擴展有限元應用于致密儲層水力壓裂的數(shù)值研究.pdf

1、非常規(guī)油氣藏的儲量豐富，但是由于其滲透率極低，開采難度較大，必須通過采用水力壓裂技術產(chǎn)生水力裂縫達到增產(chǎn)的目的。另外，地質(zhì)結構一般異常復雜，存在大量天然裂隙和層理結構，它們與水力壓裂裂縫相互連通有利于提高裂縫網(wǎng)絡的連通性，從而進一步提高產(chǎn)量。為確保形成有效的裂縫網(wǎng)絡，研究水力壓裂過程的影響因素至關重要。
　　本文建立了基于離散裂縫模型和擴展有限元法的二維水力壓裂模型，該模型考慮了壓裂液流動、巖石變形、流固耦合作用及裂縫的相交規(guī)律，

2、并且基于擴展有限元法的優(yōu)勢只需采用規(guī)則的正交網(wǎng)格。流固耦合體現(xiàn)在基質(zhì)中壓裂液滲流與固體骨架變形的相互影響，壓力場影響骨架變形從而改變裂縫寬度，裂縫寬度反過來會改變裂縫的滲透率繼而影響壓力場。為準確描述地應力的影響，本文將位移場分解為地應力引起的初始位移場和壓裂液作用的有效位移場。另一方面，在求解應力強度因子時采用考慮體積力影響的相互作用J積分域形式，避免了裂尖應力奇異造成的誤差。為了驗證本文模型的可靠性，首先與經(jīng)典的KGD模型理論解進行

3、對比，運用本文模型模擬得到裂縫擴展過程的裂縫長度與最大縫寬數(shù)值解與理論解相吻合，同時還與判斷相交裂縫穿透與否的實驗結果進行了對比，對比結果相一致。
　　利用本文模型首先模擬了不考慮天然裂縫和層理結構條件下壓裂液流量、基質(zhì)滲透率、流固耦合系數(shù)及射孔角對水力壓裂過程的影響。結果表明:一定范圍內(nèi)隨著壓裂液流量的增多，水力裂縫擴展的距離變長張開開度變寬，但是當壓裂液流量超過一定值時裂縫長度增加，而裂縫最大寬度幾乎保持不變;基質(zhì)滲透率和流固

4、耦合系數(shù)作為流固耦合強弱的影響因素，較大的基質(zhì)滲透率導致壓裂液作用在裂縫面的力較小得到的裂縫長度較短，流固耦合系數(shù)越大體積力越大裂縫容易張開擴展距離較長;射孔角影響裂縫的擴展方向，但是不同射孔角下裂縫的擴展均逐漸趨向于最大主應力方向。另外，還研究了水平井多段壓裂產(chǎn)生的水力裂縫延伸擴展狀態(tài)。多條水力裂縫同時壓裂時相互之間存在應力干擾，隨著射孔間距的增加應力干擾變?nèi)?在一定的射孔間距條件下，射孔數(shù)量不同相互之間的應力干擾作用也不同，結果顯示

5、兩側水力裂縫在應力干擾下逐漸向兩側擴展，中間部分的水力裂縫不易啟裂且擴展距離比兩側短。
　　本文還研究了地層中存在一條天然裂縫時不同射孔方位、逼近角及地層應力差異系數(shù)條件下水力裂縫的擴展情況和存在多條天然裂縫時其不同數(shù)量、初始分布狀態(tài)、壓裂液粘度及地層應力差異系數(shù)下形成的裂縫網(wǎng)絡結構。結果表明，射孔角和逼近角較小時，水力裂縫被天然裂縫捕獲后僅其中一端發(fā)生了擴展，在水力壓裂過程相當于僅僅改變了裂縫的擴展方向，未能有效的溝通較多體積的

6、儲集層油氣增加產(chǎn)量;對于較小的地層應力差異系數(shù)，水力裂縫沿天然裂縫兩端擴展時更易溝通較遠距離的油氣藏，增大開采面積，而地層應力差異系數(shù)較大時水力裂縫沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向后很快又轉(zhuǎn)至最大主應力方向。研究裂縫網(wǎng)絡的形成時結果表明:對于存在較多天然裂縫且其分布無規(guī)律時，容易形成有效的裂縫網(wǎng)絡;壓裂液粘度和地層應力差異系數(shù)過大或過小都不利于裂縫網(wǎng)絡的形成，在實際工程壓裂之前應進行詳細的地質(zhì)探測并合理地調(diào)整壓裂液的粘度。
　　油氣藏受各方面因