Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报, 2018, 40(3), 173-178
Published Online June 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/b515853959.html,/journal/jogt
https://https://www.doczj.com/doc/b515853959.html,/10.12677/jogt.2018.403081
The Research Progress of Fracturing
Numerical Simulation Technology for
Fractured Reservoir
Xiangtong Yang1, Yang Zhang1, Wentong Fan1, Dan Ba1, Liwen Piao2,3, Yiliu Sun2,3
1Research Institute of Petroleum Engineering, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang
2State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 3College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing
Received: Jan. 15th, 2018; accepted: Feb. 25th, 2018; published: Jun. 15th, 2018
Abstract
A large number of natural fractures were often developed in unconventional reservoirs; it had a
significant effect on the fracture propagation morphology in hydraulic fracturing. Fractures were rich in unconventional reservoirs and these fractures will affect hydraulic fracturing significantly.
Therefore, numerical simulation was an effective method to study fracture propagation in frac-tured reservoirs. Till now, the numerical simulation methods mainly included extended finite element method, distinct element method and boundary element method. In this paper, the basic theory, the advantages and disadvantages, and the applications of these three methods are all stu-died. By comparing these three methods, it is found that proper numerical methods are adopted in consideration of different research requirements. Furthermore, the fracture propagation law in hydraulic fracturing process can be grasped and the actual hydraulic fracturing operation design can be guided.
Keywords
Fractured Reservoir, Hydraulic Fracturing, Extended Finite Element, Distinct Element Method,
Boundary Element Method
杨向同 等
裂缝性储层压裂数值模拟技术研究进展
杨向同1，张 杨1，范文同1，巴 旦1，朴立文2,3，孙一流2,3
1
中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒
2油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京
3中国石油大学(北京)石油工程学院，北京
作者简介：杨向同(1972-)，男，高级工程师，主要从事高温高压井完井改造方面的工作。
收稿日期：2018年1月15日；录用日期：2018年2月25日；发布日期：2018年6月15日
摘
要
