储层孔隙度和粘土含量对水力裂缝高度控制的影响文件.docx

1、储层孔隙度和粘土含量对水力裂缝高度控制的影响摘要水力压裂技术是储层增产的一个重要办法在石油工程中,水力裂缝几何形状的预测已经成为一项巨大挑战在水力压裂过程中采用ABAQUS代码建立一个3维非线性模型由岩石应力平衡多孔流体的质量平衡达西定律和有效应力原理构成的液-固态平衡方程用有限元对微分方程进行离散和求解根据损伤力学原理,内聚的单元采用到裂缝产生和扩展模型中在中国大庆油田的一个典型的水平井水力压裂过程中用该模型模拟考虑到水力压裂过程中支撑剂浓度的变化,我们开发了用户子程序从模拟中得到的井底压力变化与现场实测数据一致因此,验证了这个模型研究和讨论垂直裂缝,地层孔隙度和粘土含量对裂缝高度控制的影响

2、通过一组公式,将岩性孔隙度和粘土含量联系起来结果表明,较大的孔隙度和粘土含量可以限制裂缝高度当含油层的孔隙度增加时,渗透率增加而弹性模量减小由于压裂液更容易泄漏到孔隙度较大的地层,因此,裂缝高度减小,井底压力下降随着隔层粘土含量的增加,弹性模量降低并且岩石材料的抗拉强度增加裂缝高度将减小,对于粘土含量大的地层,材料更难被损害我们的工作一个对裂缝高度控制新的认识,并有利于水力压裂的施工和实践水力压裂技术是提高气井产能的主要工程技术之一介绍水力压裂的目的是绕过近井眼损伤并延长到地层的导流路径(Economides 和Nolte,2000)由于水力压裂的原理比较复杂,在3维计算机模拟程序中有巨大的挑

3、战水力裂缝几何形状可以水平或垂直,取决于地层特征(上覆地层压力和构造变化)对于垂直裂缝,裂缝高度已引起广泛的注意2012年Wang等人研究了一些岩性参数对多层储集层的水力裂缝高度的影响结果表明,原始地层压力越大,弹性模量越小,隔层的抗拉强度越大,这可以使裂缝高度越小2009年Deneshy指出沿弱界面的剪切破坏是裂缝高度控制的另一个因素地层孔隙度和粘土含量能显著影响岩石材料性质(Chen等人,2008)但是,据我所知在文献中很少见到孔隙度和粘土含量对水力压裂的影响的研究在本文中,建立一个3维的水力压裂模拟模型用有限元法解流-固态平衡方程基于损伤力学,在模拟裂缝产生和扩展中采用内聚单元法在中国大

4、庆油田一个典型的水平井水力压裂过程中模拟得到的井底压力曲线与实测资料一致;因此,该模型的验证得到了认可然后,研究地层孔隙度和粘土含量对水力裂缝高度的影响用一组公式将岩性孔隙度和粘土含量联系起来结果表明,较大的孔隙度和粘土含量可降低裂缝高度水力压裂施工设计将有益于我们的工作数值计算法控制岩石材料的变形被表示成压力平衡方程(Malvern, 1969)+f=0 (1) 和f分别是总应力矩阵和体积力分量多孔流体的质量守恒方程写为tw+wvw=0 (2)rw,vw分别是多孔流体密度孔隙度和渗流速度矢量流体动力学方程遵守达西定律,其中渗流速度与孔隙压力梯度成正比(Marino和Luthin,1982;D

5、ean和Schmidt,2008),这就是vw=-1K(w-wg) (3)m ,K, w和g分别代表流速渗透率矩阵孔隙压力和重力加速度矢量固体的变形和渗流流量之间的关系可以表示为有效应力原理(Economides和和Nolte,2000)=-wI (4) 是有效应力矩阵根据损伤力学,内聚单元被采用到压裂行为的模拟中岩石的初始损伤由下面的二次应力准则描述(Turon等人,2006)nn02+ss02+tt02=1 (5)n是垂直应力,s和t是两个剪切方向的剪切应力n0是岩石抗拉强度,s0和代表两各个剪切方向的岩石剪切强度<>标志用来标识挤应力状况不会造成伤害,这意味着ìn=

6、nn n<0n0 (6)当达到初始伤害准则时,材料的刚度退化并表示如下E1 =(1-D)E0 (7)E1和E0分别代表受损和原材料的弹性模量D是材料的损伤因子,可以用下面的公式计算(Zhang等人,2010a)D=dmf(dmmax-dm0)dmmax(dmf-dm0) (8)dmfdmmax和dm0分别指的是完全失效时的位移历史负荷的最大位移量和初始损伤的位移类似于达西定律,压裂中的液体流速与液体压力呈线性关系(Hagoort等人和Dean和Schmidt,2008)水力压裂过程中,支撑剂逐渐加入压裂液支撑剂对水力压裂的影响用压裂液的粘度变化表示,可用下面的方程表示(Adachi等人,

7、2007)=0.1×(1-c/0.65)2 (9)c是支撑剂浓度以上所有方程耦合在一起,一组对应的增量有限元公式和求解算法被详细描述(Zienkiewicz和Taylor,2005;Zhang等人,2010b)用户子程序的开发并应用到ABAQUS代码中可同时解决方程数值验证为了验证该模型,在中国大庆油田一个典型的水平井水力压裂过程中进行模拟模拟范围由3个层(两个隔层中间的油层)构成油层厚度为4.2米,井眼和水泥套管也包含在模型中压裂液注入速率保持3.46m3/min,注入时间是30min岩性参数来自于油田测试数据图1是模拟范围的示意图该范围的长度高度宽度分别为180m50m和20m图

