页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)

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水平井多级压裂技术是页岩储层开发的关键 技术,长水平井段、多级水力压裂使页岩储层能够 形成多条压裂裂缝,可以增大页岩储层与井筒的渗 流通道[4]。目前常见的页岩水平井压裂主要有 4 种。
(1) 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技 术[5 - 6]。该技术是国内外常用的页岩储层水力压
收稿日期:20131204;改回日期:20140519 基金项目:国家自然科学基金“页岩气储层低频脉冲水力压裂增渗机理研究”(51304258) ;“863 计划”页岩气勘探开发新技术“页岩气压裂裂缝微地震监
图 3 边界元模拟的水平井多段压裂裂缝扩展结果
边界元法能够很好地处理复杂缝网的裂缝扩 裂缝间的相互干扰作用,根据判断准则判断裂缝扩
展问题,并且处理比较简单,但是,该方法模拟流固 展路径及扩展长度,利用三维的裂缝高度方程和支
耦合的过程难度大。因此,如何考虑孔隙压力条件 撑剂的沉降方程,计算裂缝的宽度和支撑剂的分布
1. 3 页岩储层多井同步压裂技术
同步压裂技术即同时在相隔不远的 2 口井或 多口井进行多套车组的水力压裂,压裂过程中,压
无法堵水以致影响整体产能。 (4) 水平井水力喷射分段压裂技术[9 - 11]。该
技术利用水力喷射工具进行分段压裂,无需封隔器 和桥塞等封隔工具,是综合射孔、压裂、封隔为一体 的新型增产改造技术。优点:封隔效果好、定位准 确、适用范围广、埋砂和砂卡风险低、针对性和可控
储层体积压裂值得关注的研究方向。 2 页岩储层水力压裂模拟方法 2. 1 水力压裂室内实验模拟
裂缝失效,降低产量。页岩储层由于存在大量的吸 附气,采收时间较长,压裂裂缝的失效会降低储层
利用人造试件或天然露头,加工成一定尺寸且 中间装有流体注入井筒的立方体试件,然后把试件
的采收率,因此需要对页岩储层进行重复压裂,以 装入大尺寸真三轴实验系统中,加载三向主应力,
第4 期
潘林华等:页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展
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中石油勘探开发研究院、中石油勘探开发研究院廊 岩压裂裂缝的形态,但是由于试件尺寸以及实验仪
坊分院都自行设计了水力压裂裂缝扩展模拟实验 器的限制,室内实验难以真实的模拟储层实际条件
仪器,实验试件尺寸为 0. 3 ~ 1. 0 m。 国外对页岩储层水力压裂裂缝扩展室内实验
DOI:10. 3969 / j. issn. 1006 - 6535. 2014. 04. 001
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展
潘林华1,2,3 ,程礼军1,2,3 ,陆朝晖1,2,3 ,岳 锋1,2,3
(1. 国土资源部页岩气资源勘查重点实验室 重庆地质矿产研究院,重庆 400042; 2. 重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心 重庆地质矿产研究院,重庆 400042;
od - XFEM)
扩展有限元法建立在常规有限元方法的理论
基础上,保留了常规有限元法的优点。两者的区别 在于:①网格与结构内部的几何或物理界面无关;
②克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区 进行高密度网格剖分所带来的困难;③模拟裂纹扩 展时,无需对网格进行重新剖分。
Dahi Taleghani[17]利用扩展有限元法进行了页 岩储层天然裂缝条件下的水力压裂裂缝扩展模拟,
保证产能和提高采收率。重复压裂形成新的压裂 利用中间井筒进行液体注入,直至裂缝延伸到试件
裂缝,新压裂裂缝可能与旧压裂裂缝沟通,形成更 边界。实验过程中利用声发射仪器动态监测裂缝
复杂的裂缝网络,进而提高裂缝的导流能力,以尽 扩展特征,实验后利用高能 CT 扫描或者直接敲开
可能低的成本,恢复页岩气井的产量,甚至可能提 试件进一步评价压裂裂缝的分布情况,能够准确地
Leabharlann Baidu
高产量。 页岩储层 重 复 压 裂 最 先 出 现 于 美 国, Barnett
页岩对以前采用凝胶压裂的页岩气井择优采取了 重复压裂增产措施,增产效果明显,有些页岩气
认识页岩储层水力压裂裂缝扩展机理。 国外哈里伯顿研发中心、荷兰 Delft 大学、澳大
利亚西南威尔士大学、美国 TerraTek 公司[16]及国 内中国石油大学( 北京) 、中石化勘探开发研究院、
3. 油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心,重庆 400042)
