泥—砂互层地层水压致裂过程的三维数值分析.pdf

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1、22西部探矿工程2014年第9期·石油与钻掘工程·泥一砂互层地层水压致裂过程的三维数值分析张潦源，夏英杰。，黄波，李爱山。(1．中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，山东东营257000；2．大连理工大学岩石破裂与失稳研究所，辽宁大连116024)摘要：在油气田开采工程中，水压致裂技术已经成为油气开采、低渗透油藏增产的主要技术措施。基于RFPA3D并行计算程序，建立了泥一砂岩互层条件下水力压裂的大规模计算模型。数值计算结果表明：拉应力在水力裂纹的形成、发展、延伸和贯通过程中都起到了至关重要的作用，即两种情况下的水力裂纹都是张拉型的；水力压裂破裂面

2、总是在最大主应力面内，并且垂直于最小主应力方向；岩石破裂过程具有声发射特征，同样在水力压裂过程中，声发射可以用来衡量水力裂纹发生扩展的部位和能量的大小。在泥砂互层条件下，由于泥岩的残余强度较砂岩高，在受拉状态下岩石仍保持一定的强度，可压性要比砂岩低，因此在压裂过程中，需要采取相应的缝高控制技术，以增大裂缝长度。关键词：三维水力压裂；数值模拟；RFPA；声发射；泥一砂互层中图分类号：Tu443文献标识码：A文章编号：1004—5716(2014)09—0022—041概述规律，物理模拟与数值试验就成为人们认识自然规律随着常规油气资源勘探开发难度的加大

3、和油气消的基本手段，特别是以数值计算为基础的数值试验越费的日益增长，非常规油气资源已成为国内外油气勘来越受到人们的关注和认可。探开发的热点。对于低渗透油藏来说，水压致裂技术本文拟利用基于并行有限元方法的RFPA3D程序』，已经成为增产的主要技术措施]。近年来，许多专家和建立大规模三维应力条件下裸眼垂直井水力压裂的数值学者根据二维平面应变理论对水力压裂的机理及数值计算模型，观察地应力对水力压裂模型的渗流场分布与计算方面做了大量的研究工作。杜卫平等(2003)结合最小主应力变化情况的影响，分析水压致裂裂缝扩展的重复压裂技术的数学机理及渗流力学理论，建立

4、了包声发射规律，在此基础上总结水力裂缝的起裂、扩展与延含地层和裂缝共同影响的应力计算模型2；曾雨辰伸机制，为水压致裂实践提供规律性的认识。(2005)应用应力叠加法确定了压裂井储层中的应力场2数值计算模型状况即；郭宝华(2010)应用RFPA2D-FIoW软件，对本文的数值模拟采用RFPA软件进行，RFPA以水压致裂过程的裂缝扩展形态、注水孔大小和形状、岩有限元技术和等效连续介质模型作为分析系统的力学样强度和应力条件等影响因素进行了系统分析；刘洪基础。流一固耦合模型将渗流场、应力场及其耦合机等(2004)开发了基于弹性力学和流一固耦合理论的压制包括

5、其中。RFPA采用单相饱和控制方程对渗流场裂气井诱导应力场的计算模拟程序，实现了垂直裂缝进行控制，并采用弹脆性的应力一应变关系对应力场气井压裂前应力场的定量分析与模拟。以往大量实进行控制。由于模型自由度较大，故采用并行计算方验室及现场实验表明：尽管二维裂缝模型在一定条件法求解。在求解过程中，求解器采用松散耦合模式，以下可以用于一般的压裂分析与设计，但对于那些最小保证求解结果收敛的稳定性。关于RFPA软件的详细地应力有突变的地层进行水力压裂时，应用三维模型原理介绍，可参见文献『6]，本文不再赘述。为了分析互更加合理与准确。而且，由于地下工程的复杂性及

6、不层条件下水力裂缝的基本特征，文章首先建立了实验可见性，并不能够直观地观察与分析水力裂缝的扩展室尺度的全砂岩数值模型，然后根据-丁．程需要，建立了收稿日期：2013一l1—11修回日期：2013一l1—12基金项目：国家自然科学基金面上项目(No．50909013)。第一作者简介：张燎源(1983一)，男(汉族)，山东东营人，_r=程师，现从事石油水力压裂方面的研究工作。西部探矿工程2014年第9期缝总是垂直于最小主应力，沿最大主应力方向进行扩展。态下岩石仍保持一定的强度，因此可压性要比砂岩低。在工程尺度下，对于全砂岩或泥岩的单一地层模3．2水力裂

7、缝声发射特征型，裂缝扩展形态仍遵循一般规律，即裂缝沿最大主应声发射是岩石破裂过程中最基本的特征，图3为实力方向扩展，但泥岩层的起裂压力明显高于砂岩层的验室尺度下工况1、2条件下的声发射图，反映了两种工起裂压力。对于泥～砂岩互层的情况，只有砂岩层易况条件下水力破裂面的基本形态。在主应力相等或相于起裂，在一定压力条件下，会出现砂岩中的裂缝已扩差不大的情况下(工况1)，随着压裂段内水压力的不断展到相当长度，而泥岩层中并无裂缝起裂。这是由于增大，孑L内周围介质的应力变化逐渐增大，并直接影响砂岩的残余强度较低，岩石在水力的驱动下受拉，因此着裂纹的萌生、扩展和

8、贯通；而在工况2条件下，由于围极易发生破坏；而由于泥岩的残余强度较高，在受拉状压相差较大，水力裂缝的扩展具有明显的方向性。