8、1:模拟范围示意图压裂过程中井底压力变化曲线模拟与现场测量结果对比如图2所示由于压裂液注入速率保持不变,井底压力曲线平滑稳定可以看出,这两条曲线之间的差异不明显模拟结果和实测数据之间井底压力的最大相对误差值仅为4.6%验证了模型的正确性图2:井底压力曲线的比较孔隙度和粘土含量对水力裂缝高度的影响在下段中,讨论孔隙度和粘土含量对水力裂缝高度的影响模拟范围,类似于以前的部分,由3个层构成含油层厚度为10米当模拟范围在垂直方向上对称时,计算模型只考虑低一半的整个范围计算范围的长度高度和宽度分别是180米30米和20米在之后的所有模拟案例中,压裂液注入速率保持在3m3/min,注入时间为30min孔隙

9、度和粘土含量很大的影响了波在岩石材料中的传播速度该经验公式可以表示为(Chen等人,2008)vp =5.37 -6.33f -1.82Vcl (10)vs =3.15 -3.51f -1.25Vcl (11)vp和vs分别代表纵波和横波;Vcl是地层粘土含量基于线性弹性理论,弹性模量和泊松比可以用下面的公式计算波速(Malvern,1969)E=vs3(vpvs)2-4(vpvs)2-1 (12)v=(vpvs)2-2(vpvs)2-1 (13), E和v分别代表密度弹性模量和泊松比Deere和Miller(1969)为计算岩石抗压强度建立经验公式c=(a+bVcl)E (14) c是抗压强

10、度;a和b是拟合系数根据大庆油田的测井数据,a和b分别采用0.0006619和0.01123岩石抗拉强度与抗压强度呈线性关系(Fajer等人,2008)n0=cKtc (15) Ktc是比例系数孔隙度也大大地影响了地层渗透率,可表示为(Costa,2006)K=ccm1- (16) cc和m是两个系数在我们的模拟中,cc和m分别采用3.87达西和1.99方程(10)-(16)通常将岩性参数(弹性模量,拉伸强度和渗透率) 孔隙度粘土含量联系起来,并将它们之间的关系描绘在图3 5中由于这些参数可以有效地影响水力裂缝形态,孔隙度和粘土含量可以影响水力压裂图3:杨氏模量孔隙度和粘土含量之间的关系图4:

11、抗拉强度孔隙度和粘土含量之间的关系图5:孔隙度和渗透率之间的关系研究了5个数值案例,参数组合列于表1案例1和案例3讨论了孔隙度对水力压裂的影响案例4和案例5讨论了粘土含量对水力压裂的影响,案例2作为基准在下面所有的数字符号中,l,h和w分别代表裂缝半长半高和半宽坐标原点位于裂缝中心表1:参数组合含油层孔隙度隔层孔隙度含油层粘土含量隔层粘土含量案例10.080.0110%30%案例20.120.0110%30%案例30.160.0110%30%案例40.120.0110%40%案例50.120.0110%50%案例12和3中裂缝的3维结构如图6所示,横截面视图如图7所示可以看出,孔隙度较大的油层

12、可减小裂缝高度随着油层孔隙度的增加,渗透率增加(Eq.16)由于压裂液更容易泄漏到孔隙度较大的地层中,因此裂缝高度降低,并且井底压力下降图6:孔隙度对裂缝形态的影响图7:图6的横截面视图案例24和5的3维结构如图8所示,对应的横截面示意图如图9所示这些图可说明,粘土含量较大的隔层可限制裂缝高度如图3和图4所示,当粘土含量增加时,岩石弹性模量降低并且抗拉强度增加由于粘土含量较大的地层很难被损害,因此裂缝高度降低图8:粘土含量对裂缝形态的影响图9:图8的横截面视图结论为了模拟水力压裂难题,建立一个非线性流-固态模型用有限元离散并求解模型基于损伤原理,在模拟裂缝的产生和扩展中采用内聚单元法一个典型的

13、水平井水力压裂过程用现有模型模拟得到的井底压裂变化与实测数据一致我们认可了该模型的准确性本文研究了地层孔隙度和粘土含量对水力裂缝控制高度的影响用一组经验公式将岩性孔隙度和粘土含量联系起来结果表明,孔隙度和粘土含量较大的地层可限制裂缝高度较大的孔隙度可以增加渗透率,较大的粘土含量可减小弹性模量并且抗拉强度增加最后,所有这些因素将使水力裂缝变得更小在我们的工作中,这些将有利于我们的水力压裂施工设计和实践术语a,b,m =拟合系数,无量纲c = 支撑剂浓度浓度,无量纲cc=拟合系数,L2,m2dmf=完全失效时排量, L,mdm0=初始损伤时的排量, L,mdmmax=卸载历史时的最大排量, L,mD =损伤因子,无量纲E =弹性模量,m/Lt2,PaE1 =岩石材料的损伤弹性模量,m/Lt2,PaE0 =岩石材料的原始弹性模量,m/Lt2,Paf =体积力矢量,m/L2t2,Pa/mg=重力加速度矢量,L/t2,m/s2I =密度矩阵,无量纲K =渗透率矩阵,L2,M2Ktc =比例系数,无量纲pw =多孔压力,m/Lt2,Pa Vcl=粘土含量,无量纲vp= P波速,L/t,m/svs=S波速,L/t,m/svw =渗流速度矢量L/t,m/sf =孔隙度,无量纲m=流体粘度,