重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)分析PPT課件

1、 重復(fù)壓裂的裂縫轉(zhuǎn)向與重復(fù)壓裂后的地應(yīng)力場(chǎng)變化有重要的關(guān)系。本文通過建立重復(fù)壓裂前地應(yīng)力場(chǎng)模型和滲流場(chǎng)模型，推導(dǎo)并通過有限元數(shù)值模型和計(jì)算，建立首次壓裂后井筒附近由裂縫生成和油井生產(chǎn)引起的滲流場(chǎng)變化，為油氣井重復(fù)壓裂提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。 一、摘要一、摘要第1頁(yè)/共35頁(yè) 重復(fù)壓裂技術(shù)最早50年代出現(xiàn)在美國(guó)，美國(guó)近30%的壓裂屬于重復(fù)壓裂；國(guó)內(nèi)60年代起也開始進(jìn)行重復(fù)壓裂。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)與認(rèn)識(shí)水平限制，一般認(rèn)為重復(fù)壓裂是在原有水力裂縫上的進(jìn)一步延伸或者重新張開已經(jīng)閉合的水力裂縫，且施工規(guī)模必須大于第一次壓裂作業(yè)的24倍，才能獲得與前次持平的產(chǎn)量，否則，重復(fù)壓裂是無效的。到了80年代中后期，隨著油

2、氣價(jià)格變化和現(xiàn)代水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外又將重復(fù)壓裂作為一項(xiàng)重要的技術(shù)研究課題，從重復(fù)壓裂機(jī)制、二、前言二、前言第2頁(yè)/共35頁(yè)油藏?cái)?shù)值模擬、壓裂材料、壓裂設(shè)計(jì)、施工等方面進(jìn)行研究攻關(guān)，使重復(fù)壓裂技術(shù)取得了重大突破。 但是，國(guó)內(nèi)外重復(fù)壓裂方面的文獻(xiàn)資料大多涉及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、施工工藝和效果的研究，對(duì)于重復(fù)壓裂機(jī)理，特別是量化方面的研究比較欠缺，國(guó)內(nèi)也存在同樣的問題，在重復(fù)壓裂機(jī)理方面開展的研究比較少，一般只是從現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)研究影響重復(fù)壓裂效果的因素，缺乏理論研究。為了更好進(jìn)行重復(fù)壓裂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行重復(fù)壓裂前的地應(yīng)力場(chǎng)的變化研究。二、前言二、前言第3頁(yè)/共35頁(yè)三、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、

3、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 SPE24859 、SPE24857對(duì)重復(fù)壓裂的機(jī)理進(jìn)行了初步探討和初步模擬 SPE 25464提出裂縫的轉(zhuǎn)向問題 研究者從就地應(yīng)力場(chǎng)的研究，對(duì)原有裂縫的評(píng)估與工藝措施的制定等方面入手，提出：重復(fù)壓裂有可能產(chǎn)生新的裂縫，重復(fù)壓裂必須重新優(yōu)選新的材料，高砂比壓裂、端部脫砂與強(qiáng)制閉合等新的工藝措施，這些研究成果提高了重復(fù)壓裂的學(xué)術(shù)水平與技術(shù)水平以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。例如，美國(guó)阿拉斯加Kuparuk River油田的380口井有185口井進(jìn)行了重復(fù)壓裂，壓后采油指數(shù)平均提高了2倍，取得了很好的增產(chǎn)穩(wěn)定效果。 SPE63030用地面傾斜儀測(cè)到裂縫的重新轉(zhuǎn)向。第4頁(yè)/共35頁(yè)

4、重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向的概念第5頁(yè)/共35頁(yè)用地面傾斜儀測(cè)到的裂縫轉(zhuǎn)向第6頁(yè)/共35頁(yè)三、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鄰井裂縫對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。1987年美國(guó)能源部在多井試驗(yàn)中進(jìn)行改變應(yīng)力的壓裂試驗(yàn)，首先證明了地應(yīng)力場(chǎng)受鄰井裂縫影響。 初次裂縫對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。Dowell公司根據(jù)試驗(yàn)和模擬地應(yīng)力研究認(rèn)為，地層中存在的支撐裂縫將改變井眼附近應(yīng)力分布，使重復(fù)壓裂裂縫的起裂方位垂直于初次裂縫方位，離開井眼一定范圍再發(fā)生轉(zhuǎn)向，以平行于初次裂縫方位延伸。 油氣井生產(chǎn)/注入對(duì)原地應(yīng)力場(chǎng)的影響。Bruno和Nakagawa用實(shí)驗(yàn)證明，孔隙壓力的改變也會(huì)影響新裂縫的重新定向。在原地應(yīng)

