重复压裂应力场变化规律研究与应用

1、温庆志温庆志 重复压裂应力场变化规律研究与应用重复压裂应力场变化规律研究与应用中国石油大学中国石油大学2011.52011.5 一、前言一、前言二、重复压裂选井选层研究二、重复压裂选井选层研究 三、应力场分布三、应力场分布四、重压新裂缝延伸轨迹预测四、重压新裂缝延伸轨迹预测主要内容主要内容 一一 前前 言言u水力压裂技术水力压裂技术作为油藏的主导改造工艺在投产、增产、开发过程作为油藏的主导改造工艺在投产、增产、开发过程中发挥着巨大的作用，该区块大部分油井投产时都实施了水力压裂中发挥着巨大的作用，该区块大部分油井投产时都实施了水力压裂改造，并取得了较好的增产效果。然而随着开发时间的延长，大部改造

2、，并取得了较好的增产效果。然而随着开发时间的延长，大部分井层人工裂缝已闭合，压裂增产效果变差。分井层人工裂缝已闭合，压裂增产效果变差。u可以采用改向重复压裂技术。可以采用改向重复压裂技术。改向重复压裂技术改向重复压裂技术可以在地层中压可以在地层中压出与原裂缝方向不同的裂缝，从而能够在油气层中打开新的油气流出与原裂缝方向不同的裂缝，从而能够在油气层中打开新的油气流通道，更大范围地沟通老裂缝未动用的油气层。通道，更大范围地沟通老裂缝未动用的油气层。1.1问题的提出问题的提出 一一 前前 言言u50年代，重复压裂技术最早出现在美国，国内年代，重复压裂技术最早出现在美国，国内60年代起也开始年代起也开

3、始进行重复压裂。到进行重复压裂。到80年代，重复压裂技术取得了重大突破。年代，重复压裂技术取得了重大突破。u初次裂缝初次裂缝对应力场的影响。对应力场的影响。Dowell公司根据试验和模拟地应力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。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。uBruno和和Nakagawa用实验证明，用实验证明，孔隙压力孔隙压力的改变也会影响新的改变也会影响新裂缝的重新定向。裂缝的重新定向。u邻井邻井裂缝裂缝对应力场的影响。对应力场的影响。1987年美国能源部在多井试验中进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

4、了地应力场受邻井裂缝影响。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。1.2国内外研究现状国内外研究现状 一一 前前 言言u国内刘洪博士在国内刘洪博士在Siebrits和和Elbel研究的基础上，通过无因次量来研究的基础上，通过无因次量来确定应力改变的区域并认为确定应力改变的区域并认为应力改变的区域应力改变的区域就是就是重复压裂裂缝转向重复压裂裂缝转向前的最大距离前的最大距离，然后利用压剪情况下裂缝扩展的最大拉应力原理来，然后利用压剪情况下裂缝扩展的最大拉应力原理来确定重复压裂新裂缝转向后扩展的轨迹。确定重复压裂新裂缝转向后扩展的轨迹。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 二二 重

5、复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究l选井选层选井选层一直是水力压裂设计人员关心的首要问题，选井选层的一直是水力压裂设计人员关心的首要问题，选井选层的成功与否直接关系到压裂施工效果的好坏，而影响选井选层的因素成功与否直接关系到压裂施工效果的好坏，而影响选井选层的因素很多，影响关系又极其复杂，而且不能用规则的公式或方程来描述很多，影响关系又极其复杂，而且不能用规则的公式或方程来描述 l人工神经网络方法人工神经网络方法是解决复杂的非线性映射问题的有效方法，表是解决复杂的非线性映射问题的有效方法，表现出了极大的灵活性和自适应性。因此，可以运用人工神经网络方现出了极大的灵活性和自适应性。因此，可以运

