裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征.pdf

收稿日期:改回日期:基金项目:四川省科技计划项目“页岩压裂的损伤力学特征研究”()成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金“基于相场理论的页岩地层压裂裂缝三维延伸数值模型与定量调控方法研究”()作者简介:李小刚()男教授 年毕业于西南石油学院石油工程专业 年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业获博士学位现主要从事油气增产改造和非常规天然气开发研究工作 通讯作者:何建冈()男 年毕业于西南石油大学石油工程专业 年毕业于该校油气田开发专业获硕士学位现主要从事非常规油气藏增产改造理论与技术研究工作:/裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征李小刚何建冈黄雁红易良平张景强杜博迪黄刘科(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川 成都 中国石油塔里木油田分公司新疆 库尔勒 中国石油新疆油田分公司新疆 克拉玛依 西南石油大学四川 成都 同济大学上海)摘要:裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合是目前水力压裂数值模拟技术面临的挑战之一 为了探究页岩动态裂缝缝内支撑剂铺置特征基于三维离散元方法建立考虑层理的页岩储层裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合数值模型分析了不同支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度和支撑剂注入方式下的裂缝扩展与支撑剂铺置规律 研究表明:粒径越小支撑剂铺置范围越广铺置越均匀粒径为 的支撑剂的铺置面积与铺置效率是粒径为 的支撑剂的 倍支撑剂密度不是影响裂缝扩展和支撑剂运移的主要因素压裂液黏度越高裂缝面积和铺置面积越小铺置效率越高黏度从 增至 裂缝面积减少 铺置面积减少 铺置效率增大 支撑剂注入方式为阶梯注入时压裂液造缝与携砂效果最好 该研究成果可为页岩储层有效改造提供理论指导关键词:页岩层理裂缝扩展支撑剂铺置特征动态耦合离散元中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:.第 期李小刚等:裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征 .:引 言水力压裂是实现页岩油气高效开发的关键技术而裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合是当前水力压裂数值模拟技术面临的挑战之一 针对该挑战 等利用 等提出的本构模型构建了裂缝扩展过程中的支撑剂运移方程并成功应用于 和 种裂缝模型 等基于 裂缝模型分析了不同压裂液对支撑剂运移的影响 在此基础上 等引入新的本构模型进一步考虑裂缝闭合情况模拟了水力压裂全过程 此外学者们还使用计算流体力学、有限差分法等方法来模拟动态裂缝内支撑剂的运移 但上述研究大多考虑水力裂缝内的支撑剂运移对层理等非连续结构面存在时动态裂缝内支撑剂运移的研究尚不足 而且层理在阻碍水力裂缝扩展的同时必然会影响缝内支撑剂的分布 为此基于三维离散元程序()对层理发育页岩储层开展水力压裂数值模拟研究探究支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度和支撑剂注入方式对压裂裂缝扩展和支撑剂运移的影响以期为页岩储层有效改造提供理论指导 三维离散元方法 是以离散元为基本理论进行订制开发的商业化三维分析程序其离散元模型由块体和块体连接组成块体形变由有限差分法计算 相比于其他数值模拟方法 适用于层理等非连续结构的变形或破坏等机理性研究 流体流动基本方程 流动模型采用瞬态流动模型该模型将流体网格化每个流域拥有一个初始压力流域间流体流动靠相邻流域的压差控制 流量表示为:()式中:为流量/为裂缝宽度 为流体黏度 为压差裂缝宽度影响流体压力微可压缩流体连续性方程为:()式中:为流体体积模量 为流体压力为时间联立式()、()得到流固耦合方程:()裂缝模型在三维离散元方法中采用非线性库伦滑移模型来计算裂缝力学变形 当裂缝张开时裂缝的剪切强度遵循指数规律从峰值逐渐降至残余值 