重复压裂应力场分析.pptx

第1页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司发言提纲 一、摘要一、摘要 三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、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五、地应力预测软件编制 六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 二、前言二、前言 七、结论七、结论 第2页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司 重重复复压压裂裂的的裂裂缝缝转转向向与与重重复复压压裂裂后后的的地地应应力力场场变变化化有有重重要要的的关关系系。本本文文通通过过建建立立重重复复压压裂裂前前地地应应力力场场模模型型和和渗渗流流场场模模型型，推推导导并并通通过过有有限限元元数数值值模模型型和和计计算算，建建立立首首次次压压裂裂后后井井筒筒附附近近由由裂裂缝缝生生成成和和油油井井生生产产引引起起的的渗渗流流场场变变化化，为为油油气气井井重重复复压压裂裂提提供供科科学学的的设计依据。设计依据。一、摘要一、摘要 第3页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司 重重复复压压裂裂技技术术最最早早5050年年代代出出现现在在美美国国，美美国国近近30%30%的的压压裂裂属属于于重重复复压压裂裂；国国内内6060年年代代起起也也开开始始进进行行重重复复压压裂裂。由由于于受受当当时时技技术术与与认认识识水水平平限限制制，一一般般认认为为重重复复压压裂裂是是在在原原有有水水力力裂裂缝缝上上的的进进一一步步延延伸伸或或者者重重新新张张开开已已经经闭闭合合的的水水力力裂裂缝缝，且且施施工工规规模模必必须须大大于于第第一一次次压压裂裂作作业业的的2424倍倍，才才能能获获得得与与前前次次持持平平的的产产量量，否否则则，重重复复压压裂裂是是无无效效的的。到到了了8080年年代代中中后后期期，随随着着油油气气价价格格变变化化和和现现代代水水力力压压裂裂技技术术的的发发展展，国国外外又又将将重重复复压压裂作为一项重要的技术研究课题，从重复压裂机制、裂作为一项重要的技术研究课题，从重复压裂机制、二、前言二、前言 第4页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司油油藏藏数数值值模模拟拟、压压裂裂材材料料、压压裂裂设设计计、施施工工等等方方面面进进行行研研究究攻攻关关，使使重重复复压压裂裂技技术术取取得得了了重重大大突突破破。但但是是，国国内内外外重重复复压压裂裂方方面面的的文文献献资资料料大大多多涉涉及及现现场场测测试试、施施工工工工艺艺和和效效果果的的研研究究，对对于于重重复复压压裂裂机机理理，特特别别是是量量化化方方面面的的研研究究比比较较欠欠缺缺，国国内内也也存存在在同同样样的的问问题题，在在重重复复压压裂裂机机理理方方面面开开展展的的研研究究比比较较少少，一一般般只只是是从从现现场场出出发发研研究究影影响响重重复复压压裂裂效效果果的的因因素素，缺缺乏乏理理论论研研究究。为为了了更更好好进进行行重重复复压压裂裂的的优优化化设设计计，需需要要进行重复压裂前的地应力场的变化研究。进行重复压裂前的地应力场的变化研究。二、前言二、前言 第5页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、重复压裂应力场的国内外研究现状nSPE24859、SPE24857对重复压裂的机理进行了初步探讨对重复压裂的机理进行了初步探讨和初步模拟和初步模拟nSPE 25464提出裂缝的转向问题提出裂缝的转向问题n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：的制定等方面入手，提出：重复压裂有可能产生新的裂缝，重复压裂有可能产生新的裂缝，重复压裂必须重新优选新的材料，重复压裂必须重新优选新的材料，高砂比压裂、端部脱高砂比压裂、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，美国阿拉斯加拉斯加Kuparuk River油田的油田的380口井有口井有185口井进行了重口井进行了重复压裂，压后采油指数平均提高了复压裂，压后采油指数平均提高了2倍，取得了很好的增产稳倍，取得了很好的增产稳定效果。定效果。nSPE63030用地面倾斜仪测到裂缝的重新转向。用地面倾斜仪测到裂缝的重新转向。第6页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司重复压裂转向的概念重复压裂转向的概念 第7页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司用地面倾斜仪测到的裂缝转向用地面倾斜仪测到的裂缝转向 第8页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、重复压裂应力场的国内外研究现状 邻邻井井裂裂缝缝对对应应力力场场的的影影响响。1987年年美美国国能能源源部部在在多多井井试试验验中中进进行行改改变变应应力的压裂试验，首先证明了地应力场受邻井裂缝影响。