致密砂岩储层水力压裂数值模拟研究

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1、中图分类号：TE257单位代码：11414学号：2014312006题目致密砂岩储层水力压裂数值模拟研究学科专业油气井工程研究方向岩石力学与工程博士生李扬指导教师邓金根教授二〇一七年七月NumericalSimulationofHydraulicFracturinginTightSandReservoirsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,BeijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringByLiYang（O

2、il-GasWellDrilling）DissertationSupervisorProf.DengJingenJuly,2017博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体己经发表或撰写的研宄成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研宄做出贡献的个人和集体，均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。’托：日期作者签名：叫於导师签名

3、．：日期：叫博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意一，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。－从作者签名：日期：叫导师签名：日期：叫摘要摘要

4、致密砂岩储层通常具有孔隙度小、渗透率低的特征，水平井分段压裂技术在实现这类非常规储层的经济开采中扮演了非常重要的角色。为提高施工效率，现场压裂作业通常会在一个分段的多个位置进行射孔，期望能同时形成多条水力裂缝。然而，施工后产能往往达不到预期的效果：一方面是由于裂缝之间的应力干扰效应以及储层岩石的非均质性，多条裂缝往往难以同步均匀的向前扩展进而形成大小相对接近的裂缝，那些没能成功扩展出裂缝的射孔簇在后期生产过程则不会产出流体而成为无效射孔簇；另一方面则可能是水力压裂作业时没能形成大规模、复杂的裂缝网络，而裂缝网络的复杂度通常取决于水力裂缝和天然裂缝相交后的扩展行为。为提高压裂改

5、造的效果，本文对多条裂缝同步扩展的机理以及水力裂缝和天然裂缝相互作用行为进行了研究。首先，本文基于有限元方法发展了一个三维平行多平面水力裂缝扩展模型，可以考虑射孔压降、缝间应力干扰及缝间压裂液自动分配。应用该模型对单个压裂段内多条水力裂缝的扩展过程进行了模拟计算，结果表明，通过提高射孔压降可促使多条裂缝均匀扩展，提高裂缝总面积。此外，采用非均匀射孔或提高施工排量也能起到同样的效果，而压裂液黏度的影响则相对较小。然后，本文针对裂缝性储层中水力裂缝扩展数值模拟的技术难题，基于有限元方法开发了全显式流固耦合水力裂缝程序Explicit-PPCZ，程序采用显式时间积分，可处理高度非线

6、性和收敛较困难的问题。程序的主要特点是水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，同时具有有限元和离散元方法的优点，适合模拟岩石类材料中复杂缝网的形成过程。之后，通过一系列算例对该程序的准确性进行了验证，计算结果显示数值解和解析解之间吻合较好，表明该程序能够准确模拟裂缝性地层中水力裂缝的扩展过程。最后，采用Explicit-PPCZ程序对裂缝性储层中复杂裂缝网络的形成机理进行了研究。通过一系列参数敏感性分析，研究了多种参数对水力裂缝扩展路径的影响。结果表明，地应力差、压裂液黏度、裂缝面摩擦系数以及天然裂缝的分布等对水力裂缝的扩展路径具有重要影响。此外，发现具有初始开度的天然裂缝能够显

7、著增加最终缝网的复杂程度。关键词：致密砂岩储层改造；水力压裂；天然裂缝；数值模拟；粘聚力模型-II-ABSTRACTNumericalSimulationofHydraulicFracturinginTightSandReservoirsABSTRACTTightsandreservoirsusuallyfeaturedlow-porosityandlow-permeability.Thecombinationofmultistagehydraulicfracturingandhorizontalwel