水平井压裂裂缝起裂及延伸规律研究

水平井段内多裂缝压裂技术研究与应用申贝贝;何青;张永春;李雷;刘威【摘要】针对大牛地气田致密低渗地层特征,在总结水平井压裂工艺应用情况及其优缺点的基础上,开展了水平井段内多裂缝压裂新工艺的研究,特别是对水平井段内多裂缝压裂使用高强度水溶性哲堵剂的控制工艺原理以及段内裂缝的干扰进行了分析.并对DPT-8和DPH-60两口水平井实施了段内多缝压裂技术的现场应用试验.试验结果表明,该技术利用暂堵剂能依次封堵先期压裂形成的裂缝,使其不断蹩压而在段内发生多次起裂并延伸,形成多条新的裂缝,从而有效地增加改造体积,扩大泄油气面积或范围,进而提高压裂改造程度和油气增产效果.并能节约封隔器和压差滑套,降低施工作业成本,为大牛地气田致密低渗储层的改造探索出了新的技术途径.【期刊名称】《天然气勘探与开发》【年(卷),期】2014(037)001【总页数】4页(P64-67)【关键词】致密低渗储层;水平井压裂;段内多裂缝压裂;大牛地气田【作者】申贝贝;何青;张永春;李雷;刘威【作者单位】中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院【正文语种】中文大牛地气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段，主要含气层位为上古生界下石盒子组、山西组和太原组。

自从1999年首钻大探1井试获工业气流后，经过多年的勘探开发与研究，取得了丰硕的成果。

目前，上古生界砂岩储层的开发已经逐渐走向规模化、工业化的开发阶段。

常规的直井开发在大牛地致密低渗储层中开发难度大，建产率低。

为了扩大井筒泄气面积，提高单井控制储量和产能，并借鉴前期气田开发的探索实践，华北分公司工程技术研究院通过转变理念、优化设计、完善管理，不断完善工程工艺措施，逐渐形成了满足大牛地气田致密低渗储层有效开发的工程工艺技术措施。

