体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究

Unconventinal Fracture Model 非常规裂缝模型
-5-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
2）体积压裂复杂裂缝模拟研究
非常规裂缝模型 模型特点
需根据地质、地震、测井 等预先得到天然缝的长度、 方位、力学参数等参数。 基于微地震数据拟合缝网 几何尺寸及缝内净压力。
考虑不同物性天然裂缝影 响，能较为精确计算缝网尺 寸及复杂程度，但天然缝多 时模拟难度及工作量较大。
适当的地应力条件，是形成复杂裂缝网络的有利条件。
（5）天然裂缝
存在天然裂缝是形成复杂缝网的充分条件。 天然缝发育状况、几何尺寸、空间位置决定分支缝的起裂和延伸情况。 大量的天然缝存在，滤失大，需要液量大、排量大（国外页岩气压裂 单段使用液量达到7000m3，排量达到21m3/min）。
-12-
2、近井径向缝网形成分析
-7-
正交线网模型模拟方法
汇 报 内 容
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟
三、结论及建议
-8-
1、体积压裂改造的储层条件分析
（1）地质构造
褶皱构造：由轴部向两翼发育天然裂缝的可能性越来越小。 断层构造：断面附近受到挤压更强，应力更大，天然裂缝越发育。
-9-
1、体积压裂改造的储层条件分析
并作为裂缝进一步延伸计算的初始点，交点越多（缝网越复杂）其模拟
难度更大。
目前的压裂理论难以兼顾多缝同时延伸模拟和单缝几何尺寸计算。
-29-
汇 报 内 容
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟
三、结论及建议
-30-
三、结论及建议
1.进一步调研国内外体积压裂研究现状，总结形成复杂裂缝网络需 具备的基本地质参数条件范围，探索适宜我国压裂开发的关键技术。 2.开展适宜体积压裂的井位/层系定量优选技术研究，提高压裂的针 对性和有效性。
不同模式下破裂压力变化趋势
裂缝性地层典型压裂施工曲线
-14-
2、近井径向缝网形成分析
2）近井径向缝网形成影响因素分析
导致井底压力升高的其他因素
射孔摩阻
裂缝面粗糙度
井筒憋压
-15-
3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究
复杂裂缝网络形成过程：
主缝穿透分支缝并延伸 分支缝延伸 （延伸判定） 分支缝延伸 分支缝中某一薄弱位置延伸 压裂施工 形成人工主缝 沟通天然缝
非常规裂缝模型模拟方法
-6-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
2）体积压裂复杂裂缝模拟研究
正交线网模型
模型特点
根据微地震数据点密度、 地质及测井等数据用于调整 正交天然缝间距。 通过调整σH拟合缝网基 本几何尺寸。 调整裂缝（裂缝沿水平 主应力方向且正交分布）相 互间距和粗糙因子拟合缝内 净压力。 缝网整体为椭圆状、裂 缝形态规则，但缝网尺寸与 微地震数据拟合难度大。
Δσ=2 MPa
水平应力差大，延伸压力大，分支缝不易扩展
-23-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
延 伸 所 需 净 压 力 （ ）
MPa
Pfnet=5MPa
Pfnet=2MPa
压裂施工的实际净压力越高，延伸压力越高
-24-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
延 伸 压 力 （ ）
MPa
KIC=1.2MPa•(m)0.5 断裂韧性越大，延伸压力越大
-3-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
1）体积压裂基础理论研究
②水力压裂缝与天然缝相交后，分支缝起裂与延伸特征将决定裂缝 网络几何尺寸及复杂程度。
受力分析
测试设备
实验结果
-4-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
2）体积压裂复杂裂缝模拟研究
①体积压裂复杂裂缝模型介绍。
