农安油页岩水力压裂模拟及实验研究.pdf

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第42卷第11期探矿工程(岩土钻掘工程)V01．42No．112015年11月ExplorationEngineering(Rock&SoilDrillingandTunneling)Nov．2015：7一l1农安油页岩水力压裂模拟及实验研究王聪，陈晨，孙友宏，王维，洪建俊，高帅(1．吉林大学建设I-程学院，吉林长春130026；2．大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163000)摘要：裂隙的数量和尺寸会影响油页岩原位开采的成本与效率，开采前需对油页岩进行水力压裂来建立或扩展裂隙，而压裂过程中的破裂压力是一个重要的参数。以农安矿区油页岩为研究对象，数值计算了其射孔完井下的水力压裂的破裂压力并采用真实破裂过程分析软件(二维渗流分析版)对水力压裂过程进行数值模拟，得到油页岩破裂压力。同时对该矿区油页岩压裂进行了实验对比，验证了数值模拟的有效性。对比结果表明模拟值、实验值较计算值均偏大。关键词：油页岩；水力压裂；破裂压力；数值模拟；农安油页岩矿区中图分类号：TE357文献标识码：A文章编号：1672—7428(2015)11—0007—05SimulationofOilShaleHydraulicFracturinginNong’anandtheExperimentalStudy／WANGCong，CHENChert，SUNYou—hung，WANGWei，HONGJian-jun，GAOShuai(1．CollegeofConstructionEngineering，JilinUniversity，ChangchunJilin130026，China；2．ProductionEngineeringResearchInstitute0fDaqingOilfieldCo．，Ltd．，DaqingHei—longjiang163000，China)Abstract：Thecostandeficiency0fin-situminingofoilshaleareaffectedbythenumberandsizeofcracks，itisnecessa-rytobuildorexpandfissuresbeforehydraulicfracturingofoilshaleandthefracturingpressureisanimportantparameterinthefracturingprocess．ThispapertakestheNong’anoilshaleastheresearchobject，thenumericalcalculationoffracturingprocessofhydraulicfracturingprocessunderperforationcompletionandnumericalsimulationwasmadeonhydraulicfractu—ringprocesswith2Dseepageanalysisvemionofrealisticfracturingprocessanalysissoftware；thefracturepressureofoilshalewasobtained．TheexperimentalcomparisonwascarriedoutonoilshalefracturinginNong’anminingarea：thevalid-ity0fthenumericalsimulationwasverified．Thecomparisonresultsshowthatboththesimulationandtheexperimentalval—uesarelargerthanthecalculatedones．Keywords：oilshale；hydraulicfracturing；fracturepressure；numericalsimulation；Nong’anoilshalemining8Iea0引言开采极为必要。随着国民经济发展对资源需求量的增加，传统水力压裂技术是提高低渗油气层渗透性的重要油气资源已经很难满足我国经济的发展。油页岩作技术手段之一。其原理是当地面高压泵组将高粘液为一种非常重要的替代能源，越来越受到人们的关体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，液压注。目前，油页岩的开发方式主要有地面干馏和原在井底附近超过井壁附近地应力及油页岩抗张强度位开采两种方式，与地面干馏相比，原位开采具有节的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂省露天开采费用、降低地面植被破坏程度和占地面的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。