水平井水力壓裂數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文首先綜述了國內外水力壓裂技術研究現(xiàn)狀和水力壓裂數(shù)值模擬方法的發(fā)展過程，指出了現(xiàn)階段水力壓裂技術存在的問題，并對各種水力壓裂數(shù)值模擬方法做了簡要的評述。油井水力壓裂增產措施是一個復雜的過程，相應的數(shù)學模型具有高度非線性，采用解析方法無法求解。采用有限元數(shù)值模擬方法模擬現(xiàn)場水力壓裂裂縫擴展過程，能夠對裂縫起裂和擴展的機理進行分析和解釋，并可以對具體地層的壓裂施工過程和裂縫形態(tài)進行預測，在理論和工程應用上都有重要的意義。
　　 采

2、用損傷力學方法對水力壓裂裂縫起裂和擴展機理進行了研究。隨著壓裂液的注入，一部分流體滲流進入地層，一部分存留在裂縫中，兩部分流體共同作用使裂縫尖端的有效應力增大，當裂縫尖端的有效應力增大到地層介質的抗拉強度時介質中出現(xiàn)損傷，隨著損傷的增加，裂尖處地層介質能夠承受的有效應力隨裂縫張開的位移增大而減小，直至完全破壞，失去抗拉能力。
　　 根據飽和多孔介質固體骨架的平衡方程和多孔介質中流體的連續(xù)性方程，建立了儲層滲流應力耦合數(shù)學模型，模

3、型中引入了Jaumann應力速率公式描述多孔介質固體骨架的有限變形效應，并考慮了初始有效應力、初始孔隙壓力、初始流體密度和初始孔隙度對耦合模型的影響。基于與微分方程等價的加權余量公式，在空間域采用有限元離散，在時間域進行隱式差分格式離散，導出了以單元節(jié)點位移和單元節(jié)點孔隙壓力為未知量的儲層滲流應力耦合的瞬態(tài)非線性增量有限元方程。該數(shù)學模型引入假設條件少，考慮因素全面，為儲層滲流應力耦合有限元方程的一般形式。
　　 采用大型有限元

4、軟件ABAQUS建立了水力壓裂的軸對稱有限元模型，對大慶油田四口水平井的壓裂過程進行了數(shù)值模擬研究，其中一口水平井采用分段壓裂，其余三口水平井采用限流法壓裂。模型中包括射孔孔眼、套管、水泥環(huán)、油層、微壞隙和橫向裂縫。采用ABAQUS用戶子程序UFIELD考慮了砂比變化對壓裂液性能的影響。數(shù)值模擬結果輸出每個壓裂時刻的應力、應變、位移和孔隙壓力等數(shù)據，并可以直接得到縫口壓力時間歷程曲線。
　　 對于分段壓裂，由于每個壓裂層段射孔孔

5、眼數(shù)較多，射孔孔眼摩阻可以忽略不計，縫口壓力等于井底壓力，分段壓裂施工現(xiàn)場可以直接測量得到井底壓力曲線和地面井口壓力曲線，數(shù)值模擬結果得到的縫口壓力曲線和壓裂施工現(xiàn)場的井底壓力曲線吻合良好，驗證了數(shù)值模型的正確性。本文采用降阻比法，結合現(xiàn)場壓裂施工曲線數(shù)據，通過修正相關系數(shù)，提出了適用于大慶油田水平井的壓裂液管柱沿程摩阻計算公式。分段壓裂數(shù)值模擬輸出的的縫口壓力和地面壓力結果與相應的現(xiàn)場測量數(shù)據吻合良好，驗證了本文提出的壓裂液管柱沿程摩

6、阻計算公式的正確性。對于限流法壓裂，射孔孔眼摩阻不可忽略。提出了釋放系數(shù)和孔眼直徑計算公式，在此基礎上得到了射孔孔眼摩阻計算公式。限流法壓裂施工現(xiàn)場只能夠測量得到地面井口壓力曲線，而數(shù)值模擬的結果卻只能輸出縫口壓力曲線。限流法壓裂的數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場測量數(shù)據吻合良好，驗證了本文提出的釋放系數(shù)和孔眼直徑計算公式的正確性。
　　 在上述模型的基礎上通過改變某一參數(shù)的數(shù)值，進行了參數(shù)影響數(shù)值模擬研究，這些參數(shù)包括巖石滲透率、彈性模量、

7、斷裂能、初始有效應力、壓裂液黏性系數(shù)等，并分析和解釋了這些參數(shù)對模擬結果的影響。
　　 采用三維有限元數(shù)值模擬技術對大慶油田一口水平井的分段壓裂過程進行了數(shù)值模擬，計算模型包括射孔孔眼、井筒、水泥環(huán)、油層、隔層、微環(huán)隙和橫向裂縫，模擬了裂縫在油層和隔層中的擴展以及在微環(huán)隙(水泥環(huán)和油層之間)中的擴展，形成了典型的T型裂縫。模擬結果和現(xiàn)場數(shù)據吻合良好。
　　 考慮層狀地層條件下隔層和油層的地質參數(shù)和物性參數(shù)對壓裂結果(特別