z z z P s g i o l e P f r p
第２９卷第２期２００８年３月 石油学报 ＡＣＴＡＰＥＴＲＯＬＥＩＳＩＮＩＣＡ Ｖ０１．２９Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２００８ 文章编号：０２５３—２６９７（２００８）一０３００—０４ 岩性突变体对水力裂缝延伸影响的实验研究 金衍陈勉周健耿宇迪 （中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京１０２２４９） 摘要：产层水平方向常夹杂着岩性突变体，并且会阻碍水力裂缝在缝长方向的扩展或改变水力裂缝的扩展方向，从而影响水力压裂的效果。室内物理模拟实验研究发现，突变体法向应力对水力裂缝能否穿过突变体起着决定性作用，约４ＭＰａ的法向应力差可以促使水力裂缝穿透突变体，继续沿原来的方向延伸。产层与突变体之间的弹性模量差异、断裂韧性差异以及缝内净压力无因次量是影响裂缝走向的重要因素。水力裂缝穿过突变体需要比较大的能量积累，泵压会有显著波动。 关键词：水力压裂；突变体；裂缝延伸；法向应力差；产层；断裂韧性；实验研究 中图分类号：ＴＥ３５７．１１文献标识码：Ａ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆ ｃｅｍｅｎｔｂｌｏｃｋｓ ＪＩＮＹａｎＣＨＥＮＭｆａｎＺＨＯＵＪｉａｎＧＥＮＧＹｕｄｉ （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒｓｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｐａｙｚｏｎｅ，ｗｈｉｃｈｍａｙｂｅｈｉｎｄｅｒｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅＯｒｃｈａｎｇｅｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅ，ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｍａｙｂｅｄｉｓｃｏｕｎｔｅｄ．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｔｏｔｈｅｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒｍａｉｎｌｙｄｅｐｅｎｄｅｄｏｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒａｎｄｐａｙｚｏｎｅ．Ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｃｏｕｌｄｐｅｎｅｔｒａｔｅｉｎｔｏｔｈｅｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｅｉｎｏｒｉｇｉｎａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｂｏｕｔ４ＭＰａ．Ｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓｎｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆＹａｎｇ’Ｓｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｒｅｓｅｒｖｏｉｒａｎｄｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒａｌｓｏａｆｆｅｃｔ－ｅｄｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｓｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒｎｅｅｄａｌｏｔｏｆｅｎｅｒｇｙａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｌｅａｄｔｏａｎｏｔａｂｌｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｒｖｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｓａｌｕｔａｔｏｒｙｂａｒｒｉｅｒ；ｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ；ｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｐａｙｚｏｎｅ；ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ； ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ 水力裂缝在缝长方向扩展过程中遭遇岩石物理、力学性质差异较大的突变地层（构造），受分界面两侧的岩石渗透性、弹性及界面几何、物理特性的影响，裂尖在界面处的应力场将发生变化［１］。裂尖在界面将可能出现３种不同情况［２。引。国内研究很少涉及产层水平向岩性突变体对水力裂缝在缝长方向扩展的影响。对砂岩产层进行水力压裂作业时，由于沉积环境的影响，产层水平向夹杂的岩性突变体可能阻碍水力裂缝在缝长方向的扩展或改变水力裂缝的扩展方向，从而影响水力压裂的效果。笔者利用室内物理模拟实验研究了岩性突变体对水力裂缝扩展的影响。１实验方案 假设水力裂缝在远场的延伸方向与最大水平主应力方向一致，而岩性突变体平面与最大水平主应力方向垂直。实验时在一个水平方向少许加载，另一个相垂直的水平方向的加载值为水平主应力之差。 为了得到直观的压裂效果，所使用的试样几何形状要简单，并控制裂缝尽可能在垂直于突变体的平面内扩展，同时，植入水泥块中的突变体应与水泥块结合完好（图１）。 该实验各个环节较易控制，原因是：①压裂液注入管和突变体的相对位置可以进行合理布置；②突变体 基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０３０４０１０和Ｎｏ．９０５１００５）资助。 作者简介：金衍，男．１９７２年８月生，２００１年获石油大学（北京）油气井工程专业博士学位，现为中国石油大学（北京）石洫天然气工程学院副教授，主要从事岩石力学方面的教学与科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｊｉｎｙ＠ｂｊｐｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 万方数据