非常规储层中常常发育大量天然裂缝，对水力压裂裂缝扩展形态影响显著。为了研究裂缝性储层中水力裂缝的扩展规律，往往要借助数值模拟。现有的水力压裂数值模拟方法主要有扩展有限元、离散元和边界元。分别介绍了上述3种方法的基础理论、优缺点以及应用情况。通过比较各种压裂数值模拟计算方法，在研究不同问题时要根据问题本身以及研究需求选用合适的数值方法，进而掌握水力压裂过程中的裂缝扩展规律，指导实际的水力压裂施工设计。
关键词
裂缝性储层，水力压裂，扩展有限元，离散元，边界元
Copyright ? 2018 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/b515853959.html,/licenses/by/4.0/
1. 引言
以页岩气、页岩油、致密气为主的非常规油气资源在新开发储层中占据了越来越大的比重，随着大规模储层改造技术日益成熟，水平井分段压裂技术在现场广泛应用，并取得了巨大的经济效益。与常规均质砂岩储层不同，这类储层中往往发育有大量的天然裂缝[1] [2]，致使水力压裂后常形成高度分散的不规则裂缝网络[3] [4]。复杂的裂缝几何形态对压裂施工设计、压后产能分析提出了严峻的挑战。因此，研究水力裂缝如何在天然裂缝储层中扩展成为控制压裂增产规模和效果的重中之重。
2. 裂缝性储层裂缝扩展研究
地震技术、岩心切片分析技术及井下成像技术均已证明，非常规储层中发育有丰富的天然裂缝，与低胶结强度的沉积岩层理面共同形成了储层中的弱交界面。大量的室内岩石力学试验表明，储层非均质性及各向异性对水力裂缝的扩展及裂缝形态具有很大影响。
裂缝性储层各向异性的特点使得人工裂缝尖端应力场与常规储层扩展相比更为复杂。室内试验已证明，地应力分布、交界面强度、弱面方位角均是影响人工裂缝穿透天然裂缝行为的重要因素。为了判别Open Access
裂缝性储层压裂数值模拟技术研究进展
水力压裂过程中，水力缝尖扩展与天然裂缝的相互影响，国内外学者提出了诸多判别准则及研究结果，如Warpinski等[3]提出弱面特征、岩石内摩擦角、地应力及压裂液性能共同影响裂缝扩展路径；Wei等[5]研究了天然裂缝胶结性质对裂缝干扰的影响，发现天然裂缝的胶结强度会显著影响裂缝的扩展行为，主要表现为穿透、停止扩展和穿透偏向扩展3种情况；Zhou等[6]通过试验手段研究了天然裂缝储层中水力裂缝扩展规律，发现在高水平地应力差条件下，水力压裂易形成一条主裂缝，在低水平地应力差条件下，水力压裂易形成裂缝网络；Weng等[7]考虑了水力裂缝与天然裂缝的作用准则以及裂缝间的应力干扰，耦合了裂缝弹性变形、高度增长、流体流动、支撑剂运移多个方程综合求解，建立了裂缝性储层中的缝网扩展模型；Lam等[8]采用位移不连续法，模拟了裂缝发生剪切破坏时的扩展路径；Thiercelin等[9]提出天然裂缝在受人工裂缝缝尖应力场影响下重新开启，分析了裂缝最可能开启的位置；Zhang等[10]考虑缝内流体压力梯度的影响，假设岩石为不可渗透的均质体，研究了岩石断裂与流体流动的耦合；Wang 等[11] [12]考虑了天然裂缝的尺度特征，分别建立了在毛细管力影响下的裂缝网络对称和非对称条件下的扩展模型，研究了天然裂缝内的尺度差异对裂缝扩展的影响规律。
3. 水力压裂数值模拟研究
裂缝性储层水力压裂数值模拟技术是模拟水平井分段压裂施工条件下，人工裂缝与天然裂缝相互影响形成的裂缝网络的逢高、缝宽等几何参数以及支撑剂分布情况。其目的是为了设计和优化施工程序，为后续油田整体开发提供理论依据。水力压裂模拟可以概括为4个过程的耦合：岩石在高压流体作用下发生断裂，形成流动通道；压裂液在裂缝内流动，将井底压力传递到缝尖；流体在孔隙介质中的渗流；支撑剂随压裂液流动分布。由于研究的问题具有复杂性，一般采用数值方法求解。目前，关于裂缝性储层中水力裂缝扩展数值模拟方面的研究，国内外学者已经做了大量的工作，取得了较大的研究进展。主要数值模拟方法包括：扩展有限元法，离散元法以及边界元法。
3.1. 扩展有限元法
扩展有限单元法是有限单元法的一种变形。当研究目标区域含有裂缝时，有限元法在处理裂缝尖端的奇异性时准确性较差，同时在裂缝扩展过程中，有限元法需要实时变化整个区域的网格划分，导致计算速度缓慢。扩展有限元法通过引入带有不连续性质的局部加强函数，能够有效且准确地描述裂缝的不连续特征，同时在处理裂缝扩展问题时，不需要根据裂缝扩展路径重新构建整个区域的网格，在很大程度上提高了计算效率，同时还能更准确地反映裂缝的扩展规律(图1)。
注：灰色圆形表示有限元标准形函数节点，红色方形表示Headvisde阶跃函数节点，绿色菱形
表示裂缝尖端的近似解析解函数节点，蓝色圆形表示修正后的水平集函数节点。
Figure 1. Different element types in extended finite element method
图1.扩展有限元法中的不同单元类型
杨向同等
王涛等[13]采用不连续的位移场描述岩石裂缝扩展行为，在ABAQUS中编写相应单元子程序，将裂缝面上的压力转化为单元内力，考虑了缝内流体压力梯度，模拟结果与室内试验符合良好。Sheng等[14]基于扩展有限元模拟了多孔介质中页岩气输运过程，该模拟器可用于缝网卸流能力评价，具有一定应用前景。Leonhart等[15]基于扩展有限元方法结合CCM模型，分析了破碎储层的有效渗透率，认为储层联通程度及有效渗透率主要受缝宽影响，计算结果与现场监测的产能历史比较符合。Sepehri等[16]模拟了定向射孔条件下水力裂缝的随机扩展行为，验证了扩展有限元在模拟水力压裂施工的有效性并研究了复杂水力裂缝扩展的敏感参数，如射孔长度、角度、岩石力学性质、水平地应力差。结果表明，大斜度井进行压裂施工在近井区域裂缝容易发生扭曲，需要更大的井底压力，杨氏模量对近井应力阴影的影响并不显著，但对裂缝扭曲半径有影响。
