裂缝性储层水力裂缝动态扩展理论研究

【摘要】世界上有大量油气储存在低渗裂缝性储层中,水力压裂是这类油气藏提高采收率的主要增产措施之一。近年来,在该类油气藏的开发和研究过程中,人们发现形成的水力裂缝不再是均质油气藏压裂中产生的单一平面裂缝,而是形成了复杂的、非平面、多条水力裂缝,并且压后产量常常与裂缝复杂程度呈现正相关关系。大量水力压裂诊断数据说明预先存在的天然裂缝和诱发的水力裂缝之间的相互作用是导致复杂水力裂缝形成的关键条件。在裂缝性储层中的水力裂缝延伸模拟需要模拟水力裂缝与天然裂缝的相交、水力裂缝遭遇天然裂缝后流体压力的变化、水力裂缝的转向等复杂情况。采用传统的水力裂缝扩展模拟模型和理论已经无法适应这类非均质储层条件,但目前相关方面理论研究尚不成熟,对于裂缝性储层水力裂缝扩展过程中水力裂缝与天然裂缝之间相互作用的认识仍不足。有必要进一步开展裂缝性储层水力裂缝扩展理论研究,认识复杂裂缝形成的机理和影响因素,以推动类似储层的现场开发和理论研究体系的发展。本文采用扩展有限元法理论,初步形成了一套以水力裂缝和天然裂缝相互作用为核心的研究裂缝性储层水力裂缝动态扩展的方法和思路。(1)基于虚功原理,推导了水力压裂平衡方程弱形式,为利用扩展有限元法模拟水力裂缝扩展提供了理论基础。(2)依据扩展有限元法原理,结合裂缝性储层水力裂缝扩展特征,提出了水力裂缝与天然裂缝相遇后的位移模式,为水力裂缝与天然裂缝相互作用下的扩展有限元模拟模型奠定了基础。(3)从水力裂缝可能的扩展路径入手,将水力裂缝的延伸分为基岩中延伸和与天然裂缝相遇后相互作用延伸两种情况,分别提出了采用最大周向应力准则和最大能量释放率准则来判断裂缝延伸方向,形成了裂缝性储层中水力裂缝扩展准则。(4)基于流体力学理论,考虑水力裂缝与天然裂缝之间的流体交换,建立了不同施工参数、压裂液性质、天然裂缝条件、地应力情况下,遭遇天然裂缝前后水力裂缝内流体压力分布模型。针对不同单元类型,建立了水力压裂扩展有限元等效节点力加载模型,形成了整体平衡方程求解所需的力向量。(5)提出了追踪水力裂缝和判断单元类型的方法,研究了不同单元的扩充实现方式。利用子域积分求和法,对不同单元进行了单元子划分,给出了不同单元的高斯积分策略和扩展有限元单元刚度矩阵计算方法。根据上述理论研究,模拟分析了裂缝性储层水力裂缝扩展影响因素。通过计算分析发现：天然裂缝在与水力裂缝相遇之前便受到水力裂缝扰动应力的影响而张开和发生剪切滑移,同时,水力裂缝也受到天然裂缝的吸引而转向天然裂缝扩展。地应力差越小水力裂缝越容易受到天然裂缝的吸引而转向天然裂缝,反之水力裂缝则更趋于沿着原来的方向扩展。施工排量的增加将提高施工净压力而使水力裂缝在裂缝性储层中更容易延伸；水力裂缝在低黏度下更易发生偏转而形成不规则裂缝。天然裂缝逼近角越低,水力裂缝转向天然裂缝扩展的几率越大,反之则趋向于穿过天然裂缝。存在迫使水力裂缝转向的天然裂缝的临界胶结强度值,该临界值随天然裂缝逼近角的增加而减小。
【作者】肖晖；
【导师】郭建春；
【作者基本信息】西南石油大学，油气田开发工程，2014，博士
【关键词】水力压裂；裂缝性储层；裂缝扩展；相互作用；扩展有限元；

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