图片简介: 本技术介绍了一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，包括以下步骤，获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型，根据实际工程问题确定水力裂缝扩展模拟相关参数，建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述模型开展数值计算，得到数值模拟结果，根据数值模拟结果进行压裂效果分析，本技术采用弹塑性本构方程描述深层油气藏压裂过程中的岩石非线性变形，耦合井筒内、裂缝内和基质中流体流动，实现深层油气藏水力裂缝扩展过程的精准模拟，并对压裂效果进行定量分析，为深层油气藏人工压裂的预测、评价和优化提供有效手段。 技术要求 1.一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤: S1.获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型； S2.确定所述水力裂缝扩展数值模拟的相关参数； S3.建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述深层油气藏水力裂缝扩展数学模型开展数值计 算，得到数值模拟结果； S4.根据所述数值模拟结果进行压裂效果分析。 2.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S1包括： 根据深层油气藏的实际地质数据和现有地质模型数据，获取在水平面上的所述天然裂缝分布信息，包括裂缝的中心点、长度、倾角信息； 根据所述天然裂缝分布信息，建立所述离散天然裂缝系统几何模型； 若地层中不发育有天然裂缝，则此步骤省略。
3.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： S2所述相关参数包括： 岩石弹性力学参数，包括杨氏模量和泊松比； 岩石塑性力学参数，包括内摩擦角、膨胀角和粘聚力； 岩石断裂力学参数，包括抗拉强度和断裂能； 岩石天然裂缝性质，包括内聚力和摩擦角； 岩石物理参数，渗透率和孔隙度； 储层参数，储层厚度、孔隙压力和水平主应力； 压裂液参数，粘度、密度和注入速率。 4.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S3包括： S3.1.构建岩石非线性变形模型； S3.2.构建流体流动模型； S3.3.构建全局嵌入式内聚区模型； S3.4.多物理场耦合求解。 5.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建岩石非线性变形模型包括构建应力平衡方程、几何方程和弹塑性本构方程； 所述岩石非线性变形，采用德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则进行描述； 所述弹塑性本构方程，基于所述德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则，根据增量塑性理论推导获得。 6.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建流体流动模型包括构建井筒内流体流动模型、裂缝内流体流动模型和基质内流体流动模型；所述井筒内流体流动，被简化为一维流动，其流动规律符合基尔霍夫定律；
第４２卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１３年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１３高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究 张小东１，２，张 鹏１，刘 浩１，苗书雷１ （１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 ４５４００３； ２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 １０００８３） 摘要：为了研究煤层气井水力压裂后的裂缝扩展规律，以沁水盆地南部煤层气井为例，基于区内煤储层的物性特征和水力压裂工程实践，根据水力压裂原理，采用数值分析的方法，探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，构建了高煤级煤储层水力压裂的裂缝扩展模型，并进行了验证．研究结果表明：区内煤层气井压裂后形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．区内常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７．０ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．模型计算结果与实测值、生产实践较为吻合． 关键词：高煤级煤；水力压裂；滤失系数；裂缝扩展模型 中图分类号：Ｐ ６１８．