重复压裂应力场分析PPT课件

1、 重复压裂的裂缝转向与重复压裂后的地应力场变化有重要的关系。本文通过建立重复压裂前地应力场模型和渗流场模型，推导并通过有限元数值模型和计算，建立首次压裂后井筒附近由裂缝生成和油井生产引起的渗流场变化，为油气井重复压裂提供科学的设计依据。 一、摘要一、摘要第1页/共35页 重复压裂技术最早50年代出现在美国，美国近30%的压裂属于重复压裂；国内60年代起也开始进行重复压裂。由于受当时技术与认识水平限制，一般认为重复压裂是在原有水力裂缝上的进一步延伸或者重新张开已经闭合的水力裂缝，且施工规模必须大于第一次压裂作业的24倍，才能获得与前次持平的产量，否则，重复压裂是无效的。到了80年代中后期，随着油

2、气价格变化和现代水力压裂技术的发展，国外又将重复压裂作为一项重要的技术研究课题，从重复压裂机制、二、前言二、前言第2页/共35页油藏数值模拟、压裂材料、压裂设计、施工等方面进行研究攻关，使重复压裂技术取得了重大突破。 但是，国内外重复压裂方面的文献资料大多涉及现场测试、施工工艺和效果的研究，对于重复压裂机理，特别是量化方面的研究比较欠缺，国内也存在同样的问题，在重复压裂机理方面开展的研究比较少，一般只是从现场出发研究影响重复压裂效果的因素，缺乏理论研究。为了更好进行重复压裂的优化设计，需要进行重复压裂前的地应力场的变化研究。二、前言二、前言第3页/共35页三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、

3、重复压裂应力场的国内外研究现状 SPE24859 、SPE24857对重复压裂的机理进行了初步探讨和初步模拟 SPE 25464提出裂缝的转向问题 研究者从就地应力场的研究，对原有裂缝的评估与工艺措施的制定等方面入手，提出：重复压裂有可能产生新的裂缝，重复压裂必须重新优选新的材料，高砂比压裂、端部脱砂与强制闭合等新的工艺措施，这些研究成果提高了重复压裂的学术水平与技术水平以及现场应用效果。例如，美国阿拉斯加Kuparuk River油田的380口井有185口井进行了重复压裂，压后采油指数平均提高了2倍，取得了很好的增产稳定效果。 SPE63030用地面倾斜仪测到裂缝的重新转向。第4页/共35页

4、重复压裂转向的概念第5页/共35页用地面倾斜仪测到的裂缝转向第6页/共35页三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、重复压裂应力场的国内外研究现状 邻井裂缝对应力场的影响。1987年美国能源部在多井试验中进行改变应力的压裂试验，首先证明了地应力场受邻井裂缝影响。 初次裂缝对应力场的影响。Dowell公司根据试验和模拟地应力研究认为，地层中存在的支撑裂缝将改变井眼附近应力分布，使重复压裂裂缝的起裂方位垂直于初次裂缝方位，离开井眼一定范围再发生转向，以平行于初次裂缝方位延伸。 油气井生产/注入对原地应力场的影响。Bruno和Nakagawa用实验证明，孔隙压力的改变也会影响新裂缝的重新定向。在原地应

5、力没有起控制作用的情况下，裂缝会转向局部孔隙压力更高的方向。他们认为靠近裂缝末端的局部孔隙压力梯度控制了裂缝的发育方向，他们的想法是建立在静态条件上的。而Detournay，Boone和Berchenko则表明，裂缝的发育方向是由孔隙流体扩散到基质，引起原地应力改变所决定的。这种现象引起应力强度因子随时间而变，而应力强度因子是支配裂缝发育速率和方向的一个重要因素。第7页/共35页 地层参数各向异性对应力场的影响。Mack和Elbel继续发展了他们以前的工作，研究了地层参数各向异性对重复压裂的影响。他们认为水平渗透率各向异性导致了大规模的应力改变，如果前次裂缝是定向在高渗透率方向，那么这种现象对

6、于重复压裂是有利的。除此之外，他们发现弹性模量的各向异性对应力的重新定向也会有一定的影响。Boone等人通过数值模拟的手段表明，由于裂缝所引起的局部孔隙压力对裂缝发育方向的影响在渗透率各向异性油藏有所改变 孔隙压力变化诱导了局部剪切应力改变，导致新裂缝近似垂直于前次裂缝，或与前次裂缝成一锐角。然而，上述观点和认识大多是通过实验研究和现场试验得到的定性结论，还没有一个完整的、系统的应力计算模型来定量描述垂直裂缝井重复压裂前各种因素产生的诱导应力场分布状况，因此，不能定量地描述重复压裂造新缝机理、重复压裂新裂缝产生的条件和最佳重复压裂时机、新裂缝的起裂方位、裂缝延伸轨迹以及新裂缝缝长分布特征，从而

7、不能很好地指导重复压裂的井层优选、优化设计与施工。三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、重复压裂应力场的国内外研究现状第8页/共35页1.应力场数学模型 (1)有效应力场的理论公式推导考虑压力场的平衡方程 000 xyxxxzxyyxyyzyxyzzxzzpfxyzpfxyzpfxyz(2)线性变形几何方程 ：x xy yz zx yy zx zuxvywzuvyxwvyzuwzx四、重复压裂应力场和压力场计算模型第9页/共35页(3)弹性应力应变关系 1000100010000000.500(1 )(1 2 )00000.50000000.5xxxxyyyyzzzzyzyzxzxzxyxyE