目前，大牛地气田主要以水平井开发为主，并已经建成国内第一个全部采用水平井开发的10×108m3产能气田。

middle crack while the two sides of the crack repel each other. Under the condition of sequential fracturing with three clusters of fractures, the longest fracture can be obtained compared with synchronous fracturing and two-step fracturing.(4) When a hydraulic crack encounters a single natural crack with 90 degrees dip, secondary cracks will occur at both ends of the natural crack, otherwise only one secondary crack will occur at the end of the natural crack with small dip; when two natural cracks with 90 degrees dip are encountered, the second natural crack will severely inhibit the length of secondary cracks produced at the end of the first natural crack.This paper further reveals the law of fracture propagation and shape change in shale horizontal wells. The method of hydraulic fracturing simulation based on extended finite element method can be used to analyze the law of fracture propagation under various factors.Keywords: Shale,Horizontal Well, Hydraulic Fracturing, Fracture Propagation, Extended Finite Element MethodThesis: Fundamental Study(The paper is supported by the China National Science Foundation Research on Brittle Failure Mechanism of Shale Reservoir based on macro-micro mechanics, Grant No:51674197)目录第一章绪论 (1)1.1 选题背景和研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 水平井多簇裂缝扩展竞争机制研究 (2)1.2.2 水力裂缝与天然裂缝相互作用关系研究 (4)1.2.3 裂缝扩展模拟方法研究 (6)1.3 研究内容及创新点 (8)1.3.1 研究内容 (8)1.3.2 技术路线 (8)1.3.3 创新点 (9)第二章基于XFEM的水力压裂理论基础 (10)2.1 多孔介质基本理论 (10)2.1.1 基本物性参数概念 (10)2.1.2 有效应力原理 (11)2.2 扩展有限元方法 (11)2.2.1 扩展有限元位移标准格式 (11)2.2.2 模拟裂缝扩展的水平集方法 (14)2.3 ABAQUS软件在水力压裂模拟中的具体实现 (16)2.4 基于XFEM的裂缝起裂和扩展准则 (16)第三章水力压裂数值模型建立及验证 (19)3.1 模型基本假设 (19)3.2 水力压裂数值模拟基本方程 (20)3.2.1 基于有效应力原理的渗流/应力耦合基本方程 (20)3.2.2 裂缝内流体流动方程 (21)3.2.3 边界条件 (22)3.3 基于XFEM的渗流/应力耦合方程离散 (22)3.4 ABAQUS软件模拟水力压裂的基本步骤 (24)3.5 基于扩展有限元的水力压裂模型验证 (28)3.5.1 真三轴水力压裂物模对比验证 (28)3.5.2 水力裂缝内压强及入口缝宽变化规律验证 (29)第四章页岩水平井压裂单缝扩展规律研究 (31)4.1 单裂缝扩展水力压裂模型及求解 (31)4.2 射孔方位角对裂缝扩展规律的影响 (32)4.2.1 裂缝扩展形态规律分析 (32)4.2.2 起裂压力变化规律 (34)4.2.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (34)4.2.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (35)4.3 水平应力差对裂缝扩展规律的影响 (36)4.3.1 裂缝扩展形态规律分析 (36)4.3.2 起裂压力变化规律 (37)4.3.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (38)4.3.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (38)4.4 注入排量对裂缝扩展规律的影响 (39)4.4.1 裂缝扩展形态规律分析 (39)4.4.2 起裂压力变化规律 (40)4.4.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (41)4.4.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (41)4.5 压裂液黏度对裂缝扩展规律的影响 (42)4.5.1 起裂压力变化规律 (43)4.5.2 单缝半长和入口处宽度变化规律 (43)4.5.3 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (44)第五章页岩水平井压裂多簇裂缝扩展规律研究 (45)5.1 多簇水力裂缝扩展模型及求解 (45)5.2 压裂两簇裂缝时扩展规律分析 (47)5.2.1 两簇裂缝扩展形态分析 (47)5.2.2 缝间距对裂缝扩展规律的影响 (49)5.2.3 水平应力差对裂缝扩展规律的影响 (51)5.2.4 裂缝长度对裂缝扩展规律的影响 (54)5.2.5 注入排量对裂缝扩展规律的影响 (55)5.3 压裂三簇裂缝时扩展规律分析 (56)5.3.1 三簇裂缝扩展形态分析 (56)5.3.2 压裂次序对裂缝扩展规律的影响 (58)5.4 压裂四簇裂缝时扩展规律分析 (59)5.5 水力裂缝与天然裂缝相交扩展规律研究 (61)5.5.1 水力裂缝与天然裂缝交互数值模型 (61)5.5.2 物理模型建立及求解 (62)5.5.3 裂缝扩展规律分析 (63)第六章结论与建议 (66)6.1 结论 (66)6.2 建议 (66)致谢 (68)参考文献 (69)攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果 (76)第一章绪论1.1 选题背景和研究意义伴随着经济全球化发展趋势愈演愈烈，世界各国经济总量不断迈入新台阶，尤其以中国为首的发展中国家于2010年末一跃成为世界第二大经济体。

水平井压裂起裂规律研究现状X冯彦田,王继波,胥元刚(西安石油大学石油工程学院,陕西西安　710065) 摘　要:介绍了国内外在水平井压裂裂缝起裂规律的研究进展,主要包括运用解析法和有限元法两种不同方法,研究了水平井井筒周围地应力分布对裂缝起裂的影响,破裂压力及起裂方位,指出了目前研究中的不足,并对未来的研究方向进行了分析和展望。

关键词:水平井压裂;地应力;破裂压力;起裂方位;研究现状 水力压裂油气井是增产的一项重要技术,利用地面的高压泵组将高粘度液体泵入井中,当目的层段的液体压力超过一定值后,岩石破裂,随着支撑剂的运移和沉降,逐渐形成一条高渗的填砂裂缝。

水平井压裂与常规直井压裂相比,水平井本身所具有的特殊性和复杂性,钻遇地层情况复杂。

因此,水平井压裂起裂与直井压裂起裂有很大的区别:水平井压裂裂缝的起裂与井筒周围的应力分布、射孔、完井方式、井筒压力以及天然裂缝都密切相关。

众所周知,水平井压裂方面的相关研究在国外一些发达的产油国得到了较早、较全面的认识、研究;而我国在近十年对水平井的开发利用以及压裂方面也做了很多工作并取得了可喜的成绩。

自从Gig er[1]首次提出水平井水力压裂的概念以来,水平井水力压裂的发展已经得到了广泛的认识和深刻的研究。

从那时开始,伴随着水平井技术的不断发展以及在水平井施工过程中各种外来因素的影响和地质构造方面复杂性、多变性的存在,为了提高水平井压裂的成功率,在进行水平井压裂设计时必须考虑各种因素的综合影响——如钻井、射孔后原始地应力在井筒以及孔眼周围的重新分布;起裂条件的分析以及起裂压力的计算以及裂缝的起裂形态研究等。