１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１３）０４－０５７３－０７ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ１，ＬＩＵ Ｈａｏ１，ＭＩＡＯ Ｓｈｕ－ｌｅｉ １ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔｏｏｋ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ｏｆ Ｑｉｎｓｈｕｉ ｂａｓｉｎ ａｓ ａ ｃａｓｅ ｉｎ ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄ ｐｒｏ－ｐｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｄｕｒ－ｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｎｅｓ；ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎ－ｆｏｒｍ ｔｏ ＫＧＤ ｍｏｄｅｌ；ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ ｖａｒｙ ｆｒｏｍ ４７．８ｍ ｔｏ １７７．０ｍ，ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ９０．６ｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｗｉｄｔｈｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ０．０１３ｍｔｏ０．０４９ｍ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ０．０２８ｍ．Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎ－ 收稿日期：２０１２－０８－２１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２１１３）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目（ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１） 通信作者：张小东（１９７１－），男，河南省温县人，副教授，工学博士，从事煤地球化学、煤层气地质与工程方面的研究． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ＿ｗｅｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ Ｔｅｌ：０３９１－３９８７９０１
摘要 本文对目前国内外了解裂缝形态的技术进行了总结，分为室内实验和现场监测两部分，分别对其技术原理进行了阐述，并对几种现场监测技术进行了对比，加深了对裂缝监测技术的认识。在此基础上，提出面对复杂地层，应该结合不同监测技术进行优化设计，以更好指导生产。 关键词：室内试验；裂缝监测；水力压裂
一、前言 当今石油储量日渐消耗，需求却逐日增长，这对石油产量提出了更高的要求。而每年产量的提高除通过探测新油气储存区外，低渗透储层或者老旧油区的剩油、稠油、重油等也开始受到重视，而其中低渗油藏的油气资源是现今利用最多的一种，成为能源主要的供应来源之一。但是对低渗透储层中油气的开采，需要通过特别的处理手段，才能够实现经济开采，水力压裂是目前各大油田中常用的增产手段。水力压裂形成的人工裂缝的形态是压裂施工是否成功的关键之一，对不同条件下压裂裂缝形态的研究具有重要意义。由于实际上压裂施工是在井下进行操作，压裂效果只能通过压裂工人的经验以及压裂井压后的生产数据进行分析判断，或通过压裂施工的破裂压力等数据进行粗略判断。这些方法存在如下问题： （1）经验性。即解释结果受操作者的经验限制较大，对于比较陌生的地层，其结果与实际条件存在较大差距。 （2）精度较低。没法准确判断人工裂缝的走向和方位，裂缝参数的计算。 （3）施工复杂，周期长，成本高。 （4）推广困难。一个地区的经验很难用到地层条件有差异的地区。 因此，本文通过调研，对目前室内和现场常用的裂缝形态研究和监测手段进行了综述。 一、室内实验 目前，水力裂缝形态的室内研究主要是通过裂缝模拟实验系统进行。最早进行室内实验的是Abbas Ali Dane shy[1]，通过自行研制的实验系统对地层存在弱面条件下裂缝的延伸规律进行了研究。此后国外又有众多学者[2][3][4]通过裂缝模拟实验系统对不同地层条件下的裂缝形态进行了研究。而目前国内只有石油大学(北京)岩石力学实验室[5]拥有一套自行设计组建的大尺寸真三轴模拟试验系统。 近些年，随着水平井重要性的不断上升，对水平井裂缝形态的研究也显得尤为重要。国外，代表性的研究工作是W.El Rabaa对水平井起裂裂缝的几何形状的试验研究。国内，史明义等[6]对中国石油大学(北京)岩石力学试验室组建的一套大尺寸真三轴模拟试验系统进行了改造和完善，使这套系统也能够对水平井裂缝形态问题进行研究。
收稿日期：20131204；改回日期：20140519 基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层低频脉冲水力压裂增渗机理研究”（51304258）；“863计划”页岩气勘探开发新技术“页岩气压裂裂缝微地震监测技术研究” （2013AA064503）作者简介：潘林华（1982－）， 男，工程师，2006年毕业于中国石油大学（北京）土木工程专业，2013年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。 DOI ：10.3969/j.issn.1006－6535.2014.04.001 页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展 潘林华 1，2，3 ，程礼军1，2，3，陆朝晖1，2，3 ，岳 锋 1，2，3 （1.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室重庆地质矿产研究院，重庆400042；2.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心 重庆地质矿产研究院，重庆400042； 3.