3.2. 离散元法
离散元方法的基本思想是将岩体分割为若干独立的单元，邻近的单元可以接触也可以分开。单元之间的相互作用力根据单元之间的重叠量，按力-位移定理求出，而单元的运动则根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿第二定律求出。按上述步骤循环计算，直到每一个单元均达到平衡状态。
PFC颗粒流方法是将每一个独立单元视为规则球体的离散元方法。在颗粒流方法中，本构关系遵循力-位移关系，运动方程遵循牛顿第二定律。
离散元法[17] [18]是一种常用于研究非连续介质力学行为的数值方法。在岩石力学计算方面，能够更真实地表达节理岩体的力学特性，便于处理非线性变形及裂缝扩展在弱面上的问题。常常作为微观裂缝模型用于石油工程水力压裂机理研究。但对于油田整体开发的大尺度施工模拟，需要大量的计算单元，耗时较长，所得结果也并不能符合现场微地震监测结果。
Hazzard等[19]和Gil等[20]通过PFC离散元软件研究了低渗透储层中水力压裂裂缝扩展模拟。
Damjanac等[21]将离散裂缝网络模型与胶结颗粒流模型想结合，代表天然裂缝性储层，同时借助PFC软件研究了裂缝储层中水力裂缝扩展。McLennan等[22]使用3DEC离散元软件模拟了正交裂缝网络条件下的复杂裂缝网络扩展以及相应的产能计算。Hamidi等[23]使用3DEC软件研究了不同流体性质、流体注入速率、地应力、以及岩石力学性质对水力裂缝扩展的影响。Zangeneh [24]通过比较不同的施工泵注程序，进一步验证了UDEC软件在模拟水力压裂裂缝扩展方面的准确性，同时表明地应力以及裂缝内部流体压力对井间距以及压裂施工的优化作用和主要影响。
3.3. 边界元法
边界元法分为直接边界元和间接边界元，目前常用的模拟裂缝扩展的边界元方法主要为间接边界元法中的位移不连续法。该方法是基于线弹性力学推导的，适用于处理包含裂缝等不连续区域的一种常用方法。尤其在处理水力压裂问题时，位移不连续法能够用简单、直接的形式描述复杂裂缝网络，同时考虑多裂缝间的相互干扰，因此被国内外的大量学者广泛采用。
边界元在一定程度上克服了由积分奇异性造成的困难，并应用到了很多工程及科学领域。其主要特点为：①将区域问题化简为边界问题，显著降低了需要求解的自由度数，提高了计算效率；②能够采用解析解与数值解相结合的方式，利用已知基本解作为边界积分方程的基函数，提高了计算精度；③已知微分算子的基本解自动满足无限远处条件，因此边界元适合于处理无限域及半无限域问题。但边界元法求解以存在相应的微分算子的基本解为前提，一定程度上限制了其使用范围和发展前景。
Olson等[25] [26]采用边界元方法，模拟了多裂缝储层条件下的水平井多段压裂裂缝扩展行为，研究了天然裂缝以及应力扰动对水力裂缝扩展的影响。Wu等[27]采用三维边界元方法，研究了三维多裂缝扩
裂缝性储层压裂数值模拟技术研究进展
展时的相互干扰问题，同时比较了边界元与有限元的计算效率，发现边界元的计算速度远高于有限元的速度。Wang等[28]借助位移不连续的方法描述了压裂过程中岩石的弹性变形，研究了流体的压缩性对裂缝扩展的影响。Weng等[7]采用位移不连续方法，同时考虑了水力裂缝与天然裂缝干扰时的OpenT模型，研究了水力压裂过程中裂缝网络的扩展，该模型区别于以往缝网模型的最大不同是能够考虑压裂液流体性质及施工条件对裂缝扩展、干扰的影响。
4. 各种压裂数值模拟方法的缺陷
扩展有限元法在处理裂缝扩展问题时其裂缝扩展路径不受单元网格划分的影响，但是需要对整个研究目标进行网格划分，网格数目巨大，计算耗时长。
边界元法通过降维处理，能够将区域问题转化成边界问题，大大减少了计算量，但是边界元问题不能考虑研究对象内部的非均匀性和各向异性，同时随着计算次数的增多，边界元计算量逐渐增大，严重影响计算速度。
以PFC3D为代表的离散元软件在研究小尺寸试样的细观力学行为上具有一定的优势，但在模拟油田尺度的水力裂缝扩展时，由于涉及到单元众多，并不适用。
5. 结语
裂缝性储层中发育着大量的天然裂缝，显著影响着水力压裂裂缝扩展轨迹。而水力压裂数值模拟技术是研究裂缝扩展的有力工具，同时也是模拟水力压裂过程中裂缝扩展规律的重要方法。现有的水力压裂数值模拟方法主要是扩展有限元法、离散元法和边界元法，每种方法各有优缺点，在使用时要结合具体的研究对象和主要需要解决的问题进行筛选。
基金项目
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哈里伯顿压裂裂缝微地震监测说明 2015年4月