6、用人工神经网络方法，优选施工井层法，优选施工井层 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究 人工神经网络的出现已有近人工神经网络的出现已有近60年的历史，在这半个世纪里，年的历史，在这半个世纪里，多种网络模型得到了发展：多种网络模型得到了发展：感知器感知器线性网络线性网络BP网络网络自组织网络自组织网络反馈网络反馈网络 这些网络模型主要用来解决下列几类问题：这些网络模型主要用来解决下列几类问题：模式信息处理和模式识别模式信息处理和模式识别最优化问题最优化问题信息的智能化处理信息的智能化处理 本文选择具有模式识别功能和解决最优化问题的本文选择具有模式识别功能和解决最优化问题的BP网络模型网

7、络模型和和自组织网络自组织网络。2.1网络模型的建立网络模型的建立 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究u误差逆传播网络简称误差逆传播网络简称BP（Back Propagation）网络。典型的）网络。典型的BP网络是网络是三层、前馈阶层网络，即：输入层、隐含层和输出层。各层之间全连接。三层、前馈阶层网络，即：输入层、隐含层和输出层。各层之间全连接。如图所示，三层如图所示，三层BP网络结构。网络结构。2.1网络模型的建立网络模型的建立 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究u 对于对于BP网络，其收敛过程存在着网络，其收敛过程存在着2个很大的缺陷：个很大的缺陷：收敛速度慢收敛

8、速度慢存在所谓存在所谓“局部最小值局部最小值”问题问题 因此，需要对因此，需要对BP算法进行改进算法进行改进u BP算法的改进主要有两种途径，一种是采用启发式学习方法，算法的改进主要有两种途径，一种是采用启发式学习方法， 另一种则是采用更有效的优化算法。另一种则是采用更有效的优化算法。u 本文采用了动量法、学习率自适应法和本文采用了动量法、学习率自适应法和LM法法3种算法来改进种算法来改进BP算法。算法。 2.1网络模型的建立网络模型的建立 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究u网络模型程序实现的基本思路是首先选取录入样本，网络模型程序实现的基本思路是首先选取录入样本， 即确定输入参

9、数。即确定输入参数。(渗透率、孔隙度、厚度、压力、加砂渗透率、孔隙度、厚度、压力、加砂)u本文选用常用的本文选用常用的最大最小法最大最小法对数据进行预处理，方法如下：对数据进行预处理，方法如下： 0 x=a1 rij= (x-a1)/(a2-a1) a1x=a2u程序是用程序是用Matlab语言编写的，其程序框图如下：语言编写的，其程序框图如下：2.1网络模型的建立网络模型的建立 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究录入样本训练集录入样本训练集数据归一化数据归一化权值赋初值权值赋初值计算隐层，输出各节点输出值计算隐层，输出各节点输出值计算期望值与实际输出值的误差计算期望值与实际输出值

10、的误差E误差值满足要求？误差值满足要求？根据误差调节输出层权值根据误差调节输出层权值误差反向传递，调节隐层权值误差反向传递，调节隐层权值将训练好的权值保存起来将训练好的权值保存起来结束结束否否是是 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究2.2重复压裂选井研究重复压裂选井研究选取选取33口油井进行重复压裂选井研究，口油井进行重复压裂选井研究，基本数据基本数据如下（部分）如下（部分） 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究对油井数据进行对油井数据进行归一化处理归一化处理 ，见下表（部分井），见下表（部分井）2.2重复压裂选井研究重复压裂选井研究 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选

11、井选层研究神经网络仿真过程：神经网络仿真过程：设设置神经元数量置神经元数量N=45，训，训练函数采用练函数采用trainlm，训，训练最大次数为练最大次数为1000步，步，训练精度为训练精度为110-7，如，如图所示，经过图所示，经过26步训练步训练后达到了训练精度。后达到了训练精度。 网络训练过程图网络训练过程图 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究图中红色的圆圈图中红色的圆圈“O”表示权值矢表示权值矢量，蓝色的量，蓝色的“+”表示输入矢量，表示输入矢量，O” “将将“+”包住，包住，表明该网络经过表明该网络经过训练之后，已经训练之后，已经完全掌握完全掌握“输入输入”和和“权值矢量