裂缝单元法向应力和切向应力增量由刚度和位移共同决定即:()式中:为法向应力为法向刚度系数/为法向位移为切向应力为切向刚度系数/为切向位移裂缝单元剪应力根据非线性库伦滑移模型进行计算:()式中:为剪应力 为内聚力为总正应力 为内摩擦角当裂缝单元没有产生滑动时其抗剪强度为最大值当裂缝单元剪应力超过最大抗剪强度后抗剪强度呈非线性变化逐渐降低即:特 种 油 气 藏第 卷 ()()()()()式中:为剪应力最大值为内聚力最大值为内摩擦角最大值为剪应力残余值为临界滑移距离 为剪切强度衰减指数为塑性滑移为内聚力残余值为内摩擦角残余值 支撑剂运移基本方程支撑剂体积分数 表示为:()式中:为支撑剂体积分数为支撑剂体积为混砂液体积支撑剂守恒方程表示为:()()()式中:为支撑剂运移速度/为梯度算子考虑到重力沉降机制支撑剂运移速度由两部分组成 在支撑剂运移过程中支撑剂颗粒之间的相互作用和壁面效应造成的影响使用校正因子进行修正即:()()()()()()()()()式中:为混砂液速度/为重力沉降速度/为斯托克斯沉降速度/()为校正因子为支撑剂密度/为流体密度/为支撑剂粒径 为重力加速度/在支撑剂运移过程中 采用 近似来处理因支撑剂体积分数变化导致的混合物密度变化现象从而简化模型求解且较为真实地反映流体流动过程 在 近似下混砂液密度与支撑剂体积分数呈线性相关即:()式中:为混砂液密度/混砂液黏度随支撑剂体积分数变化而变化采用经验公式来描述这一现象即:(/)()式中:为混砂液黏度为支撑剂最大体积分数 页岩压裂数值模型 方法验证采用三维离散元方法对 等开展的裂缝扩展与支撑剂运移实验进行模拟对比实验结果以验证数值方法的可靠性 实验模型及输入参数保持一致支撑剂粒径为 支撑剂密度为 /支撑剂最大体积分数为 泵注程序分 个阶段进行第 阶段注入压裂液时间为 第 阶段注入支撑剂体积分数为 的混砂液注入时间为 模拟结果如图 所示 从裂缝长度和支撑剂分布来看模拟结果(图)与已发表文献模拟结果(图)具有较高a?b?0100200300100500050-50/m/m?/%0100200300100500050-50/m/m?/%zzxx图 模拟结果与文献模拟结果对比 的相似性但不完全一致 模拟结果产生差异的主要原因:模拟模型采用点注入方式而文献中采用线注入方式文献模型中流体仅考虑在裂缝长 第 期李小刚等:裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征 度方向的一维流动因此支撑剂在近井筒附近快速沉降模拟模型考虑了流体在裂缝高度方向的垂向流动因此最大支撑剂浓度出现在远离井筒的位置 综上两者模拟结果具有相同的特征和趋势表明上文的数值模型是可靠的 模型建立以涪陵页岩气田礁石坝目标区为背景建立页岩压裂数值模型(图 为最大水平主应力方向为最小水平主应力方向为垂向应力方向)模型长宽高为 井筒方向与最小水平主应力方向保持一致 模型层理采用“显示”方法纵向均匀分布间隔设置为 结合目标区地质特征赋予模型基本参数如表 所示 泵注分为 个阶段进行:第 阶段注入压裂液时间为 第 阶段注入支撑剂体积分数的混砂液注入时间为 第 阶段停泵关井 zhH?a?zh?b?图 页岩压裂数值模型 表 模型基本参数 类型参数数值岩体杨氏模量/泊松比 剪切模量/密度/()层理内聚力/内摩擦角/抗拉强度/应力最大水平主应力/最小水平主应力/垂向应力/孔隙压力/支撑剂粒径/密度/()架桥系数最大体积分数/结果分析基于上述原理建立多层理页岩压裂数值模型共开展了 组数值模拟实验分别分析了支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度和支撑剂注入方式等因素对动态裂缝内压裂裂缝扩展和支撑剂运移的影响 支撑剂粒径的影响支撑剂粒径分别设置为、其他参数如表 所示模拟得到压裂裂缝形态和支撑剂铺置对比图(图 子图从左至右支撑剂粒径分别为、)并计算得到裂缝面积(裂缝扩展面积)、铺置面积(支撑剂体积分 特 种 油 气 藏第 卷数大于 的裂缝面积)、铺置效率(铺置面积占裂缝面积百分比)随时间变化曲线(图)zzzzhhhhHHHHa?b?c?d?010203040506070?