摘要:页岩储层低孔低渗,水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施,压裂 缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行 了调研和分析,得出以下结论:①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法, 但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程;②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展 模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟 方法,但各种方法都有其优缺点和适用性,需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂 缝扩展;③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成,天然裂缝与水平 最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大,复杂裂缝网络形成难度越大;天然裂缝与水平 最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小,越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为 页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词:页岩气;水平井;水力压裂;压裂技术;裂缝扩展;室内实验;数值模拟 中图分类号:TE357 文献标识码:A 文章编号: 1006 - 6535(2014)04 - 0001 - 06
逐年减少。
确掌握页岩气井的生产情况和裂缝状况,把握重复
(3) 水平井膨胀式封隔器分段压裂技术[8]。 压裂时机,才能最大限度地提高重复压裂的效果。
该技术主要通过遇油或遇水膨胀的封隔器进行坐 封,其核 心 是 遇 油 或 遇 水 膨 胀 封 隔 器 的 研 制。 优 点:可靠性高,成本和作业风险低,压后转入试油投 产快;缺点:压裂打滑套风险大,压裂后无法解封,
井在重复压裂后产量甚至超过初次压裂的产 量[12 - 13]。重复压裂目前被广泛用于老井和初次压
染低、不易砂堵;缺点:施工步骤复杂,施工周期长, 施工成本高,可能出现桥塞钻不进或桥塞泵送遇堵 情况。
(2) 水 平 井 多 级 滑 套 封 隔 器 分 段 压 裂 技 术[5,7]。该技术国内应用较少,主要采用井口落球 系统操控滑套、用机械或压力坐封的机械式封隔器 坐封。优点:压裂层段选择性强,工序步骤简单,施 工速度快,成本低;缺点:井下工具性能要求高,砂 堵风险大,工艺复杂。该技术在页岩压裂中的应用
裂效果 不 佳 的 页 岩 气 井,均 取 得 较 好 的 效 果。 Barnett 页 岩 某 水 平 井 重 复 压 裂 前 产 气 量 约 为 1 700 m3 / d,进行二段重复压裂后,初期产量约 为 4 530 m3 / d,1 a 后产气量为 2 800 m3 / d,增产 效果明显; 另外某页岩气水平井初次压裂后产量 衰减快,初次压裂 2 a 后,产气量由 5 600 m3 / d 下降到 1 415 m3 / d,进行了三段重复压裂后,产 气量增加到 3 400 m3 / d,1 a 后的产气量基本稳定 在 3 000 m3 / d。对页岩气井进行重复压裂,需要准
扩展有限元法继承了常规有限元法的优点,能 域边界上离散求近似解的一种数值方法,具有如下
够方便地进行模拟和描述裂缝,计算过程中无需进 特点:①主要在区域边界进行离散,降低了求解问题
行网格重划分,计算速度较快,是今后页岩储层压 的维数,显著降低了未知量数目,可大大节省计算时
裂裂缝扩展模拟的重要方法之一。
压裂的裂缝扩展模型,图 3 是不同水平主应力差条 平行或者角度较小时,容易形成缝网;③压裂裂缝
件下的裂缝展布形态。通过模拟发现:①天然裂缝 内静压力越大,越容易形成复杂的网络裂缝;④水
不发育,压裂过程中容易形成两翼缝,但是压裂裂 平主应力差越大,压裂裂缝形成缝网的难度越大,
缝间可能由于干扰而发生转向;②天然裂缝分布方 压裂裂缝相对平直。
测技术研究”(2013AA064503) 作者简介:潘林华(1982 - ) ,男,工程师,2006 年毕业于中国石油大学( 北京) 土木工程专业,2013 年毕业于该校油气田开发工程专业,获博士学位,现主要
从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。
2
特种油气藏
第 21 卷
裂技术之一,主要采用“多段分簇”射孔、套管压裂 和可钻式桥塞封隔。优点:定位准确、封隔可靠、污
间;②离散误差仅来源于边界,区域内的有关物理量