1.微地震数据采集方式 井下微地震裂缝监测理论源于研究天然地震的地震学，主要为利用在水力压裂过程中储层岩石被破坏会产生岩石的错动（微地震）来监测裂缝形态的技术。井下微地震监测法将三分量地震检波器（图1）,以大级距的排列方式，多级布放在压裂井旁的一个或多个邻井的井底中（图2）。三分量微地震检波器在压裂井的邻井有两种放置方式：一种是放置在邻井中的压裂目的层以上，用于邻井压裂目的层已射孔生产情况，由于收集微地震信号的检波器非常灵敏；为防止监测井内的液体流动对监测造成井内噪音，必须在射孔段之上下入桥塞封隔储层，然后将检波器仪器串下入到桥塞之上的位置。另一种方法是将检波器放置在邻井中的压裂目的层位置上，这种情况检波器和水力裂缝都位于相同的深度和储层，此时声波传播距离最近、需要穿过的储层最少，属于最佳的观测位置，这种方式用于邻井的目的层未实施射孔生产的情况。 图1 三分量地震检波器
图2 三分量地震检波器下井施工现场 图3显示一个由5级检波器组成的仪器串在压裂井的邻井下入的两种布局方式：图中左边表示邻井已射孔的情况下，射孔段以上经过桥塞封堵，检波器仪器串放置在该井的目的层以上；图中右边表示邻井为新井的情况下，目的层未实施射孔，检波器仪器串放置在该井的压裂目的层位置上。井下微地震压裂测试使用的三分量检波器系统检波器以多级、变级距的方式，通过普通7-芯铠装电缆或铠装光缆放置在压裂井的邻井中。哈里伯顿使用采样速率为0.25ms的光缆检波器采集系统采集和传输数据。常规的电缆一方面数据传输速率低，另一方面对于低频震动信号易受电磁波的干扰大。采用铠装光纤进行数据传输不但传输速度快，并且允许连续记录高频事件，提高了对微小微地震事件的探测能力同时 对微地震事件的定位更加准确，监测到的裂缝形态数据最为可靠。 图3 多级检波器系统在邻井的两种放置方式 另外，由于检波器非常灵敏，井筒中的油气流动会很大程度的影响监测微地震事件的 信噪比，如果监测井为已经射孔的生产井，需要在射孔段以上20米的位置下入桥塞，检
第五章储层裂缝 裂缝是油气储层特别是裂缝性储层的重要储集空间，更是良好的渗流通道。世界上许多大型、特大型油气田的储集层即为裂缝性储层。作为一种特殊的孔隙类型，裂缝的分布及其孔渗特征具有其独有的复杂性，它不象正常孔隙那样通过沉积相、成岩作用及岩心分析能够较为容易地预测和评价。由于裂缝的存在对油气储层的勘探和开发会导致很大的影响，因而对油气储层中裂缝的研究就显得十分重要。本章主要介绍裂缝系统的成因、裂缝的基本参数、孔渗性以及裂缝的探测和预测方法。 第一节裂缝的成因类型及分布规律 所谓裂缝，是指岩石发生破裂作用而形成的不连续面。显然，裂缝是岩石受力而发生破裂作用的结果。本节分别从力学和地质方面简要介绍裂缝的成因分类及分布规律。 一、裂缝的力学成因类型 在地质条件下，岩石处于上覆地层压力、构造应力、围岩压力及流体(孔隙)压力等作用力构成的复杂应力状态中。在三维空间中，应力状态可用三个相互正交的法向变量(即主应力)来表示，以分量σ1、σ2、和σ3别代表最大主应力、中间主应力和最小主应力(图5-1)。在实验室破裂试验中，可以观察到与三个主应力方向密切相关的三种裂缝类型，即剪裂缝、张裂缝(包括扩张裂缝和拉张裂缝)及张剪缝。岩石中所有裂缝必然与这些基本类型中的一类相符合。 图5-1 实验室破裂实验中三个主应力方向 及潜在破裂面的示意图 图中A示扩张裂缝，B、C表示剪裂缝
1.剪裂缝 剪裂缝是由剪切应力作用形成的。剪裂缝方向与最大主应力(σ1)方向以某一锐角相交(一般为30°)，而与最小主应力方向(σ3)以某一钝角相交。在任何的实验室破裂实验中，都可以发育两个方向的剪切应力(两者一般相交60°)，它们分别位于最大主应力两侧并以锐角相交(图5-1)。当剪切应力超过某一临界值时，便产生了剪切破裂，形成剪裂缝。根据库伦破裂准则，临 界剪应力与材料本身的粘结强度(τo)及作用于该剪切平面的正应力(σn )和 材料的内摩擦系数(μ)有关，即， τ临界＝τo＋μσn 剪裂缝的破裂面与σ1－σ2面呈锐角相交，裂缝两侧岩层的位移方向与破裂面平行，而且裂缝面上具有“擦痕”等特征。在理想情况下，可以形成两个方向的共轭裂缝(即图5-1中的B、C)。共轭裂缝中两组剪裂缝之间的夹角称为共轭角。但实际岩层中的剪裂缝并不都是以共轭型式出现的，有的只是一组发育而另一组不发育。剪裂缝的发育型式与岩层均质程度、围岩压力等因素有关。当岩层较均匀、围岩压力较大时，可形成共轭的剪裂缝；而当岩层均质程度较差、围岩压力较小时，趋向于形成不规则的剪裂缝。 2.张裂缝 张裂缝是由张应力形成的。当张应力超过岩石的扩张强度时，便形成的张裂缝。张应力方向(岩层裂开方向)与最大主应力(σ1)垂直，而与最小主应力(σ3)平行，破裂面与σ1－σ2平行，裂缝两侧岩层位移方向(裂开方向)与破裂面垂直。张裂缝一般具有一定的开度，有的被后期矿物充填或半充填。 根据张应力的类型，可将张裂缝分为二种，即扩张裂缝和拉张裂缝。 (1)扩张裂缝 扩张裂缝是在三个主应力均为压应力的状态下诱导的扩张应力所形成图5-2 扩张裂缝的形成和应力单元
压裂技术详解 第一节压裂设备 1．压裂车： 压裂车是压裂的主要设备，它的作用是向井内注入高压、大排量的压裂液，将地层压开，把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载、动力、传动、泵体等四大件组成。压裂泵是压裂车的工作主机。现场施工对压裂车的技术性能要求很高，压裂车必须具有压力高、排量大、耐腐蚀、抗磨损性强等特点。 2．混砂车： 混砂车的作用是按一定的比例和程序混砂，并把混砂液供给压裂车。它的结构主要由传动、供液和输砂系统三部分组成。 3．平衡车： 平衡车的作用是保持封隔器上下的压差在一定的范围内，保护封隔器和套管。另外，当施工中出现砂堵、砂卡等事故时，平衡车还可以立即进行反洗或反压井，排除故障。 4．仪表车： 仪表车的作用是在压裂施工远距离遥控压裂车和混砂车，采集和显示施工参数，进行实时数据采集、施工监测及裂缝模拟并对施工的全过程进行分析。
