体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究.ppt

1、体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究,西 南 石 油 大 学,2013年7月,主 要 内 容,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状 二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟 三、结论及建议,1）体积压裂基础理论研究,体积压裂基本含义（狭义）：采用水平井多段压裂，在水平井段上形成多条人工主缝；通过开启和扩展天然裂缝，并实现各分支缝的相互沟通，以形成的复杂裂缝网络在更大的储集空间内扩大泄油面积，提高低渗、超低渗储层导流能力。,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状,矿井实拍图,室内试验结果,数值模拟,1）体积压裂基础理论研究,水力压裂缝与天然缝相交后，分支缝起裂与延伸特征将决定裂缝网络几何尺寸及复杂程度。

2、,测试设备,实验结果,受力分析,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状,2）体积压裂复杂裂缝模拟研究,体积压裂复杂裂缝模型介绍。,Wire-mesh Model,Unconventinal Fracture Model,正交线网模型,非常规裂缝模型,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状,2）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,非常规裂缝模型,非常规裂缝模型模拟方法,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度及工作量较大

3、。,2）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,正交线网模型,模型特点,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。,汇 报 内 容,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状 二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟 三、结论及建议,（1）地质构造,1、体积压裂改造的储层条件分析,褶皱构造：由轴部向两翼发育天然裂缝的可能性越来越小。 断层构造：断面附近受到挤压更强，

4、应力更大，天然裂缝越发育。,（2）储层物性特征,美国成功实施体积压裂案例的矿物成分分析,石英含量较高时，可以适当放宽粘土含量的限制。,1、体积压裂改造的储层条件分析,（3）岩石力学特征,杨氏模量较高、泊松比较低的地层脆性强，天然缝较为发育，且易发生断裂。,1、体积压裂改造的储层条件分析,（4）地应力状况,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（国外页岩气压裂单段使用液量达到7000m3，排量达到21m3/min）。,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。,（5）天然裂缝,适当的地应力条件，是形成复杂裂缝网络的有利条件。,1、

5、体积压裂改造的储层条件分析,2、近井径向缝网形成分析,1）近井径向缝网形成原理,当孔眼与天然缝随机相交，由于沿天然缝剪切及张性破裂压力低于岩石本体破裂压力；并且不同井筒方位角下，孔眼上破裂压力值差减小，导致近井径向多裂缝的产生成为可能。,近井径向缝网示意图,2、近井径向缝网形成分析,2）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,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,不同模式下破裂压力变化趋势,2、近井径向缝网形成分析,2）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,射孔摩阻,裂缝面粗糙度,井筒憋压,3、

6、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究,复杂裂缝网络形成过程：,分支缝,天然缝,实拍图,示意图,(a)穿透纹 (b)表面纹 (c)埋深纹,裂纹的扩展形式包括型、 型和型裂纹。,型（张开型）裂纹 (b) 型（滑开型）裂纹 (c) 型（撕开型）裂纹,1）裂纹扩展形式 按裂纹的几何特征可分为穿透裂纹、表面纹和埋深纹 。,3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究,2）复合型裂纹的起裂与延伸判定准则,复合型裂缝的起裂判定准则：(Warpinski & Teufel 1987),复合型裂缝的延伸判定准则：(最大周向应力理论-Erdogan),3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究,4、缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型研究,1）

7、模型概述,缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型,连续性方程,压降方程,裂缝宽度方程,裂缝高度方程,起裂与延伸判定准则,变换自变量,Stenffensen方法,预报校准方法,数值计算方法,拟三维 Palmer模型,理论基础,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，改进裂缝几何尺寸迭代算法，加快收敛速度。,求解的局部优化处理,Stenffensen方法,预报校准方法,4、体积压裂复杂裂缝延伸数学模型研究,计算特点：,每条天然缝都需分配新的计算模块，天然缝越多，计算越复杂；,对每条缝都需进行相交判定，并在节点处重新分配计算参数，缝网越复杂，计算量越大；,交点处流量、压力动态分配计算较为

8、困难。,水平地应力相等，延伸角不受缝内净压影响。,净压力增加，延伸角变小,应力差增加，延伸角增大。,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,1）裂缝延伸角变化关系,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（MPa）,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,2）裂缝延伸压力变化关系,=5 MPa,=2 MPa,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（MPa）,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,压裂施工的实际净压力越高，延伸压力越高,Pfnet=2MPa,Pfnet=5MPa,延伸所需净压力（MPa）,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,断裂韧性越大，延伸压力

9、越大,延伸压力（MPa）,KIC=0.8MPa(m)0.5,KIC=1.2MPa(m)0.5,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,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#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。 即使储层具有天然缝 ，在地应力变化剧烈（应力差较大）或者是施工参数变化（排量较小）时，也不一定会形成裂缝网络。,排量：3m3/min 应力差：2MPa,排量：1.5m3/min 应力差：5MPa,5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析,5、体积压裂复杂裂缝延伸数学模型研究,3）复杂裂缝网络模拟计算难点,天然裂缝的条数、分布密度

10、、物性参数的非均质性将使得分支裂缝起裂与延伸计算更加困难。,当多条分支缝同时开启和扩展时，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。,当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。,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。,汇 报 内 容,一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状 二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟 三、结论及建议,三、结论及建议,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.深入开展水力压裂物理现象的科学探讨。,水力压裂,物理现象,流固耦合,近海工程,石油工程,工程实际,水利工程,船舶工程,研究方法,边界元,有限元,无网格方法,ALE方法,2.开展适宜体积压裂的井位/层系定量优选技术研究，提高压裂的针对性和有效性。,三、结论及建议,4.基于复杂裂缝网络尺寸，建立缝网压裂产能预测模型，优化压裂施工参数，提高体积压裂设计和施工的科学性。,5.开展复