水力壓裂水平裂縫擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究.pdf

1、水力壓裂是當(dāng)前油氣開(kāi)采工程中最重要的增產(chǎn)技術(shù)之一。從水力裂縫的幾何形態(tài)上區(qū)分，水力壓裂作業(yè)可能形成垂直裂縫或水平裂縫。而水平裂縫是石油工程在較淺地層中進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時(shí)常見(jiàn)的裂縫形態(tài)，但是相對(duì)垂直裂縫所作的研究工作較少，由于缺乏水平裂縫壓裂理論方面的研究，實(shí)際工程在壓裂水平裂縫時(shí)受到很大困擾。本文則針對(duì)這一問(wèn)題采用有限元方法對(duì)水力壓裂水平縫問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了水平裂縫出現(xiàn)的條件，并以ABAQUS軟件為平臺(tái)，采用有限元方法對(duì)水平裂

2、縫擴(kuò)展問(wèn)題進(jìn)行了模擬，得到了相應(yīng)的結(jié)論，可作為水平裂縫壓裂及控制技術(shù)的理論依據(jù)。
　　 本文首先從工程和力學(xué)的角度介紹了水力壓裂技術(shù)，回顧了水力壓裂問(wèn)題的控制方程以及傳統(tǒng)的解法，介紹了水力壓裂數(shù)學(xué)模型的發(fā)展歷史和最新的研究進(jìn)展。再?gòu)挠邢拊椒ǖ慕嵌确治隽怂毫褑?wèn)題，推導(dǎo)了水力壓裂這一非線性大變形、流固耦合問(wèn)題的控制方程，給出了可直接用于編制程序的離散形式的系統(tǒng)控制方程組，討論了相應(yīng)的求解方法。
　　 本文推導(dǎo)了無(wú)射孔和

3、單射孔（或忽略射孔間影響）情況下井筒壁應(yīng)力分布的解析解，利用數(shù)值方法計(jì)算了螺旋射孔下的井壁應(yīng)力和地層破裂壓力。通過(guò)ABAQUS軟件和用戶子程序，模擬了水力壓裂水平裂縫起裂和擴(kuò)展的過(guò)程，采用應(yīng)力滲流耦合單元描述巖石行為，采用cohesive單元描述裂縫行為，將典型油井模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，對(duì)計(jì)算模型和子程序進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上研究了各參數(shù)對(duì)水平裂縫擴(kuò)展的影響，給出了水平裂縫擴(kuò)展的控制因素。通過(guò)用戶子程序?qū)崿F(xiàn)了垂直井水平縫分層

4、壓裂過(guò)程的模擬，再現(xiàn)了前期壓裂裂縫閉合在支撐劑上對(duì)后續(xù)裂縫的影響，選取了典型分層壓裂油井并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。以所選油井建立的模型為基礎(chǔ)，對(duì)不同裂縫間距條件下水平裂縫的分層壓裂的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了模擬，從裂縫幾何形態(tài)、壓力和壓后產(chǎn)能的角度分析了多水平壓裂裂縫間的干擾規(guī)律。本文還對(duì)對(duì)螺旋射孔條件下水平裂縫的空間形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，給出了不同射孔方案下水平多裂縫的空間形態(tài)和壓裂時(shí)的壓力變化。最后還進(jìn)行了螺旋射孔條件下水力壓裂的物理模擬實(shí)

5、驗(yàn)，用于與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。
　　 通過(guò)計(jì)算分析得到了以下結(jié)論。主要有：
　　 1.得到了裸眼井和射孔井井壁應(yīng)力的解析表達(dá)式，推導(dǎo)了水平裂縫的出現(xiàn)條件，可作為工程中裂縫形態(tài)判別的初步依據(jù)。對(duì)螺旋射孔條件，采用有限元方法計(jì)算了破裂壓力，得到了螺旋射孔參數(shù)與地層破裂壓力的關(guān)系，給出了相應(yīng)的射孔參數(shù)的優(yōu)選方案。
　　 2.模擬了一口典型的水平縫壓裂油井裂縫擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程，在模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果符合良好的

6、基礎(chǔ)上改變不同參數(shù)，得到了這些參數(shù)對(duì)水平裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律，為實(shí)際的水平裂縫水力壓裂的設(shè)計(jì)和施工提供了參考。
　　 3.對(duì)某薄差層壓裂油井的分層壓裂過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)自編程序?qū)崿F(xiàn)了前期裂縫閉合在支撐劑上對(duì)后續(xù)壓裂的影響，模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果符合良好，在此基礎(chǔ)上從裂縫形態(tài)、壓力和壓后產(chǎn)能的角度，給出薄差儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中水平多裂縫之間的干擾規(guī)律，界定了薄差儲(chǔ)層的有效開(kāi)采間距。
　　 4.對(duì)不同射孔形式下水平裂縫的擴(kuò)展過(guò)