重复压裂裂缝转向机理及储层评价方法_李士斌

断块油气田2014年5月
Fracture reorientation mechanism of refracturing and reservoir evaluation methods
Li Shibin,Wang Changhao,Zhang Ligang (Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)
Abstract:The mechanical properties of reservoir will produce certain effect on the fracture development of refracturing.In order to improve the production effect of refracturing,using the simulation and calculation of the finite element analysis software Comsol and combined with the fluid -solid coupling theory,some parameters such as ground stress deviation are analyzed and the influence law of various factors on the fracture reorientation is ing the orthogonal experiment method,multi -factor analysis is conducted and the influence weight of various factors is determined,then the forecasting model for the fracture reorientation distance of refracturing can be bined with the relationship models between reorientation distance built on rock mechanics parameters and reservoir physical property parameters of the concrete blocks and various factors and the evaluation chart,the feasibility of refracturing on the target area has a certain guiding significance.
Key words:refracturing;fracture reorientation distance;fluid -solid coupling;numerical simulation of finite element;influence factor
重复压裂裂缝转向机理及储层评价方法
李士斌，王昶皓，张立刚
（东北石油大学，黑龙江大庆163318）
基金项目：国家自然科学基金项目“基于应力￣渗流￣损伤多场耦合的清水压裂机理及储层筛选研究”（51274069）摘
要
储层的力学特性对重复压裂的裂缝发育有一定的影响。

为提高重复压裂的生产效果，利用Comsol 有限元分析软
件模拟计算，结合流固耦合理论，对地应力偏差等参数进行分析，确定各因素对裂缝转向的影响规律。

利用正交试验法，进行多因素分析，确定各因素的影响权重，得到重复压裂裂缝转向距离的预测模型。

结合具体区块的岩石力学参数和油层物性参数建立的转向距离与各因素的关系模型和评价图版，对目标区域重复压裂的可行性有着一定的指导意义。

关键词
重复压裂；裂缝转向距离；流固耦合；有限元数值模拟；影响因素
中图分类号：TE357
文献标志码：A
收稿日期：2013￣12￣01；改回日期：2014￣02￣10。

作者简介：李士斌，男，1965年生，教授，2006年毕业于东北石油
大学石油工程专业，获博士学位。

现从事油气井工程学科的教学科研和指导研究生工作。

E -mail ：dqsyhuxinlei@ 。

低渗透油藏进入中、高含水期开发阶段后，重复压裂是该类油藏综合治理、控水稳油的重要组成部分［1］。

影响重复压裂井应力场发生变化的因素很多［2￣4］，充分考虑并系统研究了影响油气井重复压裂前应力变化的各种因素，建立了基于应力场和渗流场耦合的地应力场计算模型［5￣6］。

通过分析地应力偏差、岩石力学参数、生产压差、裂缝长度、裂缝宽度、渗透率等因素对重复压裂转向范围的影响规律，最终得到诱导应力场转向距离的计算模型。

1流固耦合分析
探究流固耦合的基本原理需要从计算流体力学和
计算固体力学着手。

1.1流体控制方程
流体流动要遵循物理守恒定律，对于一般的可压
缩牛顿流来说，守恒定律通过如下控制方程描述。

质量守恒方程：
坠ρf +▽（ρf
v ）=0
（1）
动量守恒方程：
坠ρf v 坠t
+▽（ρf V v -τf ）=f
f
（2）
式中：t 为时间，s ；V 为体积，m 3；f 为体积力矢量，N ；ρf 为流体密度，kg/m 3；v 为流体速度矢量，m/s ；τf 为剪切力张量，N/m 2。

引用格式：李士斌，王昶皓，张立刚.重复压裂裂缝转向机理及储层评价方法［J ］.断块油气田，2014，21（3）：364￣367.
Li Shibin ，Wang Changhao ，Zhang Ligang.Fracture reorientation mechanism of refracturing and reservoir evaluation methods ［J ］.Fault -Block Oil &Gas Field ，2014，21（3）：364￣367.
doi:10.6056/dkyqt201403023
第21卷第3期断块油气田
FAULT -BLOCK OIL ＆GAS FIELD
第21卷第3期
1.2固体控制方程
固体部分的守恒方程可以由牛顿第二定律导出：
ρs d s=▽σs+f s（3）式中：ρs为固体密度，kg/m3；d s为固体域当地加速度矢量，m/s2；σs为柯西应力张量，N/m2；f s为体积力矢量，N。