油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心，重庆400042） 摘要：页岩储层低孔低渗，水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施，压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析，得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法，但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程；②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟方法，但各种方法都有其优缺点和适用性，需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展；③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成，天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大，复杂裂缝网络形成难度越大；天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小，越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词：页岩气；水平井；水力压裂；压裂技术；裂缝扩展；室内实验；数值模拟中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1006－6535（2014）04－0001－06 引言 页岩储层孔隙度、 渗透率极低，给页岩气的经济高效开发带来了极大的困难和挑战，长水平井段钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的关键和核心技术 ［1－2］ ，能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积，最终达到提高产量和采收率的目的。页岩储层脆性大，天然裂缝和水平层理发育，压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏 ［3］ ， 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝，可能形成复杂的网状裂缝，给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟方法的现状，分析了各种页岩水力压裂技术及压裂裂缝模拟方法的优缺点，对后续页岩储层水平井水 力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。 1页岩储层水力压裂技术 页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。1.1 页岩储层水平井多级压裂技术 水平井多级压裂技术是页岩储层开发的关键技术，长水平井段、多级水力压裂使页岩储层能够形成多条压裂裂缝，可以增大页岩储层与井筒的渗流通道［4］ 。目前常见的页岩水平井压裂主要有4 种。 （1）水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 ［5－6］ 。该技术是国内外常用的页岩储层水力压
水力压裂水力压裂：： 一项一项经久不衰的技术经久不衰的技术经久不衰的技术 自从Stanolind 石油公司于1949年首次采用水力压裂技术以来，到今天全球范围内的压裂施工作业量将近有250万次。目前大约百分之六十新钻的井都要经过压裂改造。压裂增产改造不但增加油井产量，而且由于这项技术使得以前没有经济开采价值的储量被开采了出来（仅美国自1949年以来就约有90亿桶的石油和超过700万亿立方英尺的天然气因压裂改造而额外被开采出来）。另外，通过促进生产，油气储量的静现值也提高了。 压裂技术可以追溯到十八世纪六十年代，当时在美国的宾夕法尼亚州、纽约、肯塔基州和西弗吉尼亚州，人们使用液态的硝化甘油压浅层的、坚硬地层的油井。目的是使含油的地层破裂，增加初始产量和最终的采收率。虽然使用具有爆炸性的硝化甘油进行压裂是危险并且很多时候是违法的，但操作后效果显著。因此这种操作原理很快就被应用到了注水井和气井。 在十九世纪三十年代，人们开始尝试向地层注入非爆炸性的流体（酸）用以压裂改造。在酸化井的过程中，出现了一种“压力从逢中分离出来”现象。这是由于酸的蚀刻会在地层生成不能完全闭合的裂缝，进而形成一条从地层到井的流动通道，从而大大提高了产量。这种“压力从逢中分离出来”的现象不但在酸化的施工现场，在注水和注水泥固井的作业中也有发生。 但人们就酸化、注水和注水泥固井的作业中形成地层破裂这一问题一直没有很好的理解，直到Farris 石油公司（后来的Amoco 石油）针对观察井产量与改造压力关系进行了深入的研究。通过此次研究，Farris 石油萌生出了通过水力压裂地层从而实现油气井增产的设想。 第一次实验性的水力压裂改造作 业由Stanolind 石油于1947年在 堪萨斯州的Hugoton 气田完成（图 1）。首先注入注入1000加仑的粘 稠的环烷酸和凝稠的汽油，随后是 破胶剂，用以改造地下2400英尺 的石灰岩产气层。虽然当时那口作 业井的产量并没有因此得到较大 的改善，但这仅仅是个开始。在 1948年 Stanolind 石油公司的 J.B.Clark 发表了一篇文章向石油 工业界介绍了水力压裂的施工改造过程。1949年哈里伯顿固井公司（Howco）申请了水力压裂施工的专利权。 哈里伯顿固井公司最初的两次水力压裂施工作业于1949年3月17日，一次在奥克拉荷马州的史蒂芬郡，总花费900美元；另一次在位于得克萨斯州的射手郡，总花费1000美元，使用的是租来的原油或原油与汽油的混合油与100到150磅的砂子（图2）。在第一年中，332口井被压裂改造成功，平均增加了75%的产量。压裂施工被大量应用，也始料未及地加强了美国的石油供应。十九世纪五十年代中期，压裂施工达到了每月3000口井的作业量。第一个过五十万英镑的压裂施工作业是由美国的Pan 石油公司（后来的Amoco 石油，现在的BP 石油）于1968年10月在奥克拉荷马州的史蒂芬郡完成的。在2008年世界范围内单级花费在1万到6百万美元之间的压裂作业超过了5万级。目前，一般的单井压裂级数为8到40