因此,对于水平井压裂裂缝起裂规律的研究分析无疑是后续工作的基础又是水平井压裂成功的关键。

1　地应力分布模型的发展现状在地应力场的研究方面,已经有许多学者专家做了大量的研究工作:M.M.Hossain[2]给出了斜井井筒应力分布的计算模型,并运用叠加原理在斜井周围应力分布的数学模型下经推导得出了柱坐标系下水平井井筒水平段任意一点处的应力分布;余雄鹰[3]等根据Yew[17]改进的坐标系统,利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型;陈勉等[4]考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件对裂缝起裂的影响,利用多孔弹性理论,采用叠加原理建立了斜井井筒周围的应力分布;程远方等[5]假设岩石是小变形多孔弹性体,利用叠加原理并考虑到钻井液渗流效应,建立了井眼围岩应力分布规律;徐严波[6]考虑了地层温度变化产生的热应力的影响,建立了新的水平井筒周围应力分布的数学模型;王培义等[7]初步研究了水平井水力压裂机理,建立了水平井井眼的应力分布模型;刘翔[8]运用解析方法研究了射孔后孔眼围岩的地应力分布;而胡永全等[9]首次将射孔井套管和岩石化为两种不同性质的材料,按线弹性有限元方法计算近井地带应力场。

水平井连续油管分段压裂技术研究连续油管压裂技术可以实现一次多压作业，更好地提高油井产量。

本文对连续油管分段压裂技术进行简单的叙述，并对连续油管分段压裂方案优化展开探讨和研究。

标签：水平井;连续油管技术;分段压裂低渗透油藏是很多油田提高产量的重要资源，采用水平井分段压裂技术可以使低渗透油藏流通性变好、减小渗流阻力、提高油田采收率。

水平井开发技术的进步，可以有效地动用难以开采的油藏，分段压裂施工需要以压裂管柱的安全起下作为保证，连续油管在卷筒拉直以后下放到井筒中，当作业完成之后从井中提取出来重新卷到卷筒中，具有很高的作业效率。

1连续油管分段压裂技术概述该技术以水动力学作为研究的前提，把连续油管技术实现与压裂技术的结合，采用喷砂射孔及环空加砂进行压裂的办法，可以对水平井进行一次多压。

进行施工作业过程中，需要先设计好压裂施工所采用的工具串，是由导引头、机械丢手、喷枪、封隔器等构成，压裂施工时把工具串投入到井筒中，采用机械定位装置实现位置确定，并对深度进行校核，利用打压办法来完成封隔器的坐封，达到合格标准之后就可以应用连续油管水力喷砂射孔技术进行作业，再采用环空加砂压裂技术，当完成一段压裂作业之后再对管柱进行上提操作，在后续层段采用相同的施工作业方式，不需要太多的时间就可以实现对多层段的地层压裂改造作业。

2连续油管分段压裂方案优化某油田区块采用水平井连续油管技术进行分段压裂增产，达到了比较理想的效果，把裸眼封隔器分段壓裂作为主要的压裂工艺技术，可该压裂工艺需要较长的作业时间，压裂之后还需要较多的工艺来完善，很难对裂缝起始位置进行有效地控制，为了提高压裂增产效果，可以采用连续油管分段压裂技术，充分考虑到多种影响因素，对原有的压裂方案进行优化改进。

2.1裂缝特征优化地层裂缝长度情况直接影响着低渗透油藏的开采效果，如果地层裂缝长度变大，油气产量则会相应地提升。

对早期投入使用的油井地质情况进行分析来看，如果地层裂缝长度达到90-100米，可以达到较高的原油产量，从而实现较长的稳产时间。

PetroleumEngineeringTechnology 石油工程技术中国石油和化工2013·09本栏目合办单位：中国石油大学（北京）北京雅丹石油技术开发有限公司53中国石油和化工2013·09裂。

交互式压裂的布缝方式为在压开两条裂缝后，再在两条缝之间压开一条缝，并在之后的压裂程序上重复这样的操作，直到完成设计的裂缝条数。

这种布缝方式可以改变裂缝范围内应力场的分布，造出更多与主裂缝连通的次生裂缝，使整个水平井段改造体积增大。

本文研究了这种布缝方式下地层最小主应力的改变情况，为了模拟交互式压裂的诱导应力场，模型设置前两条缝的间距为１５０米，第三条缝在前两条缝的中间位置，中间缝的扩展对最大水平主应力的改变情况影响很大，又受前两条缝净压力的影响。

（见图１）图２为缝端部的剪切应力改变情况，这种改变是通过微地震监测得到的，当缝端剪切应力发生改变时就会发射出一种可以被微波接收器捕捉到的剪切波，通过对微地震事件的反衍得到准确的裂缝位置［８］。