这样在地积少等优点，原位开采原理为：通过不同的加热方式层中形成了足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝。直接加热地下油页岩层，当油页岩在地下原位加热从而提高目的层的渗透率，使油气能够通畅流入开到一定温度时将进行裂解，生成油(气)，最后将生采井中，起到增产增注的作用。在此过程中破裂压成的油(气)通过生产井开采至地表⋯。但油页岩力的预测对成功进行压裂作业具有重要的意义。储层基质的渗透率很低，同样存在成本及其开采时本文针对农安油页岩在水力压裂过程中的破裂效问题。所以提高油页岩岩层的渗透性对油页岩的压力进行了数值模拟及实验研究，为今后对油页岩收稿日期：2015—07一l9基金项目：国家潜在油气资源(油页岩勘探开发利用)产学研用合作创新项目(编号：22109P224424)作者简介：王聪，男，汉族，1989年生，在读硕士研究生，地质工程专业，主要从事水力压裂方面的研究工作，吉林省长春市西民主大街938号，awhero@126．coino通讯作者：陈晨，男，汉族，1965年生，教授，博士生导师，从事教学与地质工程、基础工程设计、施工与数值模拟方向研究工作，吉林省长春市西民主大街938号，chenchen@jlu．edu．com。 第42卷第l1期王聪等：农安油页岩水力压裂模拟及实验研究9(2)井筒内压形成的周向应力可由(5)式表达：式中：0-——井壁周围岩石在垂直方向上的应力。若令。=了R：。0：一—i(L5))，其中h为射孔深度，则。r因此井壁处(r=R)的周向应力：区间可取为0～1，将h。以及Or和0-表达式代入0-0=-pi(6)式(11)中，则可得到射孔深度为h处孔眼壁面出现(3)井内流体压力增大时，一部分钻井液将进破裂所需要的注入压力为：入井壁地层，假设井壁地层为孔隙介质，流体流动满[(1+。z)一(寻一2vh。+。)．足达西定律，则钻井液的径向渗流在井壁周围产生的附加周向应力为：(0-H一h)cos(20)+Js一0-]／(1+3hD)(14)其中0为射孔孔眼的方位角，由式(14)可见，0-0=[一](pi—p)(7)当0=0时，破裂压力最低，即对于常规随机射孔完式中：——有效应力系数(Biot系数)；——泊松井而言，与最大水平地应力方向平行(0=0)的孔眼比；——孑L隙度；p。——原始地层孔隙压力。中最容易产生垂直裂缝，此时有：因此井壁上总的最小周向应力可以采用叠加原[(1+hD2)一(寻一2vh。z+9凡。4)．理，为上述3个周向应力之和。(0-H一0-h)+St一0-]／(1+3hD)(15)0-0=30-h一一Pi+6[一](pi—p)(8)由此可知射孔完井方式下，油页岩地层破裂压井壁有渗透时，6=1，井壁不渗透时，艿=0。力与射孔参数、地应力和岩石力学参数等有关。考天然的油页岩其渗透率为0．0001—0．000001虑到h。的变化范围，当h。=1(h=0)射孔孔眼的根mD，其孔隙度也极低。为了简化计算，将油页岩认部(孔眼与井壁的交界处)位置，式(15)取极小值。为是非渗透性岩石，因此，认为油页岩钻孔井壁不渗因此最终可得到油页岩层垂直井射孔完井条件下地透，6=0。式(8)可写为：层破裂压力的计算公式为：0-。：30"h一0-H—Pi(9)由抗张强度破裂准则可以知道地层的破裂是由．pf：=——————————————■———————————一(【1l60)J于井内压裂液压力过大导致油页岩所受的周向结构农安埋深约70m油页岩垂直方向地应力可简应力超过油页岩的抗拉强度而造成的，即：化为上覆岩层压力，可由下式求得：rH0-0=一S(10)=lP(日)dH式中：S——岩石抗拉强度。=gH由式(9)和式(10)可以得到油页岩在裸眼完井=2．42×10×10×70方式下进行水力压裂时其破裂压力的表达式：=1．694MPaPfpi=30-h一0-H+St(11)泥岩地层中最小水平地应力的梯度平均为由于油页岩矿层段下人了套管，油页岩层是通22．62kPa／m。过射孔孔眼与井筒连通的。压裂液沿井筒进入射孔由此可以求得最小水平地应力的大小：孔眼，然后通过孔眼把油页岩层压开。每个单独的0-h=22．62×70=1．58MPa射孔孔眼就相当于裸眼完井方式下的1个井眼。在当产生垂直裂缝时，0->H>，因此，0-H的所有的孔眼中，与最小水平主应力垂直或与最大水范围为1．58—1．694MPa。平主应力平行的孔眼最容易产生垂直裂缝]。射孔完井方式下，由式(16)可以求得：P=2．12。0：一i+——(1l+-5-)一———一(L1l+十—2．19MPa。设定数值模型尺寸为：10m×10m，单元划分规)c。s(2)(12)r模为500X500个基单元。为了简化模型，忽略套管及水泥环对压裂效果的影响，建立如图3所示数值=0-一2v(0-H一0-h)()2COS(2)(13)模型，横切钻孔井眼，钻孔直径为300mm，射孔直径