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团队编号：__15036010__中国石油工程设计大赛技术创新类作品作品名称工程地质一体化方法模拟页岩气藏水平井分段压裂设计完成日期2015年4月19日中国石油工程设计大赛组织委员会制第1章引言1目录第1章引言...........................................................11.1研究目的意义.....................................................11.2国内外研究现状...................................................21.2.1水平井水力压裂研究现状.......................................21.2.2地应力场研究现状............................................3第2章页岩储层水平井分段压裂.........................................12.1水平井复合桥塞多段分簇体积压裂...................................12.2水平井连续油管水力喷射分段压裂...................................12.3水平井多井同步体积压裂...........................................22.4FRAC-POINTEX多级压裂技术..........................................22.5压裂塞封隔快钻工艺技术...........................................2第3章水平井区块岩石力学参数与地应力场分布预测.......................43.1区块重点井三轴岩石力学参数计算...................................43.1.1横波时差曲线构建............................................43.1.2页岩气藏井区横波时差模型构建................................53.1.3岩石弹性力学参数的测井计算..................................63.1.4岩石强度参数的测井计算......................................73.1.5地应力参数解释模型..........................................93.2页岩气藏区块岩石力学、地应力参数建模............................103.2.1页岩气藏井区构造建模.......................................113.2.3页岩气藏井区岩石弹性力学参数建模...........................143.2.4页岩气藏井区岩石强度参数建模...............................163.2.5页岩气藏井区地应力参数建模.................................17第4章试验区块水平井压裂施工参数优化................................194.1典型水平井压裂人工裂缝延伸模拟计算..............................194.1.1Y1井拟三维模型裂缝模拟.....................................194.1.2Y1井非均质全三维模型裂缝模拟...............................274.1.3计算结果分析...............................................35第5章总结..........................................................37第1章引言1第1章引言1.1研究目的意义随着勘探开发程度的深入和石油勘探开发技术以及油层改造工艺技术的不断提高和完善。页岩气藏的发现和投入开发的比例不断增加，原来认为没有经济价值的低渗透气藏，经过储层改造、注水开发等现代化技术措施，获得了较好的经济效益，使低渗透油气藏的储量、产量大幅度增加。图1.1水平井增产改造工程地质一体化研究技术思路水平井虽然可以增加井筒与油层的接触面积、提高油气的产量和最终的采收率，但由于低渗透油藏的渗透率低，渗流阻力大、连通性差，有时水平井的单井产能也较低，满足不了经济开发的要求。为了提高单井产量和最终采收率，改善其开采的经济效益，要对水平井采用水力压裂增产技术，而且通常需要压开多条裂缝来增加油气深油通道，提高水平井的单井产能。然而，水平井压裂裂缝启裂和裂缝延伸的规律以及水平井产能预测方法与直井有很大不同。页岩气压储层完井方式一般采用长水平段完井，这样能够大大增加井眼和储层的接触面积，同时也为水平段多段压裂创造了客观条件。但水平段在储层中延伸段一般都在1000米左右，很有可能沿水平段方向上的储层物性已经产生很大变化，因此不利于针对性地进行压裂设计或优化。针对上述问题，本研究从单井测井曲线解释计算模型入手，建立了小层、薄层的精第1章引言2细岩石力学参数解释和地应力剖面构建，为后续的研究打下基础。随后，根据前面的单井精细解释结果，建立了区块的三维地质模型，包括各项岩石力学参数和各向应力条件，形成了可任意剖分的连续数据体。之后，结合井眼轨迹，对需要进行压裂的位置进行各参数剖面的提取，这样一来就实现了在连续数据体中有针对性地进行压裂设计和优化。此外，本研究还提供了两种计算模型的裂缝形态模拟结果，将之与微地震监测进行匹配验证。验证结果说明，虽然在裂缝形态上两种计算模型都和微地震数据有较好的匹配，但在裂缝剖面描述上，真三维模型具有更贴近真实的优势。