12、权值矢量”之间的关系之间的关系”。 网络训练结果图网络训练结果图 2.2重复压裂选井研究重复压裂选井研究 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究上图表明神经网络模型上图表明神经网络模型已经训练好，精度符合已经训练好，精度符合要求，可以应用该神经要求，可以应用该神经网络模型开展研究工作。网络模型开展研究工作。应用训练好的神经网络应用训练好的神经网络模型，对数据进行模型，对数据进行仿真仿真计算计算 仿真结果仿真结果 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究48口井以增产倍数为目标排序，结果如下（部分）口井以增产倍数为目标排序，结果如下（部分）重复压裂井选井计算结果重复压裂井选井计算结

13、果 2.2重复压裂选井研究重复压裂选井研究 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化支撑缝长优化结果支撑缝长优化结果以以*为例为例 ，优化结果如下，优化结果如下 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究缝宽优化结果缝宽优化结果2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究缝高优化结果缝高优化结果2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究铺砂浓度优化结果铺砂浓度优化结果 2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化 二二 重复压裂选井选层

14、研究重复压裂选井选层研究砂量优化结果砂量优化结果 2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化 二二 重复压裂选井选层研究重复压裂选井选层研究最终的优化结果 2.3重复压裂裂缝参数优化重复压裂裂缝参数优化三三 * * *井应力场分布井应力场分布u从力学的观点看，裂缝总是产生于强度最从力学的观点看，裂缝总是产生于强度最弱、抗力最小的地方，在地层中裂缝的出现弱、抗力最小的地方，在地层中裂缝的出现也是如此。因此，水力压裂的裂缝方向取决也是如此。因此，水力压裂的裂缝方向取决于地层应力状态，即于地层应力状态，即人工裂缝总是垂直于最人工裂缝总是垂直于最小主应力小主应力。u因此，垂直裂缝井重复压裂前储层中

15、的应因此，垂直裂缝井重复压裂前储层中的应力分布和水平主应力方向，控制着重复压裂力分布和水平主应力方向，控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。裂缝的起裂方位和延伸方向。岩石单元体上的主岩石单元体上的主应力与裂缝方位应力与裂缝方位 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应力模型重复压裂前井的状况可以简化为下图所示的物理模型：一平板中央重复压裂前井的状况可以简化为下图所示的物理模型：一平板中央有一长为有一长为2a的穿透板厚直线状裂纹（可以当作短半轴的穿透板厚直线状裂纹（可以当作短半轴0的椭圆的极的椭圆的极限情形）。限情形）。 三三 * * *井应力场分布井应

16、力场分布该物理模型的边界条件为：该物理模型的边界条件为：axy ，00 xyyp，axy ，000vxy，00022xyyxyx，处：处处处处3.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应力模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布 计算裂纹存在时的诱导应力场属于平面应变问题，根据弹性力学计算裂纹存在时的诱导应力场属于平面应变问题，根据弹性力学理论，应力应变方程为：理论，应力应变方程为：xyxyxyyyxxEEE1111111223.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应力模型式中，式中， 是泊松比。是泊松比。三三 * * *井应力场分布井应力场分布平衡方程取如下形式平衡方程取如下形式：00 xy

17、yxxyyxyx3.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应力模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布 根据弹性力学理论，引入平面问题规律的二维双调和方程和付里根据弹性力学理论，引入平面问题规律的二维双调和方程和付里叶积分变换叶积分变换 ，经过变换就可得到二维垂直裂缝所诱导的应力场为：，经过变换就可得到二维垂直裂缝所诱导的应力场为： 12121cos23sinsin2121212123212rrrprrccrpx诱导12121cos)(23sinsin2121212123212rrrprrccrpz诱导212321223cossinrrccrpxz诱导3.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应

