水平井水力壓裂數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文首先綜述了國內(nèi)外水力壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀和水力壓裂數(shù)值模擬方法的發(fā)展過程，指出了現(xiàn)階段水力壓裂技術(shù)存在的問題，并對各種水力壓裂數(shù)值模擬方法做了簡要的評述。油井水力壓裂增產(chǎn)措施是一個復(fù)雜的過程，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型具有高度非線性，采用解析方法無法求解。采用有限元數(shù)值模擬方法模擬現(xiàn)場水力壓裂裂縫擴(kuò)展過程，能夠?qū)α芽p起裂和擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行分析和解釋，并可以對具體地層的壓裂施工過程和裂縫形態(tài)進(jìn)行預(yù)測，在理論和工程應(yīng)用上都有重要的意義。
　　 采

2、用損傷力學(xué)方法對水力壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了研究。隨著壓裂液的注入，一部分流體滲流進(jìn)入地層，一部分存留在裂縫中，兩部分流體共同作用使裂縫尖端的有效應(yīng)力增大，當(dāng)裂縫尖端的有效應(yīng)力增大到地層介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度時介質(zhì)中出現(xiàn)損傷，隨著損傷的增加，裂尖處地層介質(zhì)能夠承受的有效應(yīng)力隨裂縫張開的位移增大而減小，直至完全破壞，失去抗拉能力。
　　 根據(jù)飽和多孔介質(zhì)固體骨架的平衡方程和多孔介質(zhì)中流體的連續(xù)性方程，建立了儲層滲流應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，模

3、型中引入了Jaumann應(yīng)力速率公式描述多孔介質(zhì)固體骨架的有限變形效應(yīng)，并考慮了初始有效應(yīng)力、初始孔隙壓力、初始流體密度和初始孔隙度對耦合模型的影響。基于與微分方程等價(jià)的加權(quán)余量公式，在空間域采用有限元離散，在時間域進(jìn)行隱式差分格式離散，導(dǎo)出了以單元節(jié)點(diǎn)位移和單元節(jié)點(diǎn)孔隙壓力為未知量的儲層滲流應(yīng)力耦合的瞬態(tài)非線性增量有限元方程。該數(shù)學(xué)模型引入假設(shè)條件少，考慮因素全面，為儲層滲流應(yīng)力耦合有限元方程的一般形式。
　　 采用大型有限元

4、軟件ABAQUS建立了水力壓裂的軸對稱有限元模型，對大慶油田四口水平井的壓裂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，其中一口水平井采用分段壓裂，其余三口水平井采用限流法壓裂。模型中包括射孔孔眼、套管、水泥環(huán)、油層、微壞隙和橫向裂縫。采用ABAQUS用戶子程序UFIELD考慮了砂比變化對壓裂液性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果輸出每個壓裂時刻的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和孔隙壓力等數(shù)據(jù)，并可以直接得到縫口壓力時間歷程曲線。
　　 對于分段壓裂，由于每個壓裂層段射孔孔

5、眼數(shù)較多，射孔孔眼摩阻可以忽略不計(jì)，縫口壓力等于井底壓力，分段壓裂施工現(xiàn)場可以直接測量得到井底壓力曲線和地面井口壓力曲線，數(shù)值模擬結(jié)果得到的縫口壓力曲線和壓裂施工現(xiàn)場的井底壓力曲線吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。本文采用降阻比法，結(jié)合現(xiàn)場壓裂施工曲線數(shù)據(jù)，通過修正相關(guān)系數(shù)，提出了適用于大慶油田水平井的壓裂液管柱沿程摩阻計(jì)算公式。分段壓裂數(shù)值模擬輸出的的縫口壓力和地面壓力結(jié)果與相應(yīng)的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了本文提出的壓裂液管柱沿程摩

6、阻計(jì)算公式的正確性。對于限流法壓裂，射孔孔眼摩阻不可忽略。提出了釋放系數(shù)和孔眼直徑計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上得到了射孔孔眼摩阻計(jì)算公式。限流法壓裂施工現(xiàn)場只能夠測量得到地面井口壓力曲線，而數(shù)值模擬的結(jié)果卻只能輸出縫口壓力曲線。限流法壓裂的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了本文提出的釋放系數(shù)和孔眼直徑計(jì)算公式的正確性。
　　 在上述模型的基礎(chǔ)上通過改變某一參數(shù)的數(shù)值，進(jìn)行了參數(shù)影響數(shù)值模擬研究，這些參數(shù)包括巖石滲透率、彈性模量、

7、斷裂能、初始有效應(yīng)力、壓裂液黏性系數(shù)等，并分析和解釋了這些參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。
　　 采用三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)對大慶油田一口水平井的分段壓裂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算模型包括射孔孔眼、井筒、水泥環(huán)、油層、隔層、微環(huán)隙和橫向裂縫，模擬了裂縫在油層和隔層中的擴(kuò)展以及在微環(huán)隙(水泥環(huán)和油層之間)中的擴(kuò)展，形成了典型的T型裂縫。模擬結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合良好。
　　 考慮層狀地層條件下隔層和油層的地質(zhì)參數(shù)和物性參數(shù)對壓裂結(jié)果(特別