Wire-mesh Model 正交线网模型
θ
σ τ
r
θ r
max
3 1 cos 0 KⅠ cos 2 0 KⅡ sin 0 2 2 2 2 2 r
裂纹尖端
θ
r0
X
-18-
4、缝网压裂复杂裂缝延伸数学模型研究
1）模型概述
缝 网 压 裂 复 杂 裂 缝 延 伸 数 学 模 型 连续性方程 压降方程
第 条 分 支 缝 动 态 延 伸
Y
第 条 分 支 缝 动 态 延 伸
Y
第 条 分 支 缝 动 态 延 伸 计 算 相 交 点 处 新 的 参 数
M
Z
1
相交判定
相交判定
N
N
分支缝与天然 缝相交判定 N
Y
交点处流量、压力动态 分配计算较为困难。
-20-
计算分支缝及主缝起裂和延伸
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
（2）储层物性特征
石英含量 较高时， 可以适当 放宽粘土 含量的限 制。
美国成功实施体积压裂案例的矿物成分分析
-10-
1、体积压裂改造的储层条件分析
（3）岩石力学特征
杨氏模量较高 、泊松 比较低的地层脆性强， 天然缝较为发育 ，且
易发生断裂。
-11-
1、体积压裂改造的储层条件分析
（4）地应力状况
5.开展复杂裂缝网络形成控制技术，包括储层天然裂缝评价方法，提 高缝内净压力的暂堵/封堵技术，加密射孔技术，优化射孔参数等研究。
6. 在基于体积压裂产能预测的基础上，探索性的开展以压后产量的 变化模拟反演复杂缝网几何尺寸的研究，为压裂效果评价提供创新性思 路和研究方法。
-32-
汇报完毕 敬请批评、指正！
方 向
方 向
方 向
(m)
(m)
X方向(m) t=40min
X方向(m) t=60min
X方向(m) t=80min
σh σH
σh σH
σh σH
Y
Y
方 向
方 向
方 向
(m)
(m)
X方向(m) t=105min
X方向(m) t=135min
X方向(m) t=175min
-27-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究
西南石油大学
2013年7月
-1-
主 要 内 容
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
二、起裂与延伸力学分析和复杂裂缝数值模拟
三、结论及建议
-2-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
1）体积压裂基础理论研究
①体积压裂基本含义（狭义）：采用水平井多段压裂，在水平井段上 形成多条人工主缝；通过开启和扩展天然裂缝，并实现各分支缝的相互沟 通，以形成的复杂裂缝网络在更大的储集空间内扩大泄油面积，提高低渗、 超低渗储层导流能力。 矿井实拍图 室内试验结果 数值模拟
拟三维 Palmer模型
数值计算方法
理论基础
变换自变量 Stenffensen方法 预报—校准方法
裂缝宽度方程
裂缝高度方程
起裂与延伸判定准则
数值解法概述：以压力作为自变量，结合天然缝起裂及延伸判断准则，改 进裂缝几何尺寸迭代算法，加快收敛速度。 求解的局部优化处理
①Stenffensen方法 ②预报—校准方法
-28-
5、体积压裂复杂裂缝延伸数学模型研究
3）复杂裂缝网络模拟计算难点
天然裂缝的条数、分布密度、物性参数的非均质性将使得分支裂缝起裂
与延伸计算更加困难。
当多条分支缝同时开启和扩展时，对每条裂缝几何尺寸的计算将使得模
拟难度和计算量大幅增加。
当分支缝间互相沟通时，其相交点处的流量、压力等参数将重新分配和
夹角变化范围 0≤α≤90° ╳ ╳ 任意两个主应力方向上的应力差 ↘ ↗ √ √ 假设为圆片状裂缝 ↘ ↗ ╳ √ 延伸净压力随缝内实际压力变化 ↘ ↗ ╳ ╳ 计算中将断裂韧性设为定值
夹角
地应力差
裂缝半径
缝内实际压力
岩石断裂韧性
↘ √ √
-26-
σh σH
σh σH
σh σH
Y
Y
Y (m) (m) Y
1）近井径向缝网形成原理
当孔眼与天然缝随机相交，由于沿天然缝剪切及张性破裂压力低于岩 石本体破裂压力；并且不同井筒方位角下，孔眼上破裂压力值差减小，导 致近井径向多裂缝的产生成为可能。
近井径向缝网示意图
-13-
2、近井径向缝网形成分析