18、力模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布由虎克定律：由虎克定律： zxy诱导p是裂缝面上的压力，是裂缝面上的压力， H是裂缝高度，是裂缝高度， 2/Hc 同时，各几何参数间存在以下关系：同时，各几何参数间存在以下关系：22222122cyxrcyxryxrycxcyxyx/tan/tan/tan121113.1人工裂缝诱导应力模型人工裂缝诱导应力模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型u在油气开采过程中，随着油气的不断采出，导致储层孔隙流体压力在油气开采过程中，随着油气的不断采出，导致储层孔隙流体压力的不断变化。需要考虑多孔介质变

19、形与孔隙流体流动的的不断变化。需要考虑多孔介质变形与孔隙流体流动的耦合作用耦合作用。u一方面要引起岩石骨架一方面要引起岩石骨架应力重新分布应力重新分布，导致储层岩石骨架的变形，导致储层岩石骨架的变形，体积变化，引起岩石特性发生变化，如油藏的物性参数，特别是孔隙体积变化，引起岩石特性发生变化，如油藏的物性参数，特别是孔隙率、渗透率和孔隙压缩系数发生变化；率、渗透率和孔隙压缩系数发生变化；u另一方面，这些变化又反过来影响储层流体在孔隙空间的另一方面，这些变化又反过来影响储层流体在孔隙空间的流动和压流动和压力的分布。力的分布。u由此可以看出，由此可以看出，流体渗流流体渗流和和岩石变形岩石变形相互影响

20、、相互制约，是一个相互影响、相互制约，是一个有机的动态统一体，在开发生产中处于动态平衡。有机的动态统一体，在开发生产中处于动态平衡。 三三 * * *井应力场分布井应力场分布油气井压裂后，孔隙压油气井压裂后，孔隙压力在前次裂缝周围成椭力在前次裂缝周围成椭圆形状分布，随着油气圆形状分布，随着油气生产的进行，孔隙压力生产的进行，孔隙压力在裂缝周围的分布将很在裂缝周围的分布将很不均匀，从而改变了地不均匀，从而改变了地层中裂缝周围的层中裂缝周围的孔隙压孔隙压力梯度力梯度，导致整个储层，导致整个储层内的地应力重新分布。内的地应力重新分布。人工裂缝高导流能力裂缝周围的压力等值线高导流能力裂缝周围的压力等值

21、线 3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布u油气井生产过程中，流体从孔隙中流出，降低了地层孔隙压力，油气井生产过程中，流体从孔隙中流出，降低了地层孔隙压力，储层岩石有发生体积收缩的趋势，因此，储层岩石有发生体积收缩的趋势，因此，岩石体积收缩的趋势转化岩石体积收缩的趋势转化为地应力减小，从而降低了地应力。为地应力减小，从而降低了地应力。u将将流固耦合理论流固耦合理论引入重复压裂井应力场的研究中，研究油井压裂引入重复压裂井应力场的研究中，研究油井压裂后，开采过程中的流固耦合问题，分析在人工裂缝存在的情况下，后，开采过程中的流固耦合问题，分析在人

22、工裂缝存在的情况下，储层的应力应变特征、孔渗特性变化规律、裂缝中流体压力的变化，储层的应力应变特征、孔渗特性变化规律、裂缝中流体压力的变化，以及对应力场变化的影响。以及对应力场变化的影响。3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布应力平衡方程（应力平衡方程（6个方程）：个方程）：31)()(jiijiijijxpx应力应变模型应力应变模型：假设岩石为具有小变形的弹性介质，储集层和流体假设岩石为具有小变形的弹性介质，储集层和流体等温。应力等温。应力应变模型由基于弹性理论的三个基本关系式组成：应变模型由基于弹性理论的三个基本关系式组成：应力应力平衡

23、平衡关系、关系、应变应变-位移位移关系和关系和应变应变-应力应力-压力压力关系。关系。 3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布应变应变-应力应力-压力方程（压力方程（6个方程）：个方程）：)(1kkjjiiiiEjiGijij2应变应变-位移方程（位移方程（6个方程）：个方程）：jiijijjiijxuxu213.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布流体流动模型流体流动模型 ：假设储集岩石为变形多孔介质，在油藏开发生产假设储集岩石为变形多孔介质，在油藏开发生产过程中，储集层和流体等温，油水