1最大周向应力 破裂判据是断裂力学的核心问题，破裂判据是针对某一特定尺度、特定层次提出的。作为一个完整的破裂判据，至少能够回答两个问题：①破裂在什么条件下起始或继续：②破裂向什么方向扩展？ Erdogan 与薛昌明（Sih ）（1963）基于复合型裂纹在垂直于最大周向拉应力方向的平面内扩展这一实验观测结果，提出了最大周向拉应力准则。 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹，且K Ⅲ=0的情况下，裂纹前缘极坐标中的应力分量表达式为： [][]???? ? ? ?????+-+=+-+=+???????-+?-=-∏I -∏I -∏I ) ()1cos 3(sin 2cos 221)(sin 3)cos 1(2cos 221)(2sin )1cos 3(2cos )cos 3(2212/12/12/1r o K K r r r o K K r r o K K r rr θθθπθτθθθπσθθθθπσθθ （1） 1.1 裂纹扩展方向 最大周向拉应力准则认为：裂纹沿σθθmax 所对应的θ的方向扩展，该方向满 足以下条件： 0/,0/22
基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用 摘要：为了能够准确地描述裂缝扩展规律，本文通过能量分布状态规律，探讨了在裂缝扩展过程中能量的变化规律，在对裂缝扩展的建立方面给出了新的思路，并由此对裂缝扩展驱动力给出了相对应的表达式。提出了有关裂缝扩展驱动力的裂缝扩展准则，建立了关于裂缝扩展速率计算模型。实例计算结果表明，该模型计算结果与实际吻合较好。 abstract： in order to accurately describe the law of fracture propagation， the article， from the energy distribution， presents a new idea about establishing the criterion of crack propagation， explores the regulation of energy changes in the fracture propagation process and then obtains the relevant expression of driving force of fracture propagation. at the same time， the criterion of crack propagation with the expression of driving force of fracture propagation is put forward， and the calculation model of crack propagation rates is built. the calculating result is accurate and agrees well with practical ones. 关键词：水力压裂；裂缝扩展；能量守恒 key words： hydraulic fracturing；crack propagation；conservation of energy 中图分类号：te371 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）
第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报 China Safety Science Journal Vol．21No．7 Jul．2011 定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用* 徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116 2中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116） 学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A 基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）； 国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。 【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己 15 －31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。 【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射 Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension in Directional Hydraulic Fracturing and Its Application XU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China） Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac- turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F 15 -31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value． Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase； RFPA2D-Flow software；acoustic emission *文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－20