1.3流固耦合方程
同样，流固耦合遵循最基本的守恒原则，在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力（τ）、位移（d）、热流量（q）、温度（T）等变量的相等或守恒，联立上述控制方程便可得到流固耦合分析所采用的基本控制方程。

通过流固耦合的分离解法，分析重复压裂裂缝转向距离的各影响因素。

2物理模型
根据前人研究［7￣11］，当重复压裂井井筒及裂缝周围的应力发生重定向（最大最小主应力发生90°转向）时进行重复压裂，重复压裂新裂缝将可能垂直于初次裂缝缝长方向起裂和延伸，一直延伸到椭圆形的应力重定向边界处（应力各向同性点），超过应力各向同性点后，应力场方向恢复到初始应力状态，重复压裂新裂缝将逐渐重新转向到平行于初次裂缝缝长方向继续延伸；如果应力没有再次发生转向，则裂缝继续向前延伸。

通过Comsol软件建立实体模型，经过计算后得到原地应力场最大主应力的大小及分布。

首先建立一个1000m×1000m的平板地层，厚度为20m，在地层周围加入不同大小的边界载荷，选取中心200m×200m 的地层作为具体观测对象。

模型具体参数为最大水平主应力32MPa，最小水平主应力26MPa，井眼直径0.2159m，原始地层压力17.5MPa，地层渗透率0.9×10￣3μm2，弹性模量9657.8MPa，泊松比0.21，初次裂缝长度70m，初次裂缝宽度0.002m，生产压差6MPa，得到地层最大水平主应力分布情况见图1。

图1原始最大主应力大小及方向分布3裂缝转向影响因素分析
根据原始地应力的分布情况可以判断初次压裂的裂缝延伸方向［12￣15］。

在上述Comsol建立的模型基础上，单因素分析地应力差、岩石力学参数、生产压差、裂缝长度、裂缝宽度、渗透率等因素对重复压裂转向范围的影响规律。

3.1单因素分析
首先将模型中最小水平主应力大小设定为26 MPa，且保持不变，依次改变最大水平主应力的值为29，32，35，38MPa。

应力差从3~12MPa时，重复压裂裂缝转向变化情况如图2、图3所示，转向距离见图4。

图2应力差为3MPa时转向情况
图3应力差为12MPa时转向情况
图4地应力差的影响规律
李士斌，等.重复压裂裂缝转向机理及储层评价方法
365
断块油气田2014年5月
由图4可知，重复压裂转向距离随着地应力偏差的增大而减小。

用同样方法模拟其他因素对重复压裂的影响，初始缝宽影响很小，其他结果如图5—8所示。

图5生产压差的影响规律
图6初始缝长的影响规律
图7渗透率的影响规律
图8泊松比的影响规律
由图4—8可知，重复压裂转向距离随地应力差、渗透率和岩石的泊松比增大而减小，呈指数关系；随生产压差和裂缝长度增加而增大，呈幂函数关系。

3.2多因素分析
以诱导应力场转向距离为评价指标，结合各影响因素设计正交试验表，进行多因素分析。

其中每个因素设置4个值，利用有限元模拟方法，计算16个方案下的诱导应力场转向距离，得到正交试验表。

通过正交试验计算所得各影响因素的均值和极差如表1所示。

极差值越大，说明该因素的影响权重越大。

因此，由正交试验表可知各因素影响主次顺序为：生产压差、缝长、泊松比和渗透率。

表1正交试验结果
3.3诱导应力场转向距离计算模型
根据单因素分析结果，建立重复压裂转向距离预测模型：
L z=f e（a△σ-dK-gμ）△p b L c（4）利用正交多因素模拟结果，进行多元回归求得各系数，建立转向距离预测模型。

L z=6.6459e（-0.1803△σ-0.0485K-2.8534μ）△p0.4978L f0.5139（5）
式中：L z为重复压裂裂缝转向距离，m；△σ为地应力差值，MPa；K为地层渗透率，10-3μm2；μ为泊松比；△p为生产压差，MPa；L f为初次裂缝长，m；a，b，c，d，g均为数学模型的系数。

