔn)則時(shí)，材料的剛度退化并表示如下E1和E0分別代表受損和原材料的彈性模量。D是材料的損傷因子，可以用下面的公式計(jì)算D=dmf(dmmax-dm0)d

5、mmax(dmf-dm0) （8）dmf、dmmax和dm0分別指的是完全失效時(shí)的位移、歷史負(fù)荷的最大位移量和初始損傷的位移。類似于達(dá)西定律，壓裂中的液體流速與液體壓力呈線性關(guān)系。水力壓裂過(guò)程中，支撐劑逐漸加入壓裂液。支撐劑對(duì)水力壓裂的影響用壓裂液的粘度變化表示，可用下面的方程表示=0.1×(1-c/0.65)2 （9）壓裂液注入速率保持3.46圖1：模擬范圍示意圖壓裂過(guò)程中井底壓力變化曲線模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖2所示。由于壓裂液注入速率保持不變，井底壓力曲線平滑穩(wěn)定?？梢钥闯觯@兩條曲線之間的差異不明顯。模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間井底壓力的最大相對(duì)誤差值僅為4.6%。驗(yàn)證了模型的正

6、確性。圖2：井底壓力曲線的比較孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫高度的影響在下段中，討論孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫高度的影響。模擬范圍，類似于以前的部分，由3個(gè)層構(gòu)成。含油層厚度為10米。當(dāng)模擬范圍在垂直方向上對(duì)稱時(shí)，計(jì)算模型只考慮低一半的整個(gè)范圍。計(jì)算范圍的長(zhǎng)度、高度和寬度分別是180米、30米和20米。在之后的所有模擬案例中，壓裂液注入速率保持在3彈性模量和泊松比可以用下面的公式計(jì)算波速。E=vs3（vpvs）2-4（vpvs）2-1 （12）v=（vpvs）2-2（vpvs）2-1 （13） 、Evc=(a+bVcl)E （14） c是抗壓強(qiáng)度；a和b是擬合系數(shù)。根據(jù)大慶油田的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，a和b分

7、別采用0.0006619和0.01123。巖石抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系n0=cKtc （15） Ktc是比例系數(shù)孔隙度也大大地影響了地層滲透率，可表示為和m是兩個(gè)系數(shù)。在我們的模擬中，和m分別采用3.87達(dá)西和1.99。方程（10）-（16）通常將巖性參數(shù)（彈性模量，拉伸強(qiáng)度和滲透率） 孔隙度、粘土含量聯(lián)系起來(lái)，并將它們之間的關(guān)系描繪在圖3 5中。由于這些參數(shù)可以有效地影響水力裂縫形態(tài)，孔隙度和粘土含量可以影響水力壓裂。圖3：楊氏模量、孔隙度和粘土含量之間的關(guān)系圖4：抗拉強(qiáng)度、孔隙度和粘土含量之間的關(guān)系圖5：孔隙度和滲透率之間的關(guān)系研究了5個(gè)數(shù)值案例，參數(shù)組合列于表1。案例1和案例3討論了

8、孔隙度對(duì)水力壓裂的影響。案例4和案例5討論了粘土含量對(duì)水力壓裂的影響，案例2作為基準(zhǔn)。在下面所有的數(shù)字符號(hào)中，l，h和w分別代表裂縫半長(zhǎng)、半高、和半寬。坐標(biāo)原點(diǎn)位于裂縫中心。表1：參數(shù)組合含油層孔隙度隔層孔隙度含油層粘土含量隔層粘土含量案例10.080.0110%30%案例20.120.0110%30%案例30.160.0110%30%案例40.120.0110%40%案例50.120.0110%50%案例1、2和3中裂縫的3維結(jié)構(gòu)如圖6所示，橫截面視圖如圖7所示?？梢钥闯?，孔隙度較大的油層可減小裂縫高度。隨著油層孔隙度的增加，滲透率增加(Eq.16)。由于壓裂液更容易泄漏到孔隙度較大的地層中

9、，因此裂縫高度降低，并且井底壓力下降。圖6：孔隙度對(duì)裂縫形態(tài)的影響圖7：圖6的橫截面視圖案例2、4和5的3維結(jié)構(gòu)如圖8所示，對(duì)應(yīng)的橫截面示意圖如圖9所示。這些圖可說(shuō)明，粘土含量較大的隔層可限制裂縫高度。如圖3和圖4所示，當(dāng)粘土含量增加時(shí)，巖石彈性模量降低并且抗拉強(qiáng)度增加。由于粘土含量較大的地層很難被損害，因此裂縫高度降低。圖8：粘土含量對(duì)裂縫形態(tài)的影響圖9：圖8的橫截面視圖結(jié)論為了模擬水力壓裂難題，建立一個(gè)非線性流-固態(tài)模型。用有限元離散并求解模型?；趽p傷原理，在模擬裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展中采用內(nèi)聚單元法。一個(gè)典型的水平井水力壓裂過(guò)程用現(xiàn)有模型模擬。得到的井底壓裂變化與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。我們認(rèn)可了該模

10、型的準(zhǔn)確性。本文研究了地層孔隙度和粘土含量對(duì)水力裂縫控制高度的影響。用一組經(jīng)驗(yàn)公式將巖性、孔隙度和粘土含量聯(lián)系起來(lái)。結(jié)果表明，孔隙度和粘土含量較大的地層可限制裂縫高度。較大的孔隙度可以增加滲透率，較大的粘土含量可減小彈性模量并且抗拉強(qiáng)度增加。最后，所有這些因素將使水力裂縫變得更小。在我們的工作中，這些將有利于我們的水力壓裂施工設(shè)計(jì)和實(shí)踐。術(shù)語(yǔ)a，b，m =擬合系數(shù)，無(wú)量綱c = 支撐劑濃度濃度，無(wú)量綱cc=擬合系數(shù)，L2，m2dmf=完全失效時(shí)排量， L，mdm0=初始損傷時(shí)的排量， L，mdmmax=卸載歷史時(shí)的最大排量， L，mD =損傷因子，無(wú)量綱E =彈性模量，m/Lt2，PaE1 =巖石材料的損傷彈性模量，m/Lt2，PaE0 =巖石材料的原始彈性模量，m/Lt2，Paf =體積力矢量，m/L2t2，Pa/mg=重力加速度矢量，L/t2，m/s2I =密度矩陣，無(wú)量綱K =滲透率矩陣，L2，M2Ktc =比例系數(shù)，無(wú)量綱pw =多孔壓力，m/Lt2，Pa Vcl=粘土含量，無(wú)量綱vp= P波速，L/t，m/svs=S波速，L/t，m/svw =滲流速度矢量L/t，m/sf =孔隙度，無(wú)量綱m=流體粘度，m/Lt，Pa.sn=泊松比，無(wú)量綱r=密度巖石，m/L3，kg/m3rw=多孔流體密度，m