8、1.应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第10页/共35页(4)边界条件 位移边界条件： 000uuvvww力边界条件： 123xyzTfTfTf混合边界条件： 123( , , )( , , )( , , )xyzTf u v wTf u v wTf u v w1.应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第11页/共35页(5)采用虚功原理0 x yx xx zxy yx yy zyx yz zx zzpfuxyzpfvdxyzpfwxyz(6)将上式积分后得到：xxxxyyyzzzzyzyzxzxzxyxyxyzxyzpppdf u f v f w dT u T v

9、 T wd 1.应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第12页/共35页(7)代入应力应变关系后得到：(1)( )(1)(12 )(1)(12 )( )( )(1)(12 )(1)(12 )( )( )(1)(12 )(1)(12 )xxxxyyxxzzxxxxyyyyyyzzEEpdpdEEpdpdEEpd ( )( )(1)(12 )(1)(12 )(1)(0.5)(1)(12 )(1)(12 )(0.5)(1)(12 )yyxxzzyyzzzzzzyzyzxzxzpdEEpdpdEEpddEd (0.5)(1)(12 )xyxyxyzxyzEdfufvfw dTuTvTw d

10、 (8)再将几何方程代入，得到以位移表示的积分形式的平衡方程。 1.应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第13页/共35页 采用四边形单元，将二次形函数代入位移插值函数，最终得到单元刚度矩阵： TeVkBDB dV以及面力和体力的等效节点力为： TeVQNq dV TesPNp dA 经过单元刚度矩阵的集成，得到整体求解域的离散总方程组： KUp根据求解的位移值，可以求得应力和应变。 1.应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第14页/共35页 连续性方程 1ggggggKqpPpttn有限元离散，建立等效积分方程 10ggggggKpPW dW Q dWdBptt

11、n根据Galerkin方法，方程中的流体孔隙压力用几何域上有限个结点的压力表示为，依据Galerkin理论，渗流方程的近似方程为： 10gggggKpNN d PNQdNdNqdpt 2.压力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型第15页/共35页五、地应力预测软件编制 采用了visual fortran90进行软件开发，保证软件运行的快速性和稳定性。 n点击开始程序组中的“REFRac”，启动重复压裂软件，首先是选择工作目录。 第16页/共35页输入已知参数第17页/共35页点击“计算”，开始计算 第18页/共35页 查看计算结果分布图 1.支撑裂缝附加应力场 n查看单元划分,总体尺

12、寸 n查看单元编号 第19页/共35页查看计算结果分布图最小主应力分布 n最小主应力分布 n标注数值 第20页/共35页查看计算结果分布图最小主应力分布n等值线标注 n随着局部放大，等值线的标注自动调整 第21页/共35页查看计算结果分布图最大主应力分布n最大主应力分布 n局部放大功能 第22页/共35页结果分布图 2.油井生产变化压力场 n初始时刻压力分布 n第一个时间步的压力分布 第23页/共35页n第二个时间步的压力分布 n压力分布显示随时间变化的三维分布图 第24页/共35页结果分布图 3.总应力图 n总应力包括考虑裂缝支撑和油井生产对整体应力场的影响，同样也是随时间变化的，总应力场也

13、是以主应力的形式给出。 n某一时间步的最小主应力整体分布（局部放大） n 某一时间步的最大主应力整体分布第25页/共35页结果曲线图Y向各点应力差随时间变化关系 n可以发现:（1）离开井壁越远，两个主应力的差越大，（2）随生产时间进行，两个主应力的差减小，但是减小的幅度先大后小，（3）随着生产时间的进一步进行，油藏压力降低波及区域增加，会造成整体泄油半径内油藏压力的降低，从而使得在泄油半径处的应力有所降低。 第26页/共35页基础数据：生产时间(天): 300力学参数： 弹性模量(MPa):35000.0,泊松比(无量纲): 0.25， 最大水平地应力(MPa):62.0， 最小水平地应力(M

14、Pa):50.0，有效应力系数(无量纲): 0.8油藏参数： 井底压力(MPa): 20.0， 初始油藏压力(MPa):30.0；渗透率(毫达西):1.00； 粘度(CP):1.00； 压缩系数(1/MPa):0.30E-04；孔隙度(无量纲):0.15； 泄油半径(m):400.0井眼和裂缝参数：井眼半径(m):0.10；裂缝长度(m): 120.0； 最大裂缝宽度(mm): 5.0六、地应力预测软件应用 第27页/共35页n水平应力差为12MPa n水平应力差为6MPa 虽然得到了Y向各个位置点处应力场随时间的变化关系，当从许多条曲线中读出各条曲线应力转向的时间，不但不方便，而且不准确。点击“结果曲线图垂向扩展距离与时间变化关系”，得到垂向扩展距离与时间变化关系。 六、地应力预测软件应用 第28页/共35页n水平应力差为6MPa n水平应力差为6MPa 六、地应力预测软件应用 第29页/共35页水平应力差为5 MPa 水平应力差为3 MPa 六、地应力预测软件应用 第30页/共35页水平应力差为2 MPa n垂向扩展距离与水平应力差关系 六、地应力预测软件应用 第31页/共35页 水平方向远场主应力差值不但控制垂向裂缝是否产生，而且是控制垂向延伸距离的主要因素之一，应力差差值越大，越不容易产生新裂缝，即使产生