5．管汇车： 管汇车的作用是运输管汇，如；高压三通、四通、单流阀、控制阀等。第二节压裂施工基本程序 1．循环： 将压裂液由液罐车打到压裂车再返回液罐车。循环路线是液罐车-混砂车-压裂泵-高压管汇-液罐车，旨在检查压裂泵上水情况以及管线连接情况。循环时要逐车逐档进行，以出口排液正常为合格。 2．试压： 关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、油壬等憋压30-40Mpa，保持2-3min不刺不漏为合格。 3．试挤： 试压合格后，打开总闸门，用1-2台压裂车将试剂液挤入油层，直到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油水的吸水能力。 4．压裂： 在试挤压力和排量稳定后，同时启动全部车辆向井内注入压裂液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。5．支撑剂： 开始混砂比要小，当判断砂子已进入裂缝，相应提高混砂比。 6．替挤：
长庆油田 王39-0211井压裂裂缝监测解释报告 井别：采油井 现场施工：张杰 解释：张博 审核： 西安华中石油科技有限公司 二○一〇年八月
王39-0211井压裂裂缝监测 前言 压裂裂缝监测有多种方法：示踪剂方法、电位法、地倾斜方法等等。微地震裂缝监测方法能够实现实时监测，控制范围大，适应面广，近年来在国际上是应用最多的一种监测方法。微地震人工裂缝监测能够即时得到裂缝的长度、方位、高度和产状，这对于确定油水井的驱替模式和井位布置、优化井网、确定二次/三次采油和压裂处理的潜在区域等具有积极指导作用，同时能够根据油藏特性和经济条件优化最佳的实际裂缝长度、根据作业能力、储层裂缝扩展特征确定最佳的井间行距和布井密度，因此该方法在各油田得到了广泛的推广。 压裂裂缝监测解释结果完全依据现场监测资料，可以定量给出裂缝方位、最大高度、最大长度及倾向。在能够部署全包络网络的情况下，裂缝方位误差小于8°，长度误差小于15%，高度误差小于30%，倾向误差小于5°。 2010年8月8日我们监测了王39-0211井的水力压裂过程，该井压裂层位为长611-2，压裂深度为1434-1441.5米，压裂层段中部深度对应垂深为1227米。 1．王39-0211井人工裂缝监测结果 王39-0211井位移较大，因此在实际监测施工时，我们围绕压裂层段中深点在地面的投影部署监测台网，实际台站的坐标如表1-1所示。 表1-1.王39-0211井监测台站的坐标
图1-1. 王39-0211井监测结果平面图 图1-1中，每个格的尺寸为100米；水平轴东西向，向东为正；竖直轴沿南北向，向北为正。从实测平面图可以看出，主裂缝条带走向为北东向；西翼裂缝左旋明显。过井口存在一条北西西接近东西向的支缝；东翼裂缝远端有较小支缝存在。 表1-2. 王39-0211井人工裂缝监测结果参数表 表1-2是依据现场数据的后分析结果。尺度是最大尺度；方位是所有微地震点的统
企业简介 东方宝麟科技发展（北京）有限公司，是国内独资石油专业技术服务公司，主要从事石油技术研发、现场服务与咨询业务，特色业务包括油藏增产措施、水平井建井优化、油气田开发经济评价及开发决策。著名压裂大师Michael J. Economides和美国两院院士Christine A.Ehlig-Economides为公司董事及高级技术顾问，并与美国A&M大学和休斯顿大学是战略合作伙伴关系。 公司拥有裂缝性储层缝网压裂技术、非常规气藏（致密气、页岩气）体积压裂技术、低伤害胶塞控制压裂技术、CO2清洁压裂液技术、可降解纤维压裂液技术、超高温清洁压裂液技术、水平井段内多裂缝体积压裂技术、多井同步压裂技术等多项特色技术，公司还承担或参与体积压裂改造技术的理论研究、软件开发、压裂液体系研发、工艺创新等国内前沿先进压裂成套技术的科研工作。目前公司在国内的主要客户有中国石油、中国石化、中海油、延长石油所属的各大油气田。
●技术原理 裸眼水平井段内多裂缝控制技术是应用专用水溶性暂堵剂在压裂中暂堵前次缝或已加砂缝，从而造出新的裂缝。 控制技术的实施方法是在施工过程中实时地向地层中加入控制剂，该剂为粘弹性的固体小颗粒，遵循流体向阻力最小方向流动的原则，控制剂颗粒进入地层中的裂缝或高渗透层，在高渗透带产生滤饼桥堵，可以形成高于裂缝破裂压力的压差值,使后续工作液不能向裂缝和高渗透带进入，从而压裂液进入高应力区或新裂缝层，促使新缝的产生和支撑剂的铺置变化。产生桥堵的控制剂在施工完成后溶于地层水或压裂液，不对地层产生污染。 针对不同储层特性、不同封堵控制的作用，经过拟合计算确定不同的有效用量。通过特殊工艺技术,可实现支撑剂均匀分布在裂缝中、控制裂缝延伸有效长度、实现多裂缝的形成、实现裂缝转向等。 在一定的用量范围内(相对小剂量),可以使支撑剂均匀分布在裂缝中； 在一定的用量范围内(相对中剂量),可以控制裂缝的有效缝长； 在一定的用量范围内(相对大剂量),在加砂中或二次加砂前,可以形成多裂缝； 在一定的用量范围内(相对大剂量),可以形成新的裂缝,在地应力决定条件下,可以使裂缝方向发生变化。 ●技术特点 强度高：具有很高的承压能力； 形成滤饼：在地层可以形成滤饼，封堵率高，封堵效果好； 可溶性好：在压裂液中可以完全溶解，不造成新的伤害； 有利于返排：内含F表面活性剂，有利于助排； 方法操作简单：投入方法简单，不会给压裂设备带来新的负担； 时间可控：所需的压力和封堵时间，可以通过应用量剂大小、成分组成、颗