5、力沒有起控制作用的情況下，裂縫會(huì)轉(zhuǎn)向局部孔隙壓力更高的方向。他們認(rèn)為靠近裂縫末端的局部孔隙壓力梯度控制了裂縫的發(fā)育方向，他們的想法是建立在靜態(tài)條件上的。而Detournay，Boone和Berchenko則表明，裂縫的發(fā)育方向是由孔隙流體擴(kuò)散到基質(zhì)，引起原地應(yīng)力改變所決定的。這種現(xiàn)象引起應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間而變，而應(yīng)力強(qiáng)度因子是支配裂縫發(fā)育速率和方向的一個(gè)重要因素。第7頁(yè)/共35頁(yè) 地層參數(shù)各向異性對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。Mack和Elbel繼續(xù)發(fā)展了他們以前的工作，研究了地層參數(shù)各向異性對(duì)重復(fù)壓裂的影響。他們認(rèn)為水平滲透率各向異性導(dǎo)致了大規(guī)模的應(yīng)力改變，如果前次裂縫是定向在高滲透率方向，那么這種現(xiàn)象對(duì)

6、于重復(fù)壓裂是有利的。除此之外，他們發(fā)現(xiàn)彈性模量的各向異性對(duì)應(yīng)力的重新定向也會(huì)有一定的影響。Boone等人通過數(shù)值模擬的手段表明，由于裂縫所引起的局部孔隙壓力對(duì)裂縫發(fā)育方向的影響在滲透率各向異性油藏有所改變 孔隙壓力變化誘導(dǎo)了局部剪切應(yīng)力改變，導(dǎo)致新裂縫近似垂直于前次裂縫，或與前次裂縫成一銳角。然而，上述觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)大多是通過實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的定性結(jié)論，還沒有一個(gè)完整的、系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算模型來定量描述垂直裂縫井重復(fù)壓裂前各種因素產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)分布狀況，因此，不能定量地描述重復(fù)壓裂造新縫機(jī)理、重復(fù)壓裂新裂縫產(chǎn)生的條件和最佳重復(fù)壓裂時(shí)機(jī)、新裂縫的起裂方位、裂縫延伸軌跡以及新裂縫縫長(zhǎng)分布特征，從而

7、不能很好地指導(dǎo)重復(fù)壓裂的井層優(yōu)選、優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工。三、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第8頁(yè)/共35頁(yè)1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 (1)有效應(yīng)力場(chǎng)的理論公式推導(dǎo)考慮壓力場(chǎng)的平衡方程 000 xyxxxzxyyxyyzyxyzzxzzpfxyzpfxyzpfxyz(2)線性變形幾何方程 ：x xy yz zx yy zx zuxvywzuvyxwvyzuwzx四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第9頁(yè)/共35頁(yè)(3)彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 1000100010000000.500(1 )(1 2 )00000.50000000.5xxxxyyyyzzzzyzyzxzxzxyxyE

8、1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第10頁(yè)/共35頁(yè)(4)邊界條件 位移邊界條件： 000uuvvww力邊界條件： 123xyzTfTfTf混合邊界條件： 123( , , )( , , )( , , )xyzTf u v wTf u v wTf u v w1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第11頁(yè)/共35頁(yè)(5)采用虛功原理0 x yx xx zxy yx yy zyx yz zx zzpfuxyzpfvdxyzpfwxyz(6)將上式積分后得到：xxxxyyyzzzzyzyzxzxzxyxyxyzxyzpppdf u f v f w dT u T v

9、 T wd 1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第12頁(yè)/共35頁(yè)(7)代入應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系后得到：(1)( )(1)(12 )(1)(12 )( )( )(1)(12 )(1)(12 )( )( )(1)(12 )(1)(12 )xxxxyyxxzzxxxxyyyyyyzzEEpdpdEEpdpdEEpd ( )( )(1)(12 )(1)(12 )(1)(0.5)(1)(12 )(1)(12 )(0.5)(1)(12 )yyxxzzyyzzzzzzyzyzxzxzpdEEpdpdEEpddEd (0.5)(1)(12 )xyxyxyzxyzEdfufvfw dTuTvTw d

10、 (8)再將幾何方程代入，得到以位移表示的積分形式的平衡方程。 1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第13頁(yè)/共35頁(yè) 采用四邊形單元，將二次形函數(shù)代入位移插值函數(shù)，最終得到單元?jiǎng)偠染仃嚕?TeVkBDB dV以及面力和體力的等效節(jié)點(diǎn)力為： TeVQNq dV TesPNp dA 經(jīng)過單元?jiǎng)偠染仃嚨募?，得到整體求解域的離散總方程組： KUp根據(jù)求解的位移值，可以求得應(yīng)力和應(yīng)變。 1.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第14頁(yè)/共35頁(yè) 連續(xù)性方程 1ggggggKqpPpttn有限元離散，建立等效積分方程 10ggggggKpPW dW Q dWdBptt