从图中可以看出缝端的这种剪切应力改变最为明显，因此随着中间裂缝的扩展所产生的诱导应力有可能压开非常规储层（如页岩）的弱层理面，波及更大的地层范围。

尽管这种布缝方式易于制造出复杂缝网结构，但在工艺上却很难实现，而且在近井筒带有可能发生应力反转，因此这项技术目前来看还不适合应用于油田现场。

同步压裂（拉链式压裂）同步压裂技术指两口平行的水平井同时压裂，Ｒｏｕｓｓｅｌ　和Ｓｈａｒｍａ在２０１０年模拟了这种压裂方式裂缝周围的应力分布状况。

当相对的两条裂缝向对方延伸时，在裂缝尖端会产生一定程度的扰动，使裂缝向垂直于水平井筒方向延伸。

（见图３）我们希望看到的是在裂缝尖端有剧烈的应力改变，但模拟显示与交互式压裂相比这种改变是非常小的。

但裂缝尖端的剪切应力改变较为明显（见图４），有可能导致裂缝转向。

当两条相对的裂缝距离非常近时就有可能发生裂缝转向，增加两口井连通的风险。

第26卷 第3期2005年5月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV ol.26 N o.3M ay 2005基金项目:国家自然科学基金项目(No.50274054)/水平井水力裂缝非平面扩展的物理模拟研究0部分成果。

作者简介:张广清,男,1975年7月生,2002年毕业于石油大学(北京),现为中国石油大学讲师,博士,北京大学力学与工程科学系博士后,主要从事石油工程岩石力学研究。

E O m ail:zgq 1975666@文章编号:0253O 2697(2005)03O 0095O 03水平井水力裂缝非平面扩展研究张广清1,2 陈 勉2(11北京大学力学与工程科学系 北京 100871; 21中国石油大学石油天然气工程学院 北京 102249)摘要:基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法,建立了水平井筒附近水力裂缝空间转向模型,用于分析三向地应力和井筒内压作用下水平井筒水力裂缝的起裂位置和扩展形状。

根据此模型,编制了数值计算程序。

针对所建立的理论模型,在真三轴水力压裂模拟装置上采用300mm @300mm 的岩石试样进行了物理模拟,模型计算结果与物理模拟结果基本一致。

通过模拟计算和物理试验,得到了井筒附近水力压裂裂缝空间转向的基本规律。

研究结果表明,水平井井筒附近水力裂缝确实存在空间转向现象,裂缝在转向前与井筒的距离随井筒方位角增大而增加,但增加幅度不大,大致发生在3倍井筒直径的范围内。

关键词:水力压裂;裂缝非平面扩展;水平井;物理模拟;计算模型中图分类号:T E 357111 文献标识码:ANon -planar propagation of hydraulic fracture near horizontal wellboreZH AN G Guang -qing1,2CH EN M ian2(1.D ep ar tment of M echanics and Eng ineer ing ,P ek ing Univer sity ,Beij ing 100871,China;2.Faculty of Petroleum E ngineer ing ,China Univer sity of P etr oleum ,Beij ing 102249,China)Abstract :A three -dimensio nal model fo r describing hydraulic fr act ur e r eo rientation near ho rizo ntal w ellbore was established o n the basis o f max imum tensile str ess crit erio n and the L ag range M ultiplier method.T he model can be used to analy ze no n -planar shape o f hy dr aulic fr act ur e during propag ation under thr ee far -field gr ound -stresses and w ellbore pr essure.T he numer ical codes wer e dev e-l o ped for simulatio n.A cco rding to the theoret ical mo del,labor ator y ex periments w ith r ock sample o f 300mm @300mm @300mm in size w ere made o n t he tr ue tr-i ax is simulation equipment o f hy draulic fr act ur ing.T he ca lculated results by t he theo retical model ar e basically co nsistent with those of ex periments.T he fundamental patterns o f thr ee -dimensional r eorientat ion o f hy dr aulic fracture near wellbor e wer e obtained.T he main results of theo retical model and ex perimental v erificat ion sho wed that three -dimensional reo rienta -t ion of hydraulic fr actur e ex ists near hor izo nt al wellbor e indeed,and the distance awa y fro m w ellbo re before fr actur e turning incr eases w ith increament o f w ellbore or ientatio n angle.T he increasing mag nitude is limit ed.G ener ally it occurs w ithin three times o f wellbor e diameter.Key words :hy dr aulic fr actur e;non -planar fracture pro pag atio n;hor izo nt al w ellbo re;physical simulatio n;calculation model水力压裂是一项重要的油田增产增注措施,在水力压裂方面已进行了大量的理论、试验和数值模拟研究[1]。