油气储层裂缝形成、分布及有效性分析 近年来，随着我国油田勘探技术的不断创新与发展，对于油气储层的研究也日益加深，并从多个角度对油气储层的特征加以阐释，针对以往存在的一系列问题通过合理化的理论分析，对油气储层未来发展有一定的指导意义。文章主要针对现阶段我国油气储层中形成裂缝的成因及分布情况进行了浅显的分析，希望通过介绍可以为相关研究人员提供一些参考建议，以便更好地推动我国石油工业的发展建设。 标签：油气储层裂缝；形成；分布；有效性 引言 随着各种新技术的层出不穷，对于石油探勘技术也提出了更高的要求，就目前发展阶段而言，全世界范围内仅有百分之二十是可采石油储量，受各种条件因素的限制，处于垂直及平面上的各种非均匀隔挡条件下的地下石油储量很难被开采出来。于我国而言，此等情况更是如此，约百分之七十左右的石油储量与世界油田相同，均已进入了高含水阶段的开采时期，地下油气水分布较为复杂，这就在更大程度上对石油勘探技术提出了新的挑战，因此必须加强对油气储层的认识，通过建模预测改变原有的开采技术。 从某种角度来讲，原有的开采技术方式已经很难适应时代社会发展的需要，导致油气储层裂缝现象所占比重越来越大，油气储层不仅能够作为油气存储空间而独立存在，更能充当油气管道运输油气资源，对于油气而言有着极其重要的意义。但现实情况中却存在很大问题，使其不能够发挥应有的效用促进我国石油工业的发展，其中主要的问题则是油气储层的裂缝问题。 针对油气储层裂缝等问题，相关学者在AAPG年会上针对此问题进行了详细地讨论，结合近年来的发展对油气储层有了新的认识与理解，并提出了新的解决措施，从而减少出现油气储层裂缝的现象，关于油气储层裂缝的研究已从宏观向微观发展，由理论沉积学向应用沉积学发展，并逐渐完善。预计今后相当长的一段时间内，都将对油气储层裂缝形成、分布状况等有着更深地研究。下面文章就针对现阶段油气储层裂缝的形成原因及分析进行详细的阐释，供相关人员参考。 1 油气储层裂缝形成的原因 关于油气储层裂缝的形成并不是一种作用力影响下就能够发生的，要考虑到多方面的影响因素，尤其是针对小范围的微裂缝更好给予足够地重视，绝对不能忽视。此外，应力的增强也是导致裂缝形成的主要因素之一。但两种裂缝的形成在本质上存在着较大的差异，第一种微裂缝的形成主要是指在构造力的作用下，单层结构并没有受到内部应力的影响，此等裂缝只是单纯的存在于表面，并不会构成极大的威胁，且范围较小，故而被称作微裂缝；第二种裂缝的形成主要是由
双侧向—微球形聚焦测井系列 对高角度裂缝，深、浅側向曲线平缓，深側向电阻率> 浅側向电阻率，呈“正差异”。 在水平裂缝发育段，深、浅側向曲线尖锐，深側向电阻率< 浅側向电阻率，呈较小的“负差异”。 对于倾斜缝或网状裂缝，深、浅側向曲线起伏较大，为中等值，深、浅电阻率几乎“无差异”。 声波测井识别裂缝： 一般认为声波测井计算的孔隙度为岩石基质孔隙度，其理由是声波测井的首波沿着基质部分传播并绕过那些不均匀分布的孔洞、孔隙。但当地层中存在低角度裂缝(如水平裂缝)、网状裂缝时，声波的首波必须通过裂缝来传播。裂缝较发育时，声波穿过裂缝使其幅度受到很大的衰减，造成首波不被记录，而其后到达的波反而被记录下来，表现为声波时差增大，即周波跳跃。因此，可利用声波时差的增大来定性识别低角度缝或网状缝发育井段。 利用感应差别识别裂缝：钻井液侵入裂缝，使感应测井曲线有明显的降低。 密度测井识别裂缝 密度测井测量的是岩石的体积密度，主要反映地层的总孔隙度。由于密度测井为极板推靠式仪器，当极板接触到天然裂缝时，由于泥浆的侵入会对密度测井产生一定的影响，引起密度测井值减小。 井径测井的裂缝识别对于基质孔隙较小的致密砂岩，钻井使得裂缝带容易破碎，裂缝相交处的岩块塌落，可造成钻井井眼的不规则及井径的增大。另一方面，由于裂缝具有渗透性，如果井眼规则，泥浆的侵入可在井壁形成泥饼，井径缩小。因此，可以根据井眼的突然变化来预测裂缝的存在。 井径测井对于低角度缝与泥质条带以及薄层的响应很难区分；另外，其它原因（如岩石破碎、井壁垮塌）造成的井眼不规则，会影响到该方法识别裂缝的准确性。 自然伽玛能谱测井识别裂缝 测量地层中天然放射性铀（U238）、钍（Th282）、钾（K40）含量。 原理：正常沉积环境U元素含量低于或接近泥质体（钍+钾）的值，当有裂缝存在时，铀含量比泥质体大。 应用能谱的高铀值识别裂缝和地下流体的运移及活跃程度有关。当裂缝（孔洞）发育段的地下水活跃时，地下水中溶解的U元素才能被吸附及沉淀在裂缝（或孔洞）周围，造成U元素富集，使得自然伽玛能谱测井在裂缝带处显示出U含量增加，在地下水不活动地区，裂缝性储层的自然伽玛显示为低值。 (1)侧向、感应及微电阻率测井 裂缝在电阻率测井曲线上的响应取决于裂缝的产状(倾角与方位)、 裂缝的宽度与长度(纵向或径向)、裂缝中的充填物（胶结物、泥浆 滤液、地层流体等）以及泥浆侵入深度等因素。 1.电阻率测井响应特征 (2)侧向测井——高角度裂缝影响 电极型仪器将强烈地受垂直裂缝的影响，这是因为这样的裂缝实际上提供了低阻通道（并联）。所以在垂直裂缝的情况下，侧向测井的电阻率比感应测井的电阻率低。又因为垂直裂缝的有效导电截面在径向上不变，而孔隙的导电截面在径向上是逐渐增大的，所以在浅侧向探测范围内裂缝与孔隙的有效导电截面之比远比深侧向要小。 在Rmf≈Rw时，常观察到RLLD与RLLS的比值为1.5到2； 在Rmf
