体积压裂复杂裂缝网络模拟研究及应用分析

1、-1-2012年9月赵金洲 李勇明 王 松汇报人： 王 松-2-主主 要要 内内 容容-3-1 1）体积压裂基础理论研究）体积压裂基础理论研究 一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状矿井实拍图矿井实拍图室内试验结果室内试验结果数值模拟数值模拟-4-1 1）体积压裂基础理论研究）体积压裂基础理论研究测试设备测试设备实验结果实验结果受力分析受力分析一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状-5-2 2）体积压裂复杂裂缝模拟研究）体积压裂复杂裂缝模拟研究Wire-mesh ModelWire-mesh ModelUnconventinal Fractu

2、re ModelUnconventinal Fracture Model正交线网模型正交线网模型非常规裂缝模型非常规裂缝模型一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状-6-2 2）体积压裂复杂裂缝模拟研究）体积压裂复杂裂缝模拟研究一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状非常规裂缝模型非常规裂缝模型非常规裂缝模型模拟方法非常规裂缝模型模拟方法模型特点模型特点 需根据地质、地震、测井等预先得到天然缝的长度、方位、力学参数等参数。 基于微地震数据拟合缝网几何尺寸及缝内净压力。 考虑不同物性天然裂缝影响，能较为精确计算缝网尺寸及复杂程度，但天然缝多时模拟难

3、度及工作量较大。-7-2 2）体积压裂复杂裂缝模拟研究）体积压裂复杂裂缝模拟研究一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状正交线网模型正交线网模型模型特点模型特点正交线网模型模拟方法正交线网模型模拟方法 根据微地震数据点密度、地质及测井等数据用于调整正交天然缝间距。 通过调整H拟合缝网基本几何尺寸。 调整裂缝（裂缝沿水平主应力方向且正交分布）相互间距和粗糙因子拟合缝内净压力。 缝网整体为椭圆状、裂缝形态规则，但缝网尺寸与微地震数据拟合难度大。-8-汇汇 报报 内内 容容-9-褶皱构造：由轴部向两翼发育天然裂缝的可能性越来越小。褶皱构造：由轴部向两翼发育天然裂缝的可能性越来

4、越小。断层构造：断面附近受到挤压更强，应力更大，天然裂缝越发育。断层构造：断面附近受到挤压更强，应力更大，天然裂缝越发育。-10-11-杨氏模量较高杨氏模量较高、泊松泊松比较低比较低的地层脆性强，的地层脆性强，天然缝较为发育，且天然缝较为发育，且易发生断裂。易发生断裂。-12-存在天然裂缝是形成复杂缝网的充分条件。存在天然裂缝是形成复杂缝网的充分条件。大量的天然缝存在，滤失大，需要液量大、排量大（大量的天然缝存在，滤失大，需要液量大、排量大（国外页岩气压裂国外页岩气压裂单段使用液量达到单段使用液量达到7000m7000m3 3，排量达到，排量达到21m21m3 3/min/min）。）。天然缝

5、发育状况、几何尺寸、空间位置决定分支缝的起裂和延伸情况。天然缝发育状况、几何尺寸、空间位置决定分支缝的起裂和延伸情况。适当的地应力条件，是形成复杂裂缝网络的有利条件。适当的地应力条件，是形成复杂裂缝网络的有利条件。-13-1 1）近井径向缝网形成原理）近井径向缝网形成原理近井径向缝网示意图近井径向缝网示意图-14-2 2）近井径向缝网形成影响因素分析）近井径向缝网形成影响因素分析井周存在多个破裂压力相近的等效破裂点井周存在多个破裂压力相近的等效破裂点裂缝延伸压力高于破裂压力，井底压力升高促使等效破裂点起裂延伸裂缝延伸压力高于破裂压力，井底压力升高促使等效破裂点起裂延伸裂缝性地层典型压裂施工曲线

6、裂缝性地层典型压裂施工曲线不同模式下破裂压力变化趋势不同模式下破裂压力变化趋势-15-2 2）近井径向缝网形成影响因素分析）近井径向缝网形成影响因素分析导致井底压力升高的其他因素导致井底压力升高的其他因素射孔摩阻射孔摩阻裂缝面粗糙度裂缝面粗糙度井筒憋压井筒憋压-16-复杂裂缝网络形成过程：复杂裂缝网络形成过程：分支缝天然缝实拍图实拍图示意图示意图-17-(a)穿透纹 (b)表面纹 (c)埋深纹裂纹的扩展形式包括裂纹的扩展形式包括型型型和型和型裂纹型裂纹 型（张开型）裂纹(b) 型（滑开型）裂纹(c) 型（撕开型）裂纹 按裂纹的几何特征可分为按裂纹的几何特征可分为穿透裂纹、表面纹和埋深纹穿透裂纹

7、、表面纹和埋深纹 。-18-2221230coscoscos+fnpT2000max13coscossin2222 2KKr -19- 缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型连续性方程连续性方程压降方程压降方程裂缝宽度方程裂缝宽度方程裂缝高度方程裂缝高度方程起裂与延伸判定准则起裂与延伸判定准则变换自变量变换自变量StenffensenStenffensen方法方法 预报预报校准方法校准方法 数值计算方法数值计算方法拟三维拟三维PalmerPalmer模型模型理论基础理论基础 数值解法概述：数值解法概述：以压力作为自变量，结合天然缝起裂及延伸判断准则，改以压力作为自变量，结合天