力的压裂试验，首先证明了地应力场受邻井裂缝影响。初初次次裂裂缝缝对对应应力力场场的的影影响响。Dowell公公司司根根据据试试验验和和模模拟拟地地应应力力研研究究认认为为，地地层层中中存存在在的的支支撑撑裂裂缝缝将将改改变变井井眼眼附附近近应应力力分分布布，使使重重复复压压裂裂裂裂缝缝的的起起裂裂方方位位垂垂直直于于初初次次裂裂缝缝方方位位，离离开开井井眼眼一一定定范范围围再再发发生生转转向向，以以平平行行于于初次裂缝方位延伸。初次裂缝方位延伸。油油气气井井生生产产/注注入入对对原原地地应应力力场场的的影影响响。Bruno和和Nakagawa用用实实验验证证明明，孔孔隙隙压压力力的的改改变变也也会会影影响响新新裂裂缝缝的的重重新新定定向向。在在原原地地应应力力没没有有起起控控制制作作用用的的情情况况下下，裂裂缝缝会会转转向向局局部部孔孔隙隙压压力力更更高高的的方方向向。他他们们认认为为靠靠近近裂裂缝缝末末端端的的局局部部孔孔隙隙压压力力梯梯度度控控制制了了裂裂缝缝的的发发育育方方向向，他他们们的的想想法法是是建建立立在在静静态态条条件件上上的的。而而Detournay，Boone和和Berchenko则则表表明明，裂裂缝缝的的发发育育方方向向是是由由孔孔隙隙流流体体扩扩散散到到基基质质，引引起起原原地地应应力力改改变变所所决决定定的的。这这种种现现象象引引起起应应力力强强度度因因子子随随时时间间而而变变，而而应应力力强强度度因因子子是是支支配配裂裂缝缝发发育育速速率率和方向的一个重要因素。和方向的一个重要因素。第9页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n 地地层层参参数数各各向向异异性性对对应应力力场场的的影影响响。Mack和和Elbel继继续续发发展展了了他他们们以以前前的的工工作作，研研究究了了地地层层参参数数各各向向异异性性对对重重复复压压裂裂的的影影响响。他他们们认认为为水水平平渗渗透透率率各各向向异异性性导导致致了了大大规规模模的的应应力力改改变变，如如果果前前次次裂裂缝缝是是定定向向在在高高渗渗透透率率方方向向，那那么么这这种种现现象象对对于于重重复复压压裂裂是是有有利利的的。除除此此之之外外，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。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。nBoone等等人人通通过过数数值值模模拟拟的的手手段段表表明明，由由于于裂裂缝缝所所引引起起的的局局部部孔孔隙隙压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n 孔孔隙隙压压力力变变化化诱诱导导了了局局部部剪剪切切应应力力改改变变，导导致致新新裂裂缝缝近近似似垂垂直直于于前前次裂缝，或与前次裂缝成一锐角。次裂缝，或与前次裂缝成一锐角。n然然而而，上上述述观观点点和和认认识识大大多多是是通通过过实实验验研研究究和和现现场场试试验验得得到到的的定定性性结结论论，还还没没有有一一个个完完整整的的、系系统统的的应应力力计计算算模模型型来来定定量量描描述述垂垂直直裂裂缝缝井井重重复复压压裂裂前前各各种种因因素素产产生生的的诱诱导导应应力力场场分分布布状状况况，因因此此，不不能能定定量量地地描描述述重重复复压压裂裂造造新新缝缝机机理理、重重复复压压裂裂新新裂裂缝缝产产生生的的条条件件和和最最佳佳重重复复压压裂裂时时机机、新新裂裂缝缝的的起起裂裂方方位位、裂裂缝缝延延伸伸轨轨迹迹以以及及新新裂裂缝缝缝缝长长分分布布特特征征，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。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。三、重复压裂应力场的国内外研究现状三、重复压裂应力场的国内外研究现状 第10页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司1.应力场数学模型应力场数学模型(1)(1)有效应力场的理论公式推导考虑压力场的平衡方程有效应力场的理论公式推导考虑压力场的平衡方程(2)(2)线性变形几何方程线性变形几何方程 ：四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第11页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司(3)弹性应力应变关系 1.应力场数学模型应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第12页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司(4)边界条件 位移边界条件：力边界条件：混合边界条件：1.应力场数学模型应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第13页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司(5)采用虚功原理采用虚功原理(6)将上式积分后得到：将上式积分后得到：1.