0引言 裂缝性油气藏是近年油气勘探开发的重点，如何对裂缝 进行准确表征，对不同类型裂缝的识别、分布规律的预测以及如何建立更加贴近实际的裂缝性油气藏地质模型，一直以来都是研究的重点和难点[1,2]。为此，国内外学者做了很多努力，最早的研究方法是通过对露头、岩心、薄片等地质分析来对裂缝特征进行描述，如Van Golf-Racht [3]在薄片观察的基础 上，提出了裂缝孔隙度、渗透率以及体密度的计算方法，Ruh - land 提出裂缝强度等概念[4]。随测井技术的发展，利用常规测 井数据分析，总结出了一系列数学统计方法：神经网络法、多元统计、灰色关联等，罗贞耀、戴俊生等[5,6]提出了裂缝物性参数计算方法。在裂缝预测方面，主要有数值模拟、非线性理论预测等方法，包括构造曲率法、构造应力场数值模拟、二维、三维有限元数值模拟、物探方法等[2,7]。本文通过系统总结分析 储层裂缝表征及预测研究进展 唐诚 中石化西南石油工程有限公司地质录井分公司，四川绵阳621000 摘要 全面、准确对致密储层的裂缝网络进行定量表征及预测影响着裂缝性油气田的高效开发。在系统调研国内外裂缝研究成果 且详细对比分析的基础上，从地质分析、测井识别、构造曲率法及应力场模拟、地震裂缝检测、非线性理论方法等着手，总结出了储层裂缝表征及预测研究的进展。研究表明，根据成因将储层裂缝划分为构造裂缝和非构造裂缝两大类，构造缝包括区域性裂缝、局部构造缝和复合型构造缝，局部构造缝指与断层和褶皱相关的裂缝；非构造缝主要分为收缩缝和与表面有关的裂缝两大类及9个亚类，裂缝类型不同，其特征及成因机理也不同。采用地质分析与测井解释相结合，建立露头、岩心与测井的识别模式对裂缝进行准确识别。利用地质、测井和构造应力等资料，建立数学模型，对裂缝参数进行定量计算。详细阐述并分析了多种裂缝预测方法的优缺点，最终指明了储层裂缝研究的不足与发展方向。 关键词裂缝性储层；裂缝表征；裂缝识别；裂缝预测 中图分类号P618.13文献标志码A doi 10.3981/j.issn.1000-7857.2013.21.013 Progress in Fracture Characterization and Prediction TANG Cheng Geologic Logging Company of Southwest Petroleum Bureau,Sinopec,Mianyang 621000,Sichuan Prvovince,China Abstract It is very important for exploration and development of oil and gas to comprehensively and accurately and quantitatively describe and predict fracture.Base on the basis of the literature investigation of fractures research findings around the world,from geological analysis,log fracture identification,curvature method,tectonic stress simulation,seismic fracture prediction and so on,the progress of fracture characterization and prediction are summarized.It is shown that the reservoir fractures can be classified into two types,including structural and non-structural fracture according to their origin.The structural fracture includes regional fracture,local fracture and complex structural fracture,in which the local structural fracture is related to fracture of fault and fold.The non-structural fracture can be classified into contraction fracture and related