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        大慶油田致密油水平井縫間距優(yōu)化研究

        2022-11-07 05:28:18楊勇段彥清
        河南科技 2022年18期
        關(guān)鍵詞:方向

        楊勇 段彥清

        (大慶油田井下作業(yè)分公司工程地質(zhì)技術(shù)大隊(duì),黑龍江 大慶 163000)

        0 引言

        近幾年,隨著常規(guī)儲(chǔ)層可采儲(chǔ)量的減少,利用水平井分段分簇壓裂開發(fā)致密油儲(chǔ)層接替常規(guī)儲(chǔ)層產(chǎn)量越來越重要,簇間距設(shè)計(jì)大小對(duì)于提高壓裂改造效率和降低儲(chǔ)層動(dòng)用成本起著至關(guān)重要的作用。常規(guī)直井壓裂主要是對(duì)稱雙翼裂縫擴(kuò)展,而水平井分段多簇壓裂主要是幾條裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力作用。胡文瑞[1]通過有限差分法對(duì)多裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力作用進(jìn)行了研究;徐加祥等[2]采用位移不連續(xù)法對(duì)分段多簇壓裂伴隨的裂縫應(yīng)力作用、壓裂的初始?jí)毫彤a(chǎn)生的縫寬進(jìn)行探索,并找到了解決的方法;王發(fā)現(xiàn)[3]根據(jù)彈性力學(xué)的原理,開展了裂縫間產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行模型建立分析,對(duì)水平井分段壓裂的影響因素進(jìn)行分析,主要是分析裂縫間應(yīng)力作用的原因,因此,對(duì)裂縫間應(yīng)力干擾機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究;王昕等[4]采用有限元分析方法,通過對(duì)水平井水力壓裂產(chǎn)生的裂縫延展規(guī)律進(jìn)行建模分析,找到了解決縫間距優(yōu)化的方法。

        然而上述研究主要存在2 個(gè)有待解決的問題:①針對(duì)裂縫延伸的模擬都是通過預(yù)置裂縫走向及位置,無法準(zhǔn)確描述應(yīng)力干擾下的裂縫形態(tài);②對(duì)于縫間天然裂縫或弱結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力干擾下的形態(tài)研究較少。本研究利用abaqus 軟件以及python 二次開發(fā),對(duì)比分析了不同縫間距條件下的裂縫形態(tài),對(duì)水平井縫間距的優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

        1 模擬壓裂的原理分析

        1.1 儲(chǔ)層有效應(yīng)力機(jī)理

        Terzaghi 最先提出的有效應(yīng)力,是指多孔介質(zhì)骨架承受的應(yīng)力,即為有效應(yīng)力[5],當(dāng)多孔介質(zhì)處于完全飽和狀態(tài)時(shí),巖石骨架產(chǎn)生的有效應(yīng)力σ*加上孔隙內(nèi)流體壓力pw等于上覆巖層重力產(chǎn)生的垂向地應(yīng)力σ[6]。由于多孔介質(zhì)骨架應(yīng)力會(huì)受孔隙流體壓力變化的影響而改變,從而導(dǎo)致滲透率及孔隙度發(fā)生改變,由此引起孔隙內(nèi)流體流動(dòng),使得孔隙內(nèi)壓力重新分布,所以,通常將有效應(yīng)力原理用于儲(chǔ)層滲流流固耦合相互作用的橋梁。具體機(jī)理見圖1。

        圖1 有效應(yīng)力概念圖

        如圖1 所示,總應(yīng)力σ即儲(chǔ)層巖石中的一點(diǎn)所承受的應(yīng)力,主要由巖石孔隙中潤濕流體的壓力pw[7]、非濕潤流體的平均壓應(yīng)力pa和有效應(yīng)力σ*組成,表達(dá)式如式(1)。

        式中:I為單位矩陣;χ為一個(gè)受飽和度影響的因子,當(dāng)χ為1.0 時(shí)巖石完全飽和,當(dāng)χ小于1 時(shí)巖石處于非飽和狀態(tài)。

        1.2 儲(chǔ)層的流固耦合原理

        傳統(tǒng)的流固耦合模擬中,孔隙度和滲透率是保持不變的,而在實(shí)際的滲流過程中,由于孔隙流體壓力的變化,一方面要引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力變化,由此導(dǎo)致滲透率、孔隙度等參數(shù)的變化,另一方面,這些變化又反作用于孔隙流體的流動(dòng)和壓力分布,見圖2。因此,需要考慮孔隙流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律及其對(duì)儲(chǔ)層本身的變形或者強(qiáng)度造成的影響。