2百度文库近井径向缝网形成影响因素分析
井周存在多个破裂压力相近的等效破裂点 裂缝延伸压力高于破裂压力，井底压力升高促使等效破裂点起裂延伸
延 伸 所 需 净 压 力 （ ）
延伸净压力随裂缝半径增大而减小；夹角对延伸净压力影响较小。
MPa
-22-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
裂 缝 半 径
延 伸 所 需 净 压 力 （ ）
裂 缝 半 径
a(m)
a(m)
MPa
裂缝面法线与X轴夹角α (°)
裂缝面法线与X轴夹角α (°)
Δσ=5 MPa
分支缝起裂 （起裂判定）
分支缝
天然缝
实拍图
示意图
-16-
3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究
1）裂纹扩展形式 按裂纹的几何特征可分为穿透裂纹、表面纹和埋深纹 。
裂纹的扩展形式包括Ⅰ型、 Ⅱ型和Ⅲ型裂纹。
σ



(a)
(b)
(c)
σ
(a) (b) (c)
(a)穿透纹 (b)表面纹 (c)埋深纹
(a) Ⅰ型（张开型）裂纹 (b) Ⅱ型（滑开型）裂纹 (c) Ⅲ型（撕开型）裂纹
KIC=0.8MPa•(m)0.5
-25-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
影响参数 参数变化趋势 延伸及起裂趋势 备注
复合型裂缝起裂与延伸 判定准则
↗：参数值增大 ↘：参数值减小 √：有利于分支缝起裂或延伸
延伸趋势
起裂趋势 √
╳：不利于分支缝起裂或延伸
裂缝面法线与X轴
↗ ↘ ↗
√ ╳ ╳ √ √ ╳ √ ╳ ╳
-33-
1）裂缝延伸角变化关系
60
延伸角θ 0 (°)
水平地应力相等， 延伸角不受缝内净 压影响。
-90 -70 -50 -30
40 20 0 -10 -20 -40 10 30 50 70 90
-60 裂缝面法线与X轴夹角α (°) 延伸角θ 0（σ 1-σ 3=0Mpa/Pnet=5Mpa） 延伸角θ 0（σ 1-σ 3=5Mpa/Pnet=5Mpa） 延伸角θ 0（σ 1-σ 3=10Mpa/Pnet=5Mpa）
-17-
3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究
2）复合型裂纹的起裂与延伸判定准则 复合型裂缝的起裂判定准则：(Warpinski & Teufel 1987)
p f n 1 cos 2 2 cos 2 3 cos 2 +T0
Y σ
复合型裂缝的延伸判定准则：(最大周向应力 理论-Erdogan)
-19-
4、体积压裂复杂裂缝延伸数学模型研究
输入模拟时间点t 输入初始参数 计算人工主缝动态延伸尺寸 计算相交点处新的参数，作为相交 后继续起裂和延伸的初始值
计算特点：
增加分支缝 计算模块
①每条天然缝都需分配新的 计算模块，天然缝越多，计 算越复杂； ②对每条缝都需进行相交判 定，并在节点处重新分配计 算参数，缝网越复杂，计算 量越大；
排量：3m3/min 应力差：2MPa
1# 4#
σ
h
σ
H
排量：1.5m3/min 应力差：5MPa
1# 4#
σ
h
σ
H
2#
3#
2#
3#
t=45min
t=45min
①参数变化（排量降低、应力差增加）使得延伸的分支缝不能与2#天然缝相 交，难以沟通天然缝为裂缝网络的形成提供客观条件。 ②即使储层具有天然缝 ，在地应力变化剧烈（应力差较大）或者是施工参数 变化（排量较小）时，也不一定会形成裂缝网络。
3.深入开展水力压裂物理现象的科学探讨。 物理现象
工程实际 近海工程 石油工程 流固耦合 水利工程 船舶工程 研究方法 有限元
…
水力压裂 …
边界元 无网格方法 ALE方法
-31-
…
…
三、结论及建议
4.基于复杂裂缝网络尺寸，建立缝网压裂产能预测模型，优化压裂 施工参数，提高体积压裂设计和施工的科学性。
净压力增加， 延伸角变小
延伸角θ 0（σ 1-σ 3=0Mpa/Pnet=2Mpa） 延伸角θ 0（σ 1-σ 3=5Mpa/Pnet=2Mpa） 延伸角θ 0（σ 1-σ 3=10Mpa/Pnet=2Mpa）
应力差增加，延伸角增大。
-21-
5、体积压裂复杂裂缝延伸结果分析
2）裂缝延伸压力变化关系