本研究的创新点在于，应用了Petrel建模技术，形成了可划分任意剖面的三维连续地质体，再将任意剖面应用到不同井眼轨迹位置上的压裂设计或压裂优化中，同时结合三维裂缝扩展模型，更准确地模拟了裂缝形态。1.2国内外研究现状1.2.1水平井水力压裂研究现状自从20世纪40年代末，“水力压裂”这个概念诞生以来，人们就对岩石介质中的井筒压裂裂缝启裂问题进行了广泛的研究。在古典分析中，将岩石看作是弹性介质，而且假设井筒处于平面应变条件下，让井壁的周向应力等于岩石介质的拉伸断裂应力，以此确定井筒裂缝启裂压力。1969年，Haimson和Fairhurst考虑了孔隙度和孔隙压力的影响，将孔隙弹性力学应用于油井压裂；1979年，Bradley认识到剪切应力的重要性，提出了一套计算井筒周围应力分量的公式。1981年，黄荣樽教授对地层的破裂模式和破裂压力进行了探讨，给出了裂缝启裂压力计算公式；1987年，CH.Yew模型中，仍然利用前人的井筒应力场计算模型，忽略了孔隙度、孔隙压力和岩石抗张强度对裂缝启裂的影响，从而得到了简化的垂直井筒和水平井筒启裂结果；在同一B.S.Aadnoy、Rogalandu等对垂直井和斜井的地应力进行了研究，在地应力的计算中考虑了孔隙压力和倾斜角的影响；1988年，C.E.Austin等提出了裂缝启裂点的数目可以人为的选取或通过计算模型来确定，在没有计算模型或较好的指标的情况下，建议裂缝启裂点的间距通常为250-300英尺较为合理。1989年，C.H.Yew等详细提出了斜井水力压裂设计的技术概念和方法，改进了以前的坐标系统，提出一种新的坐标变换，分析了裸眼井复合裂缝相互连接所要求的孔眼间距以及套管井中套管对孔位和孔密的影响，建立了裂缝相互连接的判据。1995年，陈勉教授等考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件对裂缝启裂的影响，利用多孔弹性理论，采用叠加原理建立了斜井井筒周围的应力分布，根据裂缝启裂角的多值性，提出了斜井启裂压力和启裂角的计算模型及其判据，阐述了水平裂缝和垂直裂缝的启裂机理；同时，Z.Chen等通过具体实例计算研究了水平井轴与最大水平主应力之间夹角对裂缝启裂压力的影响，得出当井眼轴向与最大水平主应力平行时，裂缝启裂压力最小，井眼轴向与最大水平主应力垂直时，裂缝启裂压力最大的结论；第1章引言31996年J，.L.Brumley等通过实验对裂缝启裂进行了解释；1998年，李海涛等通过射孔参数对垂直井压裂施工压力的影响和对裂缝启裂的影响的分析，提出了待压裂施工井的射孔优化设计方法；M.A.Emanuele等提出了通过调整射孔和加大注入量等方法避免多条裂缝同时启裂，WolfgangF.J.Deeg通过坐标变换，建立了裸眼斜井和水平井的裂缝启裂压力计算模型，并分析了井斜角和方位角对裂缝启裂压力的影响2000年Hossain等讨论了在任意方位和井斜条件下井眼轨迹、射孔和应力范围对水力压裂裂缝启裂和裂缝延伸的影响，提出了一套预测水力压裂裂缝沿任意方位井筒启裂的通用模型，建立了射孔完井和裸眼完井条件下的垂直井筒和水平井筒的纵向裂缝、横向裂缝和复杂多裂缝的封闭式解析解，然后组合成一个数值模型来分析启裂裂缝的延伸动态，研究并讨论了在非最佳位置裂缝启裂的原因以及由于启裂裂缝弯曲对裂缝延伸压力和裂缝容积的影响，以解释在水力压裂过程中施工压力异常的原因；李传亮对油井压裂过程中岩石破裂压力计算公式进行了理论研究，并建立新的破裂压力计算公式，讨论了新旧两个公式的适用范围；2001年，柳贡慧等根据射孔井段的应力分布状况，初步探讨合理射孔初始方位角的确定方法；2002年，D.G.ccrosby等对多条裂缝同时启裂的理论进行研究并给出了几种裂缝启裂的判断准则，详细的阐述了较近两条裂缝之间的相互干扰，对水平井压裂具有重要的指导意义；2003年，张广清等研究了射孔对裂缝启裂压力的影响，指出射孔密度和射孔方位角是影响地层破裂的主要因素，而射孔孔眼长度和射孔孔眼直径影响不大。1.2.2地应力场研究现状地应力的研究对构造地质学、地震预报和地球动力学研究，对解决矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践中的工程技术问题起着越来越大的作用。地应力研究也是当前国际上的一个前缘课题，许多理论、方法和应用问题正在探索中。地应力与油气资源评价、油藏模拟、油气井工程等众多领域密切相关，因此地应力研究及应用是国际石油界的一个重大理论课题和实际问题，是油气勘探开发的一个新理论、新思维、新概念及新趋势。国内外在原始地应力场仿真、局部地应力扰动预测等领域开展了基础的理论研究，为本项目的开展奠定了理论基础。1915年哈斯特开始测定初始地应力，开创了通过现场量测信息确定初始地应力的历史。上世纪中叶，国内外在结合矿山开采及重大工程建设进行的地质勘查工作中，发展了钻孔应变反演分析地应力计算法。20世纪60年代末，Backus和Glibert求取最佳分辨率为出发点，发展了一套地应力场仿真方法，称之为BG方法，随后出现了试错法、网格搜索法、单纯形替换法、样板搜索法、蒙特卡罗法、模拟退火非线性反演算法、遗传算法反演方法等。随后Sakurai1983年提出了隧洞围岩地应力及岩体弹性模量的地应力场仿真模型，伺候在二维、三维的弹性、弹塑性、黏弹性及黏弹塑性的均匀分布、线性分布、函数分布以及均质、非均质材料的等模型方面取得了显著进展。随着计算机技术的发展，数值方法的研究成为地应力仿真研究的重点。在20世纪90年代后第1章引言4期，地应力仿真领域研究由初始地应力场逐步发展为求解各种地质参数的全面的理论和数值方法。Etchecopar等提出了据擦痕资料研究应力场的方法，后来Armijo等、Trinh对其作了改进，使得据擦痕研究应力场能够判断应力状态，进行应力分期，并计算出每期的应力张量值。用此方法我国许志琴等，研究了松潘—甘孜地区断裂的应力场特征，谢富仁等、何玉林研究了我国一些活动断裂的应力场特征。佟彦明从胶莱盆地莱阳组的同沉积构造活动研究入