应力场数学模型应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第14页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司(7)(7)代入应力应变关系后得到：代入应力应变关系后得到：(8)(8)再将几何方程代入，得到以位移表示的积分形式的再将几何方程代入，得到以位移表示的积分形式的平衡方程。平衡方程。1.应力场数学模型应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第15页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司 采用四边形单元，将二次形函数代入位移插值函数，采用四边形单元，将二次形函数代入位移插值函数，最终得到单元刚度矩阵：最终得到单元刚度矩阵：以及面力和体力的等效节点力为：以及面力和体力的等效节点力为：经过单元刚度矩阵的集成，得到整体求解域经过单元刚度矩阵的集成，得到整体求解域的离散总方程组：的离散总方程组：根据求解的位移值，可以求得应力和应变。根据求解的位移值，可以求得应力和应变。1.应力场数学模型应力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第16页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n连续性方程连续性方程 n有限元离散，建立等效积分方程有限元离散，建立等效积分方程 n根据根据GalerkinGalerkin方法，方程中的流体孔隙压力用几何方法，方程中的流体孔隙压力用几何域上有限个结点的压力表示为，依据域上有限个结点的压力表示为，依据GalerkinGalerkin理论，理论，渗流方程的近似方程为：渗流方程的近似方程为：2.压力场数学模型压力场数学模型 四、重复压裂应力场和压力场计算模型四、重复压裂应力场和压力场计算模型 第17页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司五、地应力预测软件编制五、地应力预测软件编制 n采用了采用了visual fortran90进行软件开发，保证软件运行进行软件开发，保证软件运行的快速性和稳定性。的快速性和稳定性。n点击开始程序组中的“REFRac”，启动重复压裂软件，首先是选择工作目录。第18页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司输入已知参数输入已知参数 第19页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司点击点击“计算计算”，开始计算，开始计算 第20页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司 查看计算结果分布图查看计算结果分布图 1.支撑裂缝附加应力场支撑裂缝附加应力场 n查看单元划分,总体尺寸 n查看单元编号 第21页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司查看计算结果分布图查看计算结果分布图最小主应力分布最小主应力分布 n最小主应力分布 n标注数值 第22页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司查看计算结果分布图查看计算结果分布图最小主应力分布最小主应力分布n等值线标注 n随着局部放大，等值线的标注自动调整 第23页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司查看计算结果分布图查看计算结果分布图最大主应力分布最大主应力分布n最大主应力分布 n局部放大功能 第24页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司结果分布图结果分布图 2.油井生产变化压力场油井生产变化压力场 n初始时刻压力分布 n第一个时间步的压力分布 第25页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n第二个时间步的压力分布 n压力分布显示随时间变化的三维分布图 第26页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司结果分布图结果分布图 3.总应力图总应力图 n总应力包括考虑裂缝支撑和油井生产对整体应力场的影响，同总应力包括考虑裂缝支撑和油井生产对整体应力场的影响，同样也是随时间变化的，总应力场也是以主应力的形式给出。样也是随时间变化的，总应力场也是以主应力的形式给出。n某一时间步的最小主应力整体分布（局部放大）n 某一时间步的最大主应力整体分布 第27页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司结果曲线图结果曲线图Y向各点应力差随时间变化关系向各点应力差随时间变化关系 n可以发现可以发现:（1）离开井壁越远，两个主应力的差越大，（）离开井壁越远，两个主应力的差越大，（2）随生产时间进行，两个主应力的差减小，但是减小的幅度先大后随生产时间进行，两个主应力的差减小，但是减小的幅度先大后小，（小，（3）随着生产时间的进一步进行，油藏压力降低波及区域）随着生产时间的进一步进行，油藏压力降低波及区域增加，会造成整体泄油半径内油藏压力的降低，从而使得在泄油增加，会造成整体泄油半径内油藏压力的降低，从而使得在泄油半径处的应力有所降低。