8、然缝起裂及延伸判断准则，改进裂缝几何尺寸迭代算法，加快收敛速度。进裂缝几何尺寸迭代算法，加快收敛速度。 StenffensenStenffensen方法方法预报预报校准方法校准方法-20-计算特点：计算特点：每条天然缝都需分配新的每条天然缝都需分配新的计算模块，计算模块，天然缝越多，计天然缝越多，计算越复杂算越复杂；对每条缝都需进行相交判对每条缝都需进行相交判定，并在节点处重新分配计定，并在节点处重新分配计算参数，算参数，缝网越复杂，计算缝网越复杂，计算量越大量越大；-21-水平地应力相等，水平地应力相等，延伸角不受缝内净延伸角不受缝内净压影响。压影响。净压力增加，净压力增加，延伸角变小延伸角

9、变小-22-延伸净压力随裂缝半径增大而减小；夹角对延伸净压力影响较小。延伸净压力随裂缝半径增大而减小；夹角对延伸净压力影响较小。延伸所需净压力（延伸所需净压力（MPa）-23-=5 MPa=2 MPa 水平应力差大，延伸压力大，分支缝不易扩展水平应力差大，延伸压力大，分支缝不易扩展 延伸所需净压力（延伸所需净压力（MPa）-24-压裂施工的实际净压力越高，延伸压力越高压裂施工的实际净压力越高，延伸压力越高Pfnet=2MPaPfnet=5MPa延伸所需净压力（延伸所需净压力（MPa）-25-断裂韧性越大，延伸压力越大断裂韧性越大，延伸压力越大延伸压力（延伸压力（MPa）KIC=0.8MPa(m

10、)0.5KIC=1.2MPa(m)0.5-26-影响参数参数变化趋势延伸及起裂趋势备注复合型裂缝起裂与延伸判定准则：参数值增大：参数值减小：有利于分支缝起裂或延伸：不利于分支缝起裂或延伸延伸趋势起裂趋势裂缝面法线与X轴夹角夹角变化范围 090地应力差任意两个主应力方向上的应力差裂缝半径假设为圆片状裂缝缝内实际压力延伸净压力随缝内实际压力变化岩石断裂韧性计算中将断裂韧性设为定值-27-28- 参数变化（排量降低、应力差增加）使得延伸的分支缝不能与参数变化（排量降低、应力差增加）使得延伸的分支缝不能与2#2#天然缝相天然缝相交，难以沟通天然缝为裂缝网络的形成提供客观条件。交，难以沟通天然缝为裂缝网

11、络的形成提供客观条件。 即使储层具有天然缝即使储层具有天然缝 ，在，在地应力变化剧烈地应力变化剧烈（应力差较大）或者是（应力差较大）或者是施工参数施工参数变化变化（排量较小）时，也不一定会形成裂缝网络。（排量较小）时，也不一定会形成裂缝网络。排量：排量：3m3m3 3/min/min应力差：应力差：2MPa2MPa排量：排量：1.5m1.5m3 3/min/min应力差：应力差：5MPa5MPa-29-u天然裂缝的条数、分布密度、物性参数的非均质性天然裂缝的条数、分布密度、物性参数的非均质性将使得分支裂缝起裂将使得分支裂缝起裂与延伸计算更加困难。与延伸计算更加困难。u当当多条分支缝多条分支缝同

12、时开启和扩展时，对每条裂缝几何尺寸的计算将使得模同时开启和扩展时，对每条裂缝几何尺寸的计算将使得模拟难度和计算量大幅增加。拟难度和计算量大幅增加。u当当分支缝间互相沟通分支缝间互相沟通时，其相交点处的流量、压力等参数将重新分配和时，其相交点处的流量、压力等参数将重新分配和并作为裂缝进一步延伸计算的初始点，交点越多（缝网越复杂）其模拟并作为裂缝进一步延伸计算的初始点，交点越多（缝网越复杂）其模拟难度更大。难度更大。u目前的压裂理论难以兼顾多缝同时延伸模拟和单缝几何尺寸计算。目前的压裂理论难以兼顾多缝同时延伸模拟和单缝几何尺寸计算。-30-汇汇 报报 内内 容容-31-三、结论及建议三、结论及建议

13、 1. 1.进一步调研国内外体积压裂研究现状，总结形成复杂裂缝网络需进一步调研国内外体积压裂研究现状，总结形成复杂裂缝网络需具备的基本地质参数条件范围，探索适宜我国压裂开发的关键技术。具备的基本地质参数条件范围，探索适宜我国压裂开发的关键技术。 3. 3.深入开展水力压裂物理现象的科学探讨。深入开展水力压裂物理现象的科学探讨。水力压裂水力压裂物理现象物理现象流固耦合流固耦合近海工程石油工程工程实际工程实际水利工程船舶工程研究方法研究方法边界元边界元有限元有限元无网格方法无网格方法ALEALE方法方法 2. 2.开展适宜体积压裂的井位开展适宜体积压裂的井位/ /层系定量优选技术研究，提高压裂的针层系定量优选技术研究，提高压裂的针对性和有效性。对性和有效性。-32-三、结论及建议三、结论及建议 4. 4.基于复杂裂缝网络尺寸，建立缝网压裂产能预测模型，优化压裂基于复杂裂缝网络尺寸，建立缝网压裂产能预测模型，优化压裂施工参数，提高体积压裂设计和施工的科学性。施工参数，提高体积压裂设计和施工的科学性。 5.5.开展复杂裂缝网络形成控制技术，包括储层天然裂缝评价方法，提开展复杂裂缝网络形成控制技术，包括储层天然裂缝评价方法，提高缝内净压力的暂堵高缝内净压力的