24、两相渗流。过程中，储集层和流体等温，油水两相渗流。得到得到储层储层中油水两相的渗流控制方程，中油水两相的渗流控制方程，即流动模型：即流动模型： bofooooobsbcpcotooooooVqpptsVqtcctpcspK)()1 ()/(e油相：油相：3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布bwfwwwwwbsbcpcwtwwwwwwVqpptsVqtcctpcspK)()1 ()/(e水相：水相：3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布裂缝裂缝中油水两相的渗流控制方程：中油水两相的渗流控

25、制方程： fbfofooofooffooofoffoofooVqpptstpcspK)(fbfwfwwwfwwffwwwfwffwwfwwVqpptstpcspK)(油相：油相：水相：水相：3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布基于位移和孔隙压力的控制方程基于位移和孔隙压力的控制方程0)()()(xpxxGuGxuu0)()()(ypyyGuGyuu0)()()(zpzzGuGzuu3.2生产引起的应力变化模型生产引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.3 邻井引起的应力变化模型邻井引起的应力变化模型u油田和实验室大

26、量测试结果表明，油田和实验室大量测试结果表明，井间干扰井间干扰是影响应力重是影响应力重定向的重要因素，邻井对重复压裂井应力分布的影响主要体定向的重要因素，邻井对重复压裂井应力分布的影响主要体现在三个方面：现在三个方面：邻井人工裂缝邻井人工裂缝邻井生产活动邻井生产活动邻井注入活动邻井注入活动 三三 * * *井应力场分布井应力场分布u邻井压裂后产生的人工裂缝产生的诱导应力邻井压裂后产生的人工裂缝产生的诱导应力，改变了邻井周围，改变了邻井周围应力场的分布，进而影响重复压裂井中的应力场；应力场的分布，进而影响重复压裂井中的应力场；计算模型与重计算模型与重复压裂井人工裂缝计算模型相同。复压裂井人工裂缝

27、计算模型相同。u邻井的生产过程中邻井的生产过程中，由于储层中流体流动引起储层中的孔隙压，由于储层中流体流动引起储层中的孔隙压力变化，导致储层岩石收缩或膨胀，从而改变整个储层中应力场力变化，导致储层岩石收缩或膨胀，从而改变整个储层中应力场分布；邻井压裂后生产过程中孔隙压力变化引起储层中应力场变分布；邻井压裂后生产过程中孔隙压力变化引起储层中应力场变化的耦合模型及求解模型，化的耦合模型及求解模型，与重复压裂井的孔隙压力变化和应力与重复压裂井的孔隙压力变化和应力场变化的耦合模型完全相同。场变化的耦合模型完全相同。 3.3 邻井引起的应力变化模型邻井引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应

28、力场分布重复压裂井周围的重复压裂井周围的注水井注入注水井注入也会引起地应力变化，主要体现在两也会引起地应力变化，主要体现在两个方面：个方面：u一方面是一方面是注入水注入水进入储层，增加了孔隙压力，引起地层容胀，产进入储层，增加了孔隙压力，引起地层容胀，产生孔隙弹性应力，从而生孔隙弹性应力，从而增加总应力增加总应力；u另一方面，由于注入水与储层岩石之间存在另一方面，由于注入水与储层岩石之间存在温度温度差，冷流体注入差，冷流体注入地层导致地层温度降低，引起岩石收缩，产生热弹性张应力，地层导致地层温度降低，引起岩石收缩，产生热弹性张应力，降低降低储层中的总应力储层中的总应力。3.3 邻井引起的应力变

29、化模型邻井引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布 下面采用孔隙弹性模下面采用孔隙弹性模型和热弹性模型来计算型和热弹性模型来计算孔隙压力变化引起的孔孔隙压力变化引起的孔隙弹性应力和注入水引隙弹性应力和注入水引起储层温度变化产生诱起储层温度变化产生诱导热弹性应力，其物理导热弹性应力，其物理模型见图模型见图 。 物理模型物理模型 3.3 邻井引起的应力变化模型邻井引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布孔隙压力方程孔隙压力方程04),(pduuegKhQtrpuuf岩石温度岩石温度dszwIeeTTTTrzwas00002)(线性膨胀势能线性膨胀势能 )(1

