基于扩展有限元的页岩水平井压裂裂缝扩展规律研究

发布时间：2020-11-05 18:31

　　 页岩储层具有低孔低渗特点,需要水平井多段分簇压裂增产措施改造储层体积才能获得可观经济产量,而水力压裂后裂缝扩展形态很大程度上决定着压后增产效果,因此控制和预测压裂裂缝扩展形态具有重要意义。水平井多簇裂缝压裂过程中,裂缝产生的诱导应力相互作用不断扰动局部地应力场,并且受页岩储层地质和施工因素的影响,压后裂缝扩展形态和延伸规律异常复杂。故多簇裂缝压裂后裂缝扩展延伸机理和形态变化规律仍需进一步深入研究。基于此背景,本文采用数值模拟方法对页岩水平井压裂裂缝的扩展规律进行了研究,具体工作和得到的认识如下。(1)基于断裂力学理论和扩展有限元法,建立水力裂缝扩展数学模型,通过大物模试验结果验证扩展有限元法模拟水力压裂的正确性和有效性。(2)水平井单簇裂缝扩展时,射孔方位角和压裂液黏度与近井筒处裂缝宽度呈正相关关系,与裂缝长度呈负相关关系;水平应力差越高,越易形成“长、直、窄”状裂缝,反之则形成“短、宽”状裂缝,增大注入排量会形成“长、宽”状裂缝。(3)水平井两簇裂缝同时扩展时,裂缝形态呈“哑铃”状;缝间距和水平应力差与裂缝长度、转向位置均呈正相关关系。注入排量越大,相同条件下裂缝长度最长;三簇、四簇裂缝同时扩展时,诱导应力作用导致中缝长度受到抑制而两侧裂缝相互排斥扩展延伸;三簇裂缝顺序压裂工况下,较同步压裂和两步法压裂可获得最长的裂缝。(4)水力裂缝遇90°倾角单条天然裂缝时,在天然裂缝两端均产生次生裂缝,否则只在小倾角天然裂缝端部产生一条次生裂缝;当遇到两条倾角均为90°的天然裂缝时,第二条天然裂缝将严重抑制由第一条天然裂缝端部产生的次生裂缝长度。本文的研究进一步揭示了页岩水平井压裂裂缝扩展和形态变化规律,基于扩展有限元模拟水力压裂的方法可用于分析研究各因素下裂缝扩展规律。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE377
【部分图文】：

第一章 绪论背景和研究意义着经济全球化发展趋势愈演愈烈，世界各国经济总量不断迈入新台的发展中国家于 2010 年末一跃成为世界第二大经济体。中国经济强断的能源供应，仅仅依赖常规油气资源很难满足和支撑如此之大的填补油气需求缺口和探寻油气储量巨大的新化石能源问题已迫在眉油气资源分布集中、储量规模巨大、开采工艺技术成熟的特点[1]，资源的重要接替和关键补充。自美国爆发页岩气革命，使得页岩气性开采之后，以页岩气为首的非常规油气资源的勘探和开发引起世

为油气进入井筒创造更多的导流通道，实现增产目的。图1-2 即为近井筒附近水平井压裂形成的体积缝网示意图。我国不仅关于页岩储层水平井压裂技术理论研究起点低，而且水平井多段分簇压裂后水力裂缝扩展规律等基础理论认识不够透彻，成为遏制我国非常规油气资源可采储量提升和缓解能源供给不足的瓶颈。因此本文章旨在以 ABAQUS 软件为平台，通过扩展有限元数值模拟方法研究水力裂缝在油气储层中的扩展延伸规律，不断完善和认识水力裂缝的扩展机理和储层体积缝网形成的条件，以期通过所研究的成果优化水力压裂设计参数、提高施工效率和指导矿场开发页岩油气资源的压裂施工。图 1-2 水平井多段分簇压裂体积缝网示意图1.2 国内外研究现状1.2.1 水平井多簇裂缝扩展竞争机制研究水平井多段分簇压裂技术可以在目标层通过压裂多条水力裂缝连通天然微裂缝形成压裂缝网，增大岩石基质改造体积从而实现单井采收率大幅度提高。虽然通过矿场大规模应用积累了丰富的施工经验，但对于压裂后单簇或多簇裂缝起裂、扩展规律及与天然裂缝相交形成缝网机制认识尚浅，因此通过明确水力压裂裂缝在地层中的扩展规律才能更好指导压裂施工生产，进而推动工艺技术进步。1978 年，Simonso[8]研究发现产层和隔层的不同强度关系能够决定裂缝是否穿透界面延伸。结果表明：裂缝扩展穿透界面的充要条件为产层硬度高于隔层；否则，裂缝不会穿透界面。1982 年，Van E[9]认为相邻地层是否会起到限制裂缝垂向延伸的作用取决于地应力、

第二章 基于 XFEM 的水力压裂理论基础质基本理论物性参数概念是一种由多相物质组成的空间结构，由固体骨架、孔隙和流是表示岩体内三相相对含量的直方图，如图 2-1 所示。其中固相颗粒体积；vdV 表示孔隙体积；wdV 表示液相体积。储层充满整个孔隙体积）又可部分饱和。若岩石中包含水敏性（骨架颗粒，其吸收的液相体积相当大，不能忽略，记该部分液相
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本文编号：2872023