基于虚内键（VIB）的复杂储层水力压裂数值模拟方法

发布时间：2020-09-25 21:49

　　目前,我国油气资源开发逐渐从常规油气为主过渡到非常规油气为主,非常规油气储层渗透性低,开采难度大,需要进行储层改造以实现增产。而作为主要储层改造方法的水力压裂技术虽然已经成功应用70余年,但开采量离预期产量仍有很大差距,因此有效地模拟水力压裂是压裂设计及产量评估的关键。水力压裂是一个流固耦合过程,同时储层中含有的大量节理裂隙也为数值模拟增加了难度。为此本文在虚内键(VIB)理论基础上发展了一套水力压裂数值模拟方法,开展复杂储层水力压裂模拟研究,探讨水力裂纹扩展规律和水力缝网形成的影响因素,探索脉冲压裂下的裂纹扩展规律,为非常规油气资源的开采提供必要的理论与技术储备。为了模拟水力压裂中渗流场与应力场的耦合作用,首先建立了裂隙介质渗流模型,将离散虚内键(DVIB)模型扩展到裂隙介质渗流模拟。在该渗流模型中,采用键元胞来表征代表单元体内的微裂隙网络,宏观裂隙的渗流特性则由劈裂元胞(被裂缝穿过的键元胞)表征,元胞内每条键视为一条水力通道,将三维渗流问题转化为一维渗流。基于理想键元胞思想推导了“键”的等效渗透率和储水率与宏观渗流参数的理论关系。模型可以模拟含任意条裂缝的介质渗流问题,避免将裂缝设置为内边界和网格重构。模拟结果验证表明DVIB渗流模型可以很好地模拟复杂储层的渗流过程。建立了流固耦合的DVIB模型,采用同一套格子计算岩体力学变形和渗流过程,在微观“键”层面上统一了力学场和渗流场。通过建立劈裂元胞的水力耦合关系及接触本构关系,可以有效地反映裂缝面间的基本摩擦机制。这使得该模型能模拟水力裂缝与天然裂缝的交汇作用及复杂储层中的水力裂纹扩展,避免网格重构。为了模拟大尺度压裂过程,在改进劈裂单元方法基础上建立了全耦合水力压裂模型。在劈裂元胞中设置虚节点(裂纹与元胞边界交点),借助虚节点推导了劈裂元胞的渗流矩阵、力学矩阵及流固耦合矩阵。虚节点的水压和位移是多余自由度,为消除这些多余自由度,认为虚节点与其邻近且在裂纹同侧的实节点相关,采用最小二乘法技术将二者联系起来,从而消除了多余自由度。这样既允许裂纹从单元中穿过,又不引入额外自由度,为大尺度复杂储层压裂模拟提供了一条有效途径。全耦合模型同时考虑了流体的滤失和裂缝填充效应。与KGD模型和解析解对比验证表明该方法具有很高精度。对射孔转向模拟中发现:射孔角度对裂纹转向具有重要影响。地应力差相同时,射孔倾角越大,裂纹转向越明显。同时,地应力差越大,裂纹转向越快。脉冲压裂是当前尚在探索而远未成熟的一项压裂方法。通过脉冲压裂可以形成复杂缝网结构。为了探索脉冲压裂规律,本文采用DVIB模型模拟了脉冲压裂过程。发现:加压速率、加压时间、峰值压力、卸压速率共同影响了井筒上裂纹的起裂数量和裂纹扩展后的分叉程度。峰值压力的大小控制了裂纹分叉的程度;通过控制压力水平,可以调整多裂纹的形成位置;加压速率一定时,卸压速率越小,缝网结构越复杂,压裂区域越大,压裂效果就越好。另外,最大地应力控制了裂纹扩展的方向,地应力差越大,最大地应力方向的裂纹分叉越密集。射孔角度越大,裂纹转向越明显。大尺度下脉冲压裂裂纹扩展规律与小尺度下基本一致。在评估或设计脉冲压裂时,应综合考虑上述影响因素才能更准确地评估压裂效果。本文为复杂地层水力压裂模拟提供了一条有效的方法。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE357.1
【部分图文】：

示意图,模型,示意图,裂纹扩展长度

力差对破裂压力、破裂时间、破裂面粗糙度、水力裂缝张开度的影响。可看出，以上室内大物模试验中能获得非常规油气储层裂缝扩展特征，获得主应力差、天然裂缝、压裂液粘滞系数等各因素对压裂效果的影响，但室内试验耗时长、成本高，且野外岩层露头取样要求高、难度大，试样尺寸与实际压裂范围也存在较大差异，因此，随着近年来数值模拟技术的发展，开展水力压裂数值模拟研究已经成为研究压裂过程、探讨压裂机理、设计压裂方案的主要手段，当然，室内试验也为数值模拟结果提供了佐证，是数值模型正确性验证不可或缺的重要部分。水力压裂流固耦合模型最早可追溯到上世纪 50 年代，其中 Perkins[120]建立了著名的 PKN 模型（见图 1-1a），Khristianovic and Zheltov[121], Geertsma andKlerk[122]分别建立了 KGD 模型（见图 1-1b）。PKN 模型中裂纹长度远大于高度，裂纹扩展面积假定为椭圆形，沿着裂纹扩展长度方向裂纹高度不变，裂纹扩展中考虑流体流动和压力梯度，不考虑裂纹尖端效应[120, 123]；KGD 模型中假定裂纹高度远大于裂纹扩展长度。PKN 模型和 KGD 模型都是将三维水力裂纹扩展问题简化为二维平面应变问题。

几何形状,建模方法,势函数

[82]最初是用于材料的力学建模，它将材料离散为由，每个键元胞可以具有任意几何形状，元胞内可以具每条键的力学性能由键势函数描述，由于势函数既又蕴涵了微观断裂准则，因此 DVIB 非常适用于动态胞中每根键的能量Φ ( l)是与键长l 有关的函数，可W =∑ Φ( l)(a)岩石细观结构(大理岩)

模型图,岩石基质,模型,储水

图 2-2 DVIB 岩石基质模型Fig.2-2 Modeling intact porous medium with DVIB的是键元胞中每根键的连接方式不代表真实的微孔隙上表征了微孔隙的渗透性。当孔隙介质中分布宏观裂增大。从渗透率和储水率两个方面分别考察基质和裂每根键的渗透性为：m fb b bm fb b bk k ks s s= += +键的等效渗透率；mbk 为对应于基质的等效渗透率；渗透率；bs 表征键的等效储水率；mbs 为对应于基质的观裂隙的等效储水率。

【参考文献】