水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律探讨摘要：在油气开采中，水平井压裂裂缝是隧道最常见的一种情况，往往是多种因素共同作用的结果，由于裂缝的深度、宽度变化以及裂缝的形成因素均有不同，且根据现场施工条件，对裂缝的处理方法也是不一样的。

严重的情况不仅危害整体性，还会引起稳定性和其它情况的发生，形成恶性循环，都会影响耐久性。

本文主要探讨了水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律。

关键词：水平井压裂；裂缝起裂；裂缝延伸规律；探讨引言：由于在日常的生产中，水平井压裂往往具有特殊性，考虑到难度系数较大，我们不能依靠一个人员或者小组，常常必须需要不同团队参与施工。

不论是在哪个段落的水平井压裂，整个队伍都应该是严谨而认真的，做到每一个流程都规范，如果不这样做，施工随时面临着巨大的风险问题。

所以相应地，施工技术也应该着力提升。

团队在施工前就应该努力思考，做好风险备案，在面对各种风险时才能有备无患，实现稳定性的逐步提升。

在正常的作业环境中，施工团队也不能放松警惕，在日常要预先思考应急方案，针对假想的风险作出正确的判断。

整个施工作业完成以后，施工团队要对整体水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律进行细致的检查和排查。

1.水平井的优势及压裂在油气开采中，由于水平井所接触油气储层长度比较大，能够很好地增加储层的泄油面积，提高油气产量。

另外在油气开采中，如果储层有天然裂缝，通过水平井可以把天然裂缝贯穿起来，从而更好地对油气资源进行开采。

在油气开采中，如果井筒和最大应力方向相同，就会形成和最小应力方向垂直的纵向裂缝。

对于施工项目的管理的重视，更是防患于未然的关键因素。

很多团队的专业设备少，但是承接的项目却很大，而且数量还在不断地增加，忽视总结经验，也不注意提升自身的技术水平国内许多建设企业，受自身规模影响，更少的企业愿意斥资引进专业设备。

2.水平井压裂裂缝延展规律2.1水平井压裂的两个关键方面：水泥胶结强度在裂缝形成中的作用，以及射孔丛间距对裂缝宽度的影响。

水平井压裂裂缝起裂与扩展引言：通过国内外研究人员实践表明：由于水平井具有单井产量高、穿透度大、泄油面积大、油气储量利用率高及能避开障碍与环境复杂的区域等特点。

对于低渗透油藏、薄差储层油藏、储量较小的边际油藏以及稠油油气藏等，水平井压裂是这类油藏最佳的开采方式。

最近一段时期，随着学者们的不断研究以及钻井完井等工艺技术水平的提高，水平井开发技术成为人们开发低渗透油田的研究重点并被广泛应用。

水平井与垂直井、普通定向井的裂缝起裂机理都有明显区别。

水平井自身存在复杂性与特殊性，钻遇地层环境比较复杂，水力裂缝在发生破裂时所需的起裂压力比垂直井的破裂压力高得多，通常会发生裂缝不张开，导致压裂失败。

深入研究水平井裂缝起裂机理，找出合理的起裂规律是水平井压裂施工成功前提保障。

第1章水平井井壁上的应力状态水力压裂时裂缝的形成主要是决定于井壁的应力状态。

一般认为：当井壁上出现有一个超过岩石抗拉强度的拉伸应力时，井壁便开始破裂。

1.1 由于地应力所产生的井壁应力地应力是由地壳岩层的重力场或即上覆地层压力及地质构造应力场所组成的。

一般可认为, 地应力中的一个主应力是垂直于地壳表面的,其余两个主应力则是水平的。

如果只考虑上覆地层载荷引起的重力作用(即不存在地质构造运动力)，且认为地下岩石处于纯弹性状态,可将初始的地应力分解为垂道方向的正主应力σz和两个相等的水平方向的正主应力σx入和σy。

式中h-底层的埋藏深度；ρ-上覆岩层的平均容重，其理论值可取。

00231kg/cm3;μ-岩石的泊松比。

在有些构造运动活跃的地区会出现异常大的侧应力(水平应力) , 井且在通常的情况下三个原地主应力是不相等的。

设取压应力的符号为正, 拉应力为负, 三个主应力分别表示为σ1,σ2和σ3 (σ1>σ2>σ3>0) , 根据地质构造形成时的受力特点, 正断层、逆断层和平推断层发育的区域里, 三个主应力的方向是不相同的(图1)。