11、n根據(jù)Galerkin方法，方程中的流體孔隙壓力用幾何域上有限個(gè)結(jié)點(diǎn)的壓力表示為，依據(jù)Galerkin理論，滲流方程的近似方程為： 10gggggKpNN d PNQdNdNqdpt 2.壓力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 四、重復(fù)壓裂應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算模型第15頁(yè)/共35頁(yè)五、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件編制 采用了visual fortran90進(jìn)行軟件開發(fā)，保證軟件運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性。 n點(diǎn)擊開始程序組中的“REFRac”，啟動(dòng)重復(fù)壓裂軟件，首先是選擇工作目錄。 第16頁(yè)/共35頁(yè)輸入已知參數(shù)第17頁(yè)/共35頁(yè)點(diǎn)擊“計(jì)算”，開始計(jì)算 第18頁(yè)/共35頁(yè) 查看計(jì)算結(jié)果分布圖 1.支撐裂縫附加應(yīng)力場(chǎng) n查看單元?jiǎng)澐?總體尺

12、寸 n查看單元編號(hào) 第19頁(yè)/共35頁(yè)查看計(jì)算結(jié)果分布圖最小主應(yīng)力分布 n最小主應(yīng)力分布 n標(biāo)注數(shù)值 第20頁(yè)/共35頁(yè)查看計(jì)算結(jié)果分布圖最小主應(yīng)力分布n等值線標(biāo)注 n隨著局部放大，等值線的標(biāo)注自動(dòng)調(diào)整 第21頁(yè)/共35頁(yè)查看計(jì)算結(jié)果分布圖最大主應(yīng)力分布n最大主應(yīng)力分布 n局部放大功能 第22頁(yè)/共35頁(yè)結(jié)果分布圖 2.油井生產(chǎn)變化壓力場(chǎng) n初始時(shí)刻壓力分布 n第一個(gè)時(shí)間步的壓力分布 第23頁(yè)/共35頁(yè)n第二個(gè)時(shí)間步的壓力分布 n壓力分布顯示隨時(shí)間變化的三維分布圖 第24頁(yè)/共35頁(yè)結(jié)果分布圖 3.總應(yīng)力圖 n總應(yīng)力包括考慮裂縫支撐和油井生產(chǎn)對(duì)整體應(yīng)力場(chǎng)的影響，同樣也是隨時(shí)間變化的，總應(yīng)力場(chǎng)也

13、是以主應(yīng)力的形式給出。 n某一時(shí)間步的最小主應(yīng)力整體分布（局部放大） n 某一時(shí)間步的最大主應(yīng)力整體分布第25頁(yè)/共35頁(yè)結(jié)果曲線圖Y向各點(diǎn)應(yīng)力差隨時(shí)間變化關(guān)系 n可以發(fā)現(xiàn):（1）離開井壁越遠(yuǎn)，兩個(gè)主應(yīng)力的差越大，（2）隨生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行，兩個(gè)主應(yīng)力的差減小，但是減小的幅度先大后小，（3）隨著生產(chǎn)時(shí)間的進(jìn)一步進(jìn)行，油藏壓力降低波及區(qū)域增加，會(huì)造成整體泄油半徑內(nèi)油藏壓力的降低，從而使得在泄油半徑處的應(yīng)力有所降低。 第26頁(yè)/共35頁(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)時(shí)間(天): 300力學(xué)參數(shù)： 彈性模量(MPa):35000.0,泊松比(無量綱): 0.25， 最大水平地應(yīng)力(MPa):62.0， 最小水平地應(yīng)力(M

14、Pa):50.0，有效應(yīng)力系數(shù)(無量綱): 0.8油藏參數(shù)： 井底壓力(MPa): 20.0， 初始油藏壓力(MPa):30.0；滲透率(毫達(dá)西):1.00； 粘度(CP):1.00； 壓縮系數(shù)(1/MPa):0.30E-04；孔隙度(無量綱):0.15； 泄油半徑(m):400.0井眼和裂縫參數(shù)：井眼半徑(m):0.10；裂縫長(zhǎng)度(m): 120.0； 最大裂縫寬度(mm): 5.0六、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用 第27頁(yè)/共35頁(yè)n水平應(yīng)力差為12MPa n水平應(yīng)力差為6MPa 雖然得到了Y向各個(gè)位置點(diǎn)處應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系，當(dāng)從許多條曲線中讀出各條曲線應(yīng)力轉(zhuǎn)向的時(shí)間，不但不方便，而且不準(zhǔn)確。點(diǎn)擊“結(jié)果曲線圖垂向擴(kuò)展距離與時(shí)間變化關(guān)系”，得到垂向擴(kuò)展距離與時(shí)間變化關(guān)系。 六、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用 第28頁(yè)/共35頁(yè)n水平應(yīng)力差為6MPa n水平應(yīng)力差為6MPa 六、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用 第29頁(yè)/共35頁(yè)水平應(yīng)力差為5 MPa 水平應(yīng)力差為3 MPa 六、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用 第30頁(yè)/共35頁(yè)水平應(yīng)力差為2 MPa n垂向擴(kuò)展距離與水平應(yīng)力差關(guān)系 六、地應(yīng)力預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用 第31頁(yè)/共35頁(yè) 水平方向遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力差值不但控制垂向裂縫是否產(chǎn)生，而且是控制垂向延伸距離的主要因素之一，應(yīng)力差差值越大，越不容易產(chǎn)生新裂縫，即使產(chǎn)生