2天然裂缝的开启压力确定 储层裂隙岩体中存在着大量的孔隙或裂隙，这些缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质，也严重影响着岩体的渗透特性。在油田开发工程中，确定天然裂缝的开启压力是十分必要的。水力裂缝的扩展准则目前研究的比较多，而对天然裂缝扩展研究较少。目前应用较多的有如下几种判断天然裂缝开启压力的方法： 1）．基于岩石力学理论，以天然裂缝面为研究对象，在考虑孔隙压力作用下建立力的平衡方程得到的裂缝的张开压力。设最大主应力与天然裂缝面法线夹角为β，则裂缝面与最大主应力之间的夹角为2π ?β=+，作用在天然裂缝面上的正应力n σ为： 1313 cos 222n σσσσσβ+-=- 图1 共线多天然裂纹 天然裂缝张开压力[]： f n f p P S P σ=+- 式中，f P 为天然裂缝张开压力；f S 为天然裂缝抗张拉强度；p P 为油层孔隙压力。 2）．在注水开发中裂缝开启顺序及能力决定于裂缝走向与最大主应力之间的夹角，最小主应力越小，夹角越小，裂缝开启压力越小，反映注水压力越低。天然裂缝反之，天然裂缝不易开启，注水压力越高。其裂缝开启压力公式如下： []max min min ()sin P H F F F χ=-+ 式中：P 为裂缝开启压力；H 为油层某一深度；χ为裂缝与最大水平应力夹角；max F σ1
为最大水平应力梯度；min F 为最小水平应力梯度。 3）．压降分析方法。 绘制以无因次时间函数G 为横坐标、井底压力w P 为纵坐标的压降曲线，/w dP dG 持续不变时，此时水力裂缝还处于闭合阶段，天然裂纹未开启。在/w GdP dG 与G 的关系图中，当/w GdP dG 为直线时，通常认为此时无因次时间G 对应的压力为天然裂缝的闭合压力，即近似认为为天然裂缝的开启压力。[] 诸如Griffith 准则，Nolte 方法等在。经实践证明，Nolte 方法计算结果偏大；Griffith 准则在受拉断裂较准确，而压剪作用下的计算结果偏差较大；岩石力学计算方法相对比较精确，但需要知道天然裂缝的角度，对于一般的矿场运用不是十分方便；压降分析方法结果大体准确，运用十分方便，但是整个曲线的获得是在压裂后形成的，在压裂前无法做到预测，因此工程应用具有一定的局限性。
文献综述 前言 水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。 为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。 这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。 水力压裂技术的发展过程 水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段: 60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验。 60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主。已达成解堵和增产的目的。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术。 70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合
压裂监测的方法很多， （1）裂缝测斜仪：测量原理是依据水力压裂过程中的岩石变形，所以它不受声波等因素的影响，除了地面测斜仪（Tiltmeter）可以用于水力裂缝方位以外，现在开发的施工井和邻井应用的井下测斜仪可以用于确定水力裂缝的几何形态，可以监测裂缝实实扩展过程中的的裂缝情况，如：裂缝的长度、高度和宽度随时间增长情况；压裂作业规模的增加对裂缝的长度或高度的影响情况；裂缝的两翼长度对称情况；水力裂缝与天然裂缝交互情况等。但要得到水力裂缝的方位和几何尺寸，要同时用地面和井下两种方法，而且地面测斜仪需要在施工前静置一段时间，以消除背景影响。 （2）大地电位法：从电磁场基本方程出发导出井下电偶极供电，地面电磁场的三维正演方法。采用物理模拟及数学模拟方法，研究复杂地下介质条件下的各种源与接收器组合的电位响应,分析电位响应与储层电阻率关系。在地面电位响应数值模拟、电位响应特征及反演算法的快速实现与人机交互处理解释等方面得到成果与认识。 （3）井下微地震：压裂过程中，裂缝波及的地层应力增长明显，孔隙压力改变也很大，这两个变化都影响水力裂缝附近的弱应力平面的稳定性，并且使得它们发生剪切滑动，这种剪切滑动就像地震沿着断层滑动，只是规模小很多，因而常用“微地震”来描述这种现象。水力压裂产生的微地震释放弹性波，频率大概在声音频率的范围内。采用合适的接收仪，这些声音信号就能够被检测到，通过分析处理就能够判断它们的具体位置，将布置多个接收仪的线性阵列下入邻井，就可检测到微地震信息。周围井中布置接收仪后，就能够三角测量微地震信息，就像地震检测一样。很多情况下，无法采用多口邻井，只有一口邻井作观察井，就采用竖直多组布置接收仪的方法来确定微地震信息的位置。 （4）放射性示踪测试诊断：（一般来自于美国岩心公司(Core Lab)的子公司ProT echnics。）压裂示踪诊断技术的先进性主要体现在两个方面，一是拥有专利权的零污染示踪剂技术(ZeroWash )，二是先进的高精度高分辨率的存储式示踪成像测井技术(SpectraScan?)。（5）思维影像：（华北石油某服务公司给我们监测过）在地表观测微破裂地震波，由于地层高频滤波和信号衰减作用及强背景噪音等原因，监测信号无法识别微破裂产生的纵横波的准确到时和微破裂高频有效信号。运用微破裂矢量叠加网格扫描技术，在时空上即可辨别出破裂产生的方位及形态。
