重复压裂应力场分析

四、重复压裂应力场和压力场计算模型
1.应力场数学模型
(5)采用虚功原理
xx
x
p
xy
y
xz
z
f
x
u
xy
x
yy p
y
yz
z
f
y
v
d
0
xz
x
xy
y
zz p
z
f
z
w
(6)将上式积分后得到：
x x px xy y pyz z pz zy z y z x z x z x y x y d fx u fy v fz w d T x u T y v T z w d
③ 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。
二、前言
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2~4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、
0 0
0.5
0
0.50xxyz
四、重复压裂应力场和压力场计算模型
1.应力场数学模型
(4)边界条件
u u0
位移边界条件：
v
v0
w
w0
力边界条件：
T T
x y
f1 f2
T
z
f3
混合边界条件：
T T
x y
f1(u ,v, w ) f2(u,v, w )
T
z
f3(u,v, w )
发言提纲
一、摘要 二、前言 三、重复压裂应力场的国内外研究现状 四、重复压裂应力场和压力场计算模型 五、地应力预测软件编制 六、地应力预测软件应用 七、结论
一、摘要
重复压裂的裂缝转向与重复压裂后的地 Biblioteka Baidu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。
三、重复压裂应力场的国内外研究现状
④ 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。
xz
u x v y w z u y w y u z
v x
v z
w x
四、重复压裂应力场和压力场计算模型
1.应力场数学模型
(3)弹性应力应变关系
xx
1 0 0 0 xx
yy
1
0
0
0 yy
zz yz
(1)E(12)
0
1 0 0 0 0.5
0 0
0 0
zyzz
xz
xy
0 0 0 0 0 0
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
⑤ 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， 从而不能很好地指导重复压裂的井层优选、优化设计与施工。
四、重复压裂应力场和压力场计算模型
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
xx x
p
xy y
xz z
fx
0
xy x
yy p y
yz z
fy
0
xz
x
xy y
zz
z
p
fz
0
(2)线性变形几何方程 ：
xx
yy
zz
xy
yz
重复压裂转向的概念
用地面倾斜仪测到的裂缝转向
三、重复压裂应力场的国内外研究现状
① 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。
② 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。
二、前言
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。
三、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：①重复压裂有可能产生新的裂缝， ②重复压裂必须重新优选新的材料，③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。