30、 ()(2100ppTTEkss径向应力径向应力 ),(1121222trprrrdrrwkhrrwhrw切向应力切向应力 rrwkhwhwtrprrrdrr),(12111212223.3 邻井引起的应力变化模型邻井引起的应力变化模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.4 重复压裂井总应力分布模型重复压裂井总应力分布模型u 垂直裂缝井重复压裂前储层应力场分布主要由以下几个部分组垂直裂缝井重复压裂前储层应力场分布主要由以下几个部分组成：成：原地应力、水力裂缝诱导应力、生产过程中引起的应力变化、原地应力、水力裂缝诱导应力、生产过程中引起的应力变化、邻井中人工裂缝产生的诱导应力影响、邻井

31、生产过程中产生的应邻井中人工裂缝产生的诱导应力影响、邻井生产过程中产生的应力变化影响、邻井注入引起的应力变化的影响。力变化影响、邻井注入引起的应力变化的影响。u因此，垂直裂缝井重复压裂前储层因此，垂直裂缝井重复压裂前储层总的应力场大小总的应力场大小为上述各部为上述各部分分应力叠加。应力叠加。 三三 * * *井应力场分布井应力场分布从而得到垂直裂缝井重复压裂前时间和空间上（从而得到垂直裂缝井重复压裂前时间和空间上（x,y,z）的应力变化）的应力变化 ),(),(),(),(tyxtyxtyxtyxHaHpHfH),(),(),(),(tyxtyxtyxtyxhahphfh),(),(),(),

32、(tyxtyxtyxtyxxyaxypxyfxy最大水平主应力变化：最大水平主应力变化：最小水平主应力变化：最小水平主应力变化：剪切应力变化：剪切应力变化：3.4 重复压裂井总应力分布模型重复压裂井总应力分布模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布用用H H表示初始最大水平应力方向（平行于初次裂缝方向，即轴方向）表示初始最大水平应力方向（平行于初次裂缝方向，即轴方向）上的应力，用上的应力，用h h表示初始最小水平应力方向（垂直于初次裂缝方向，表示初始最小水平应力方向（垂直于初次裂缝方向，即轴方向）上的应力，得到垂直裂缝井重复压裂前的即轴方向）上的应力，得到垂直裂缝井重复压裂前的总水平应力

33、场总水平应力场为：为：HHH0hhh03.4 重复压裂井总应力分布模型重复压裂井总应力分布模型 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布初次人工裂缝初次人工裂缝在垂直初始裂缝缝长方向上诱导应力在垂直初始裂缝缝长方向上诱导应力 3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布u张开裂缝诱导应力随着离缝距离变化，离缝越远，张开裂缝诱导应力随着离缝距离变化，

34、离缝越远，诱导应力越小，在一定距离处，诱导应力变为零。诱导应力越小，在一定距离处，诱导应力变为零。u 在垂直初始裂缝缝长方向上，在垂直初始裂缝缝长方向上，初始最大水平主应力初始最大水平主应力方向上的诱导应力小于初始最小水平主应力方向上的方向上的诱导应力小于初始最小水平主应力方向上的诱导应力。诱导应力。3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布生产引起生产引起的垂直初次裂缝方向上的水平应力变化的垂直初次裂缝方向上的水平应力变化 3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布u在时间上，生产

35、初期，由于生产速度快，孔隙压力在时间上，生产初期，由于生产速度快，孔隙压力下降幅度大，引起应力变化幅度最大，生产时间增加下降幅度大，引起应力变化幅度最大，生产时间增加到一定程度后，应力随时间的变化不再明显，仅仅随到一定程度后，应力随时间的变化不再明显，仅仅随着空间距离变化；着空间距离变化；u在垂直于初始裂缝缝长方向上，在垂直于初始裂缝缝长方向上，初始最大水平应力初始最大水平应力方向上应力下降的速度大于初始最小水平应力方向上方向上应力下降的速度大于初始最小水平应力方向上的应力下降。的应力下降。3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布邻井人