该模型具有普遍性和通用性。

公式结合正交试验所得到的各影响因素对裂缝转向距离的影响权重，综合考虑了不同地层中地应力差、生产压差、缝长、泊松比和地层渗透率等因素的差异，适用于各类地层。

3.4重复压裂转向距离评价图版
依据重复压裂转向距离预测模型，结合海拉尔贝14区块兴安岭层的岩石力学参数和油层物性参数，建立了地应力差值、初次裂缝长度和生产压差影响下的裂缝转向距离评价图版（见图9）。

均值和
极差
地应力差/
MPa
生产压差/
MPa
缝长/
m
渗透率/
10￣3μm2
泊松比均值148.2015.15019.32529.20030.275
均值231.9023.70027.57526.60029.070
均值316.9531.32529.40025.57523.150
均值48.4035.27532.15024.07522.950
极差39.8020.12512.825 5.1257.325
366
第21卷第3期
a生产压差3MP a
b生产压差9MP a
图9不同生产压差下重复压裂裂缝转向距离评价
利用上述重复压裂裂缝转向距离评价图版，结合该区块的地应力差值的分布情况，在图版内沿着地应力偏差值作铅垂线交于初次人工裂缝缝长等值线，交点对应的纵坐标即为重复压裂裂缝转向距离。

这样便可以初步评断重复压裂造新缝的可行性，并可根据目标转向距离优化初次人工裂缝长度和生产压差等参数。

其他区块在已知地应力和岩石力学参数的情况下，借鉴该方法，也可以建立相应的图版指导生产。

4结论
1）重复压裂新裂缝转向距离影响因素主要有水平地应力差、生产压差、缝长、泊松比和渗透率，且影响程度依次减小。

缝宽对裂缝转向影响不大。

2）重复压裂转向距离随地应力差、渗透率和岩石的泊松比增大而减小，呈指数关系；随生产压差和裂缝长度增加而增大，呈幂函数关系。

3）运用多元统计分析方法，建立了重复压裂裂缝转向距离评价模型，该模型具有普遍性和通用性。

4）以该模型为基础，建立了对海拉尔贝14区块兴安岭群的裂缝转向距离评价图版，可以评价重复压裂的可行性，优化施工参数。

参考文献
［1］王志刚，孙玉玲．影响低渗透油田重复压裂效果的研究［J］．石油学报，1990，11（3）：50￣58.
［2］张丁涌，赵金洲，赵磊，等.重复压裂造缝的应力场分析［J］.油气地质与采收率，2004，11（4）：58￣59.
［3］董光，邓金根，朱海燕，等.重复压裂前的地应力场分析［J］.断块油气田，2012，19（4）：485￣492.
［4］Shaefer M，Services B J.Awakening an old field：A case study of a refracturing program in the Greater Green River Basin［R］.SPE 101026，2006.
［5］余浩，曾永清.流固耦合作用综述［J］.西部探矿，2008，19（2）：44￣
47.
［6］杨凯，郭肖，廖敬，等.低渗透气藏流固耦合综合数学模型［J］.特种油气藏，2008，15（3）：76￣79.
［7］邓燕，赵金洲，郭建春.重复压裂工艺技术研究及应用［J］.天然气工业，2005，25（6）：67￣69.
［8］张广清，陈缅，王立群，等.最优重复压裂时机模型及模拟软件开发［J］.石油钻采工艺，2008，30（4）：53￣57.
［9］Lewis R W，Sukirman Y.Finite element modeling of three phase flow in deforming saturated oil reservoirs［J］.Int J Num Anal Methods Geomech，1993，17（8）：577￣598.
［10］达引鹏，赵文，卜向前，等.低渗透油田重复压裂裂缝形态规律研究［J］.断块油气田，2012，19（6）：781￣784.
［11］银本才，杜卫平，陈小新.重复压裂技术研究与应用［J］.断块油气田，2001，8（2）：54￣57.
［12］杨宇，郭春华，康毅力，等.重复压裂工艺在川西致密低渗气藏中的应用分析［J］.断块油气田，2006，13（4）：64￣66.
［13］段银鹿，李倩，姚韦萍.水力压裂微地震裂缝监测技术及其应用［J］.
断块油气田，2013，20（5）：644￣648.
［14］邓燕.重复压裂压新缝力学机理研究［D］.成都：西南石油学院，2005.
［15］曾雨辰.转向重复压裂技术研究与应用［D］.成都：西南石油学院，2005.
（编辑赵旭亚）
李士斌，等.重复压裂裂缝转向机理及储层评价方法367。