水力压裂设计的新模型和新方法 翁定为1,2 付海峰1,2 梁宏波1,2 1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂酸化中心 2.国家能源致密油气研发中心储层改造部 翁定为等. 水力压裂设计的新模型和新方法.天然气工业，2016,36(3):49-54. 摘 要 压裂设计是水力压裂技术的核心，由于非常规储层的特殊性，使得压裂设计面临一系列的挑战。为此，梳理了国内外压裂设计各环节的新模型和新方法，并分析了其发展方向。压裂设计的新模型和方法主要分布在储层描述、水力裂缝刻画、水力裂缝优化以及水力裂缝模拟等4个方面，其中储层描述主要是在创新参数获取基础上建立新的地质力学模型；水力裂缝刻画主要体现在开发新方法，并结合物理模拟实验认识，提高现有监测手段的准确性；水力裂缝优化方面主要进展是挖掘储层与流体的相互作用，并通过规律性描述，形成新型的油气藏数值模拟软件；水力裂缝模拟主要通过方法创新，研发新型的适用于水平井分段多簇压裂的裂缝数值模拟器。因此，建议国内同行在坚持工具、设备等硬件投入的基础上，加强基础研究，力争在各种评价模型和软件方面取得突破，从而提高压裂设计的科学性，进而实现非常规油气藏的高效经济开发。 关键词 水力压裂压裂设计储层描述裂缝刻画水力裂缝优化裂缝模拟数学模型国内外 DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.007 New models and methods for hydraulic fracturing design Weng Dingwei1,2, Fu Haifeng1,2, Liang Hongbo1,2 (1. Fracturing and Acidizing Center, Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. Stimulation Department of National Energy Tight Oil and Gas R&D Center, Beijing 100083, China) NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.49-54, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese) Abstract: Fracturing design is the core of hydraulic fracturing technologies. The particularity of unconventional reservoirs brings about challenges to the fracturing design. In this paper, the development direction of fracturing design was analyzed after new models and methods for fracturing design all over the world were investigated. These new models and methods mainly involve reservoir description, and fracture depiction, optimization and simulation. Reservoir description mainly involves a new geomechanical model built based on the acquisition of innovation parameters. Fracture depiction focuses on new method development to increase the accuracy of the existing monitoring means based on physical simulation experimental results. Progress in fracture optimization focuses on the interaction between reservoirs and fluids and the development of new numerical reservoir simulation models on the basis of law description. Hydraulic frac-ture stimulation involves the research and development of new numerical fracture simulators suitable for multi-stages and multi-clusters fracturing in horizontal wells by means of innovative methods. It is strongly recommended to strengthen basic research and try to realize breakthroughs in terms of various evaluation models and software so as to improve the quality of fracturing design and develop uncon-ventional resources efficiently and economically in China while the investment on tools and equipments are guaranteed. Keywords: Hydraulic fracturing; Fracturing design; Reservoir description; Fracture depiction; Hydraulic fracture optimization; Fracture simulation; Mathematical model; Domestic and overseas 基金项目：国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号:2011ZX05013-003）。 作者简介：翁定为，1981年生，高级工程师，博士；从事压裂工艺方面的研究工作。地址:（065007）河北省廊坊市44号信箱。电话: （010）69213147。ORCID:0000-0003-3482-449X。E-mail:wendw69@https://www.doczj.com/doc/a117062679.html,