/%图 不同支撑剂粒径下裂缝形态及支撑剂铺置情况 图 不同支撑剂粒径下裂缝面积、铺置面积和铺置效率曲线 由图 可知:不同支撑剂粒径下裂缝形态相似支撑剂铺置差异较大表明支撑剂粒径不影响裂缝扩展仅影响支撑剂运移粒径为 时支撑剂进入狭窄的裂缝前缘粒径为 时支撑剂产生堆积运移距离缩短造成部分裂缝区域缺乏支撑裂缝扩展过程中水力裂缝沟通上下 条层理在支撑剂体积分数差异造成的混砂液黏度变化与应力阴影共同作用层理产生非对称扩展 第 期李小刚等:裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征 现象 由图 可知:注入支撑剂后铺置面积随时间增大而增大停泵后压裂液携带支撑剂继续运移导致井筒周围支撑剂体积分数降低铺置面积随之减小 支撑剂粒径越小铺置面积与效率越高粒径为 的支撑剂的铺置面积与铺置效率是粒径为 的支撑剂的 倍表明小粒径支撑剂在裂缝中铺置范围更广更均匀 因此使用小粒径支撑剂是促使支撑剂充分填充裂缝减少裂缝无支撑区域的有效手段 支撑剂密度的影响支撑剂密度分别设置为 、/其他参数如表 所示模拟结果如图(子图从左至右支撑剂密度分别为 、/)和图 所示由图 和图 可知:不同支撑剂密度下压裂裂zzzzhhhhHHHHa?b?c?d?010203040506070?/%图 不同支撑剂密度下裂缝形态及支撑剂铺置情况 缝形态和裂缝面积趋于一致表明支撑剂密度不影响裂缝扩展 当支撑剂密度从 /增至 /时铺置面积仅降低 铺置效率仅降低表明泵注过程中支撑剂铺置相近重力沉降效应不明显(图、)等研究表明高排量注入可显著降低支撑剂重力沉降效应混砂液流速远大于重力沉降速度 对于采用大排量泵注工艺的页岩储层使用低密度支撑剂来改变缝内支撑剂铺置是低效的 压裂液黏度的影响注入支撑剂时压裂液黏度分别设置为、其他参数如表 所示模拟结果如图(子图从左至右压裂液黏度分别为、)和图 所示由图、可知:层理位置处水力裂缝边缘出现非连续扩展现象黏度越小现象越明显表明层理抑制水力裂缝扩展且抑制程度受压裂液黏度约束黏度为 时压裂液大量进入上下层理支撑剂在近井筒附近堵塞限制了水力裂缝内支撑剂的运移压裂液黏度从 增大到 裂缝面积降低 铺置面积降低 铺置效率增加 表明低黏压裂液有利于增大裂缝面积和铺置面积高黏压裂液有利于增大铺置效率 因此使用低黏压裂液携带支撑剂是获得更大裂缝面积和铺置面积的重要举措 支撑剂注入方式的影响为探究支撑剂注入方式对裂缝扩展和支撑剂运移的影响考虑了段塞注入、阶梯注入和恒定注入 种注入方式每种方式下排量、时间和支撑剂 特 种 油 气 藏第 卷用量保持一致具体泵注程序如图 所示模拟结果如图(子图从左至右支撑剂注入方式分别为图 不同支撑剂密度下裂缝面积、铺置面积和铺置效率曲线 zzzzhhhhHHHHa?b?c?d?010203040506070?/%图 不同压裂液黏度下裂缝形态及支撑剂铺置情况 第 期李小刚等:裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征 段塞注入、阶梯注入、恒定注入)和图 所示由图 可知:段塞注入时层理内支撑剂在裂缝前缘聚集中部出现大量无支撑区域表明段塞注入不利于层理内支撑剂的运移铺置效果差 对于阶梯注入而言近井筒周围支撑剂体积分数大于裂缝前缘表明阶梯式增加支撑剂体积分数的注入方式有利于加强近井筒支撑 由图 可知:阶梯注入可以获得更大的裂缝面积、铺置面积和铺置效率相比于恒定注入裂缝面积增加 铺置面积增加 铺置效率增加 表明采用阶梯注入支撑剂的方式更有利于提高压裂液造缝和携砂能力可获得更好的储层改造效果图 不同压裂液黏度下裂缝面积、铺置面积和铺置效率曲线 图 不同支撑剂注入方式下的泵注程序 特 种 油 气 藏第 卷zzzzhhhhHHHHa?b?c?d?010203040506070?/%图 不同支撑剂注入方式下裂缝形态及支撑剂铺置情况 图 不同支撑剂注入方式下裂缝面积、铺置面积和铺置效率曲线 结 论()支撑剂粒径越小铺置面积和铺置效率越高粒径为 的支撑剂的铺置面积与铺置效率是粒径为 的支撑剂的 倍()支撑剂密度从 /增至 第 期李小刚等:裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征 /裂缝面积、铺置面积和铺置效率变化均不超过 裂缝形态与支撑剂分布相近()压裂液黏度越高铺置效率越高支撑剂铺置越均匀压裂液黏度越低裂缝面积和铺置面积越高储层改造效果越好()相比于段塞注入和恒定注入阶梯注入支撑剂能获得更大裂缝面积、铺置面积和铺置效率压裂液造缝与携砂效果更好参考文献:赵金洲任岚蒋廷学等 中国页岩气压裂十年:回顾与展望 天然气工业():():李小刚张博宁陈更生等 基于生命周期理论的美国页岩气产业发展启示 天然气工业():.():潘林华王海波贺甲元等 水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展 天然气工业():():.:():.:():.:():():():():.():周彤王海波李凤霞等 层理发育的页岩气储集层压裂裂缝扩展模拟 石油勘探与开发():.():编辑 孟凡勤