体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究

-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-2-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-3-1）体积压裂基础理论研究①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-4-1）体积压裂基础理论研究②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。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-5-2）体积压裂复杂裂缝模拟研究①体积压裂复杂裂缝模型介绍。Wire-meshModelUnconventinalFractureModel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-6-2）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。-7-2）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σH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-9-（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，应力更大，天然裂缝越发育。-10-（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-11-（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-12-（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、体积压裂改造的储层条件分析-13-2、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-14-2、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-15-2、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-16-3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究压裂施工形成人工主缝沟通天然缝分支缝延伸（延伸判定）分支缝起裂（起裂判定）主缝穿透分支缝并延伸分支缝延伸分支缝中某一薄弱位置延伸复杂裂缝网络形成过程：分支缝天然缝实拍图示意图-17-(a)(b)(c)(a)穿透纹(b)表面纹(c)埋深纹裂纹的扩展形式包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹。σσ(a)(b)(c)(a)Ⅰ型（张开型）裂纹(b)Ⅱ型（滑开型）裂纹(c)Ⅲ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-18-XYr0θσrσθτθr裂纹尖端2221230coscoscos+fnpT2000max13coscossin22222KKrⅠⅡ2）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&Teufel1987)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-19-4、缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型研究1）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①Stenffensen方法②预报—校准方法-20-4、体积压裂复杂裂缝延伸数学模型研究输入初始参数输入模拟时间点t计算相交点处新的参数，作为相交后继续起裂和延伸的初始值计算人工主缝动态延伸尺寸第1条分支缝动态延伸分支缝与天然缝相交判定N计算分支缝及主缝起裂和延伸第M条分支缝动态延伸第Z条分支缝动态延伸Y计算相交点处新的参数增加分支缝计算模块相交判定相交判定NYYN计算特点：①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；②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困难。-21--60-40-200204060-90-70-50-30-101030507090裂缝面法线与X轴夹角α(°)延伸角θ0(°)延伸角θ0（σ1-σ3=0Mpa/Pnet=5Mpa）延伸角θ0（σ1-σ3=0Mpa/Pnet=2Mpa）延伸角θ0（σ1-σ3=5Mpa/Pnet=5Mpa）延伸角θ0（σ1-σ3=5Mpa/Pnet=2Mpa）延伸角θ0（σ1-σ3=10Mpa/Pnet=5Mpa）延伸角θ0（σ1-σ3=10Mpa/Pnet=2Mpa）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-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-23-裂缝半径a(m)裂缝面法线与X轴夹角α(°)裂缝半径a(m)裂缝面法线与X轴夹角α(°)Δσ=5MPaΔσ=2MPa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-24-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（MPa）5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析-25-断裂韧性越大，延伸压力越大延伸压力（MPa）KIC=0.8MPa•(m)0.5KIC=1.2MPa•(m)0.55、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析-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0≤α≤90°↘╳╳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↘√√5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析-27-Y方向(m)σHσhX方向(m)t=40minσHσht=60minY方向(m)X方向(m)σHσht=80minY方向(m)X方向(m)σHσht=105minY方向(m)X方向(m)σHσht=135minY方向(m)X方向(m)σHσht=175minY方向(m)X方向(m)-28-σHσht=45min1#2#3#4#σHσht=45min1#2#3#4#①参数变化（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。②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：5MPa5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析-29-5、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、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。-30-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-31-三、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。-32-三、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/封堵技术，加密射孔技术，优化射孔参数等研究。6.在基于体积压裂产能预测的基础上，探索性的开展以压后产量的变化模拟反演复杂缝网几何尺寸的研究，为压裂效果评价提供创新性思路和研究方法。-33-汇报完毕敬请批评、指正！