        圖2 儲(chǔ)層流固耦合的作用關(guān)系

        1.3 孔壓黏聚單元損傷機(jī)理

        二維孔壓黏聚單元如圖3 所示,其在四邊形單元的短邊中點(diǎn)處插入孔隙壓力節(jié)點(diǎn)A 和B,該類型節(jié)點(diǎn)只有孔壓自由度,不具有位移應(yīng)變的自由度,目前已廣泛應(yīng)用于水力壓裂??讐吼ぞ蹎卧駨拿娣蛛x準(zhǔn)則,其損傷模式以其承受的應(yīng)力或應(yīng)變作為損傷判斷準(zhǔn)則。當(dāng)黏聚單元法相面應(yīng)力小于tn時(shí),應(yīng)力與位移成正比,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到tn時(shí),黏聚單元出現(xiàn)損傷,其所能承受的應(yīng)力隨位移的增大而逐漸減小,當(dāng)位移達(dá)到dn時(shí),其強(qiáng)度降為零,即認(rèn)為黏聚單元發(fā)生損傷。

        圖3 二維孔壓黏聚單元

        從圖3 和圖4 機(jī)理圖可以看出,切向方向相同,其受到的損傷模式一樣。當(dāng)法向損傷位移達(dá)到時(shí),其遠(yuǎn)大于上下表面所能承受的法向應(yīng)力,隨著法向位移增大,上下表面所能承受的法向應(yīng)力也增大,黏聚單元呈彈性變化;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到時(shí),黏聚單元出現(xiàn)損傷,上下表面所能承受的法向應(yīng)力隨位移的增大而逐漸減小,隨著位移的繼續(xù)增大,達(dá)到應(yīng)力最大破壞位移時(shí),上下表面之間的拉應(yīng)力消失,抗拉強(qiáng)度為0,黏聚單元會(huì)出現(xiàn)損傷,完全失效。

        圖4 黏聚單元損傷的應(yīng)力—位移準(zhǔn)則

        2 數(shù)值模擬條件及結(jié)果對(duì)比分析

        基于流固耦合理論以及損傷力學(xué)機(jī)理建立了二維儲(chǔ)層平面幾何模型,批量插入孔壓黏聚單元,利用二次開發(fā)Dflow 子程序獲取每一個(gè)計(jì)算增量步結(jié)束時(shí)射孔處的壓力,并以此為依據(jù),施加下一個(gè)增量步開始時(shí)射孔處的壓裂液排量。儲(chǔ)層物性參數(shù)見表1。

        表1 儲(chǔ)層物性參數(shù)

        2.1 單一裂縫的應(yīng)力作用研究

        圖5 為單一裂縫延展最小主應(yīng)力大小及方向變化。從圖5 中可以看出,裂縫主要是受最大水平主應(yīng)力作用,與最大水平主應(yīng)力延展方向一致。但是當(dāng)裂縫受到液體壓力干擾時(shí),水平主應(yīng)力都有所增大,在裂縫兩側(cè)最小水平主應(yīng)力方向發(fā)生反轉(zhuǎn),對(duì)裂縫末端水平主應(yīng)力沒有干擾作用,使得裂縫延展端的方向不變。

        圖5 最小主應(yīng)力大小及方向

        2.2 兩條裂縫的應(yīng)力干擾分析

        為了研究2 條裂縫同時(shí)起裂的情況,模擬縫間隔為20 m 的2 條射孔段作為起始裂縫,圖6 為兩條對(duì)稱裂縫在應(yīng)力作用下同時(shí)起裂的裂縫形態(tài)。從圖6 中可以看出,兩條裂縫之間有干擾作用,呈排斥性向裂縫外側(cè)移動(dòng),且在裂縫兩側(cè)最小水平主應(yīng)力方向呈弧狀發(fā)生反轉(zhuǎn),當(dāng)裂縫延伸方向垂直于弧形切線方向時(shí),在水平主應(yīng)力干擾下裂縫末端延伸方向會(huì)發(fā)生改變。

        圖6 兩條對(duì)稱裂縫同時(shí)起裂的裂縫形態(tài)

        3 結(jié)論

        ①經(jīng)過模擬壓裂的原理分析得到,裂縫走向及位置是在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫形態(tài)變化,在有效應(yīng)力作用下,裂縫以縫長的1/2 為短半軸、縫長的3/2 為長半軸呈橢圓形發(fā)生偏轉(zhuǎn),裂縫延伸方向的改變主要由原始地應(yīng)力和誘導(dǎo)應(yīng)力的雙重作用或轉(zhuǎn)向造成的。

        ②兩條對(duì)稱裂縫在應(yīng)力作用下同時(shí)起裂時(shí),2條裂縫間距對(duì)裂縫的延伸方向會(huì)產(chǎn)生影響,2 條裂縫呈排斥性向裂縫外側(cè)移動(dòng),且在裂縫兩側(cè)最小水平主應(yīng)力方向呈弧狀發(fā)生反轉(zhuǎn),且裂縫偏轉(zhuǎn)角度隨著裂縫間距的縮小而增大,裂縫延伸的尖端也會(huì)受裂縫間應(yīng)力作用而發(fā)生改變。

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