半径处的应力有所降低。第28页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司基础数据：基础数据：生产时间(天):300力学参数：弹性模量(MPa):35000.0,泊松比(无量纲):0.25，最最大大水水平平地地应应力力(MPa):62.0(MPa):62.0，最最小小水水平平地地应应力力(MPa):50.0(MPa):50.0，有效应力系数(无量纲):0.8油藏参数：井底压力(MPa):20.0，初始油藏压力(MPa):30.0；渗透率(毫达西):1.00；粘度(CP):1.00；压缩系数(1/MPa):0.30E-04；孔隙度(无量纲):0.15；泄油半径(m):400.0井眼和裂缝参数：井眼半径(m):0.10；裂缝长度(m):120.0；最大裂缝宽度(mm):5.0六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第29页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n水平应力差为12MPa n水平应力差为6MPa 虽然得到了虽然得到了Y向各个位置点处应力场随时间的变化关系，当从许多条曲线中向各个位置点处应力场随时间的变化关系，当从许多条曲线中读出各条曲线应力转向的时间，不但不方便，而且不准确。点击读出各条曲线应力转向的时间，不但不方便，而且不准确。点击“结果曲结果曲线图线图垂向扩展距离与时间变化关系垂向扩展距离与时间变化关系”，得到垂向扩展距离与时间变化关，得到垂向扩展距离与时间变化关系。系。六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第30页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n水平应力差为6MPa n水平应力差为6MPa 六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第31页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司水平应力差为5 MPa 水平应力差为3 MPa 六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第32页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司水平应力差为2 MPa n垂向扩展距离与水平应力差关系 六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第33页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司n水平方向远场主应力差值不但控制垂向裂缝水平方向远场主应力差值不但控制垂向裂缝是否产生，而且是控制垂向延伸距离的主要是否产生，而且是控制垂向延伸距离的主要因素之一，应力差差值越大，越不容易产生因素之一，应力差差值越大，越不容易产生新裂缝，即使产生了新裂缝，裂缝垂向延伸新裂缝，即使产生了新裂缝，裂缝垂向延伸的距离也可能很小。的距离也可能很小。n根据上述曲线得到的极限应力差为根据上述曲线得到的极限应力差为6.36MPa，若远场水平主应力差高于这一极限值，一，若远场水平主应力差高于这一极限值，一般不会产生垂向新裂缝，而低于此极限值，般不会产生垂向新裂缝，而低于此极限值，则有可能产生垂向新裂缝，且差值越小，裂则有可能产生垂向新裂缝，且差值越小，裂缝垂向延伸距离越长。此处的垂向延伸距离缝垂向延伸距离越长。此处的垂向延伸距离均以临界地层压力对应的时间为基准。均以临界地层压力对应的时间为基准。六、地应力预测软件应用六、地应力预测软件应用 第34页重复压裂应力场分析重复压裂应力场分析 吉林石油集团井下作业工程公司吉林石油集团井下作业工程公司(1)(1)(1)(1)建立初次压裂后考虑裂缝存在的二维应力场有限元建立初次压裂后考虑裂缝存在的二维应力场有限元建立初次压裂后考虑裂缝存在的二维应力场有限元建立初次压裂后考虑裂缝存在的二维应力场有限元 方法计算模型，研究初次压裂后二维应力场分布规律；方法计算模型，研究初次压裂后二维应力场分布规律；方法计算模型，研究初次压裂后二维应力场分布规律；方法计算模型，研究初次压裂后二维应力场分布规律；(2)(2)(2)(2)建立初次压裂后随时间变化渗流场的有限元方法计建立初次压裂后随时间变化渗流场的有限元方法计建立初次压裂后随时间变化渗流场的有限元方法计建立初次压裂后随时间变化渗流场的有限元方法计 算模型；算模型；算模型；算模型；(3)(3)(3)(3)根据提供的地应力、初次压裂后的裂缝参数和基本根据提供的地应力、初次压裂后的裂缝参数和基本根据提供的地应力、初次压裂后的裂缝参数和基本根据提供的地应力、初次压裂后的裂缝参数和基本油藏参数，通过初次压裂后的应力场的数值模拟，研究油藏参数，通过初次压裂后的应力场的数值模拟，研究油藏参数，通过初次压裂后的应力场的数值模拟，研究油藏参数，通过初次压裂后的应力场的数值模拟，研究应力场随时间的变化规律；应力场随时间的变化规律；应力场随时间的变化规律；应力场随时间的变化规律；七、结论七、结论 感谢各位领导、专家!敬请批评指正！