36、工裂缝邻井人工裂缝在垂直初始裂缝缝长方向上诱导应力在垂直初始裂缝缝长方向上诱导应力 3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布邻井生产邻井生产引起重复压裂井应力变化引起重复压裂井应力变化 3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布注水井注入注水井注入引起重复压裂井的诱导应力引起重复压裂井的诱导应力 3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布u注入引发的应力变化井眼处应力变化最大，随着距井眼注入引发的应力变化井眼处应力变化最大，随

37、着距井眼距离的增加，诱导应力值逐渐降低，到一定距离后逐渐为距离的增加，诱导应力值逐渐降低，到一定距离后逐渐为零；零； u在初始最大水平应力方向和初始最小水平应力方向上的在初始最大水平应力方向和初始最小水平应力方向上的应力变化具有相似的特点，但最小水平主应力方向上的应应力变化具有相似的特点，但最小水平主应力方向上的应力变化比最大水平主应力方向上的应力变化大。力变化比最大水平主应力方向上的应力变化大。3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三 * * *井应力场分布井应力场分布 水平总应力场预测图水平总应力场预测图3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 三三

38、* * *井应力场分布井应力场分布从预测的总应力图上可以看出，从预测的总应力图上可以看出，*井在各种因素综井在各种因素综合作用下其地应力场发生了合作用下其地应力场发生了应力重定向应力重定向，具有高应，具有高应力差异地质特征力差异地质特征 ，因此地应力只是在近井地带，因此地应力只是在近井地带15米米的范围内发生转向，然后超过这个范围应力逐渐恢的范围内发生转向，然后超过这个范围应力逐渐恢复到初始应力水平。复到初始应力水平。3.5 重复压裂井应力场模拟计算重复压裂井应力场模拟计算 重复压裂新裂缝起裂及延伸机理重复压裂新裂缝起裂及延伸机理四四 * * *井重压新裂缝延伸轨迹预测井重压新裂缝延伸轨迹预测

39、 根据弹性力学理论和岩石破裂准则，裂缝总是沿着垂直于最小水根据弹性力学理论和岩石破裂准则，裂缝总是沿着垂直于最小水平主应力方向起裂，因此，重复压裂井中的应力场分布决定了新裂平主应力方向起裂，因此，重复压裂井中的应力场分布决定了新裂缝的起裂位置和方位、新缝延伸方向缝的起裂位置和方位、新缝延伸方向u井眼（井眼（x=0,y=0）处的诱发应力场分布特征，决定了重复压裂是否）处的诱发应力场分布特征，决定了重复压裂是否在井眼处产生新裂缝。在井眼处产生新裂缝。u垂直初次裂缝缝长方向（垂直初次裂缝缝长方向（x=c,c为常数，表示在轴上点处发生了应为常数，表示在轴上点处发生了应力重定向，对于井眼处为力重定向，对于井眼处为x=0）上的应力变化，决定着重复压裂新裂）上的应力变化，决定着重复压裂新裂缝延伸规律和新裂缝的延伸长度。缝延伸规律和新裂缝的延伸长度。 初始裂缝缝长方向上某点处起裂产生新裂缝的最佳时机初始裂缝缝长方向上某点处起裂产生新裂缝的最佳时机 四四 * * *井重压新裂缝延伸轨迹预测井重压新裂缝延伸轨迹预测井眼处起裂产生新裂缝的最佳时机井眼处起裂产生新裂缝的最佳时机), 0 , 0()0 , 0(), 0 , 0()0 , 0(min0minmax0maxttHHHH), 0 ,()0 ,(), 0 ,()0 ,(min0minmax0maxtxxtxxHHHH重复压裂的最佳时机重复压裂