2. 2. 2 边界元法(Boundary Element Method - BEM) 可由解析式的形式求得,提高了计算精度;③奇异性
边界元法是将问题表达成边界积分方程后在区 的基本解可以更好的模拟裂缝尖端的奇异场。
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特种油气藏
第 21 卷
Olson[18]利用边界元理论建立了水平井多段 向对缝网形成影响较大,天然裂缝方向与水平井筒
下的水力压裂过程,小尺寸试件的天然裂缝分布可 能与实际地层的分布有很大的差异性,导致室内实
研究较少。中国石油大学( 北京) 压裂酸化实验室 以及中石化工程研究院[16]进行了一系列页岩储层 裂缝扩展的室内实验,并获得了一些重要成果。图 1 是中国石油大学( 北京) 和中石化工程技术研究 院进行页岩裂缝扩展模拟后的试件,通过实验后的
高;缺点:水力喷射工具寿命短,对油管和套管的强 层同步压裂作业。页岩储层同步压裂技术能够增
度有较高的要求。
加页岩储层裂缝体积和复杂程度,是今后国内页岩
1. 2 页岩储层重复压裂技术
支撑剂在闭合应力、井底压力和孔隙压力的联 合作用下会慢慢嵌入地层,流体高速运移产生大量 的岩屑和颗粒,在裂缝中聚集堵塞,从而导致压裂
主要对垂直井进行计算。通过模拟发现:①天然裂 缝与最大水平主应力方向角度较小时,比较难形成
缝网,如图 2a 所示;角度较大时,容易形成复杂裂
图 1 页岩裂缝扩展室内实验后的试件
水力压裂裂缝扩展室内实验能够方便地获得页
缝网络,如图 2b 所示。②水平主应力差越大,形成 复杂裂缝网络的难度越大。
图 2 不同天然裂缝角度条件下扩展有限元法模拟的复杂裂缝扩展结果(垂直井)
裂井周围的储层会承受更高的应力,增加储层的应 力干扰以导致主应力转向,从而形成更加复杂的网 状裂缝,提高网状裂缝的裂缝密度和复杂程度,增 加改造体积[14]。
同步压裂在美国进行了一系列的实验,压裂效 果较好,能 够 大 幅 增 加 页 岩 气 井 的 产 量[15]。 国 内
性强、储层伤害低、工具和施工程序简单、可靠性 页岩储层压裂开发刚刚起步,还没有进行过页岩储
力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。
1 页岩储层水力压裂技术
页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程,用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储 层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液 选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝 监测等问题,需要进行系统的考虑和处理。
1. 1 页岩储层水平井多级压裂技术
引言
页岩储层孔隙度、渗透率极低,给页岩气的经 济高效开发带来了极大的困难和挑战,长水平井段 钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的 关键和核心技术[1 - 2],能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积,最终达到提高产量和采收率 的目的。页岩储层脆性大,天然裂缝和水平层理发 育,压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏[3], 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝,可能形成复杂 的网状裂缝,给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解 释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展 布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟 方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水 平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟 方法的现状,分析了各种页岩水力压裂技术及压裂 裂缝模拟方法的优缺点,对后续页岩储层水平井水
验具有很大的局限性。 2. 2 页岩储层压裂裂缝扩展数值模拟
页岩储层压裂裂缝可能是复杂的网状裂缝,常 规的压裂模型不再适用,在常规理论基础上,国内
试件观测或者高能 CT 扫描,可以方便地评价页岩 外学者经过推导和模型改进,发展了一些适合页岩
裂缝扩展的形态。
储层的压裂裂缝扩展模型。
2. 2. 1 扩展有限元法( Extend Finite Element Meth-
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