fracture of surface,which have 12sub-types.Every type of fractures has different characteristics and origin.The main identification of fracture is combination of geological analysis and log interpretation,and then pattern recognition of outcrop,core and well logging will be established.Also quantitative calculation method for fracture is proposed using geological,logging and tectonic stress data.With the aid of those bases,the advantage and disadvantage of methods for detection and prediction of the fracture distribution are discussed.Finally the shortcoming and development of fracture research are pointed out. Keywords fractured reservoir;fracture characterization;fracture identification;fracture prediction 收稿日期：2013-01-28；修回日期：2013-03-18 作者简介：唐诚，工程师，研究方向为石油地质录井与信息技术研究，电子信箱：110880280@https://www.doczj.com/doc/b515853959.html,
八、技术服务方案 一. 暂堵重复压裂技术原理及特点 暂堵技术简介位于鄂尔多斯盆地陕北地区延长油藏大多数储油层都属于特低渗透、低压、低产油藏, 油层物性特别差, 非均质性很强, 油井自然产能也就相当低了。为了提高采收率, 绝大多数油井都进行过压裂改造, 可是由于各种原因, 油井产量还是下降的特别快, 油井依然处于低产低效的状态。因此, 为了达到进一步提高油井产量的目的, 我们必须做到以下两个方面的工作: 一、针对性的选择有开发前景的油井进行二次或者多次压裂改造, 以至于提高油井的单井产能; 二、由于我们在注水开发过程中, 注入水总是沿着老裂缝方向水窜, 导致大部分进行过压裂改造过的老井含水上升特别快, 水驱波及效率特别低。针对这部分老井, 如果还是采用常规重复压裂方法进行延伸老裂缝, 难以达到提高采收率的目的。为了探索这一部分老井的行之有效的增产改造措施, 我公司借鉴了国内许多其它大油田的暂堵重复压裂的成功的现场试验经验, 近两年来进行了多次油井暂堵压裂改造措施试验。现场施工结果表明: 在压裂施工前先挤入暂堵剂后, 人工裂缝压力再次上升的现象很明显, 部分老油井经过暂堵施工后, 其加沙压力大幅度上升, 暂堵重复压裂后, 产油量大幅度上升。为了确保有效的封堵老裂缝压开新裂缝, 并保持裂缝有较高的导流能力, 达到有较长时间的稳产期。该技术成果的成功研究与应用, 不但能够提高油井的单井 产量, 而且能够提高整个区块的开采力度, 从而为保持油田的增产稳产提供保障, 可取得可观的经济效益和社会效益。
堵老裂缝压新裂缝重复压裂技术, 即研究一种高强度的裂缝堵剂封堵原有裂缝, 当堵剂泵入井内后有选择性的进入并封堵原有裂缝, 但不能渗入地层孔隙而堵塞岩石孔隙, 同时在井筒周围能够有效地封堵射孔孔眼; 然后采用定向射孔技术重新射孔, 以保证重复压裂时使裂缝转向, 也即形成新的裂缝; 从而采出最小主应力方向或接近最小主应力方向泄油面积的油气, 实现控水增油。 水力压裂是低渗透油气藏改造的主要技术之一, 但经过水力压裂后的油气井, 在生产一段时间后, 会由于诸多原因导致压裂失效。另外, 还有些压裂作业实施后对产层造成污染, 也会使压裂打不到预期效果。对这类油气井, 想要增加产能, 多数必须采取重复压裂进行改造。 暂堵压裂技术主要用来解决油层中油水关系复杂、微裂缝十分发育的层位。注水油田经过一段时间的开采后, 大多数低渗透油层已处于高含水状态, 老裂缝控制的原油已接近全部采出, 裂缝成了主要出水通道, 但某些井在现有开采条件下尚控制有一定的剩余可采储量, 为了控水增油, 充分发挥油井的生产潜能, 我们采用暂堵重复压裂技术, 其实质是采用一种封堵剂有选择性地进入并有效封堵原有压裂裂缝和射孔孔眼, 再在新孔眼中进行压裂开新缝; 或部分封堵老裂缝, 在老裂缝封面再开新裂缝, 从而提供新的油流通道, 以保障重复压裂时使裂缝改向, 形成新的裂缝, 从而采出最小应力方向或接近最小主应力方向泄油面积的原油, 实现控水增油。 暂堵重复压裂技术就是重新构建泄油裂缝体系, 为提高油井的产量提供了一种技术手段, 最终的采油效果与所构建的新裂缝体系方向, 裂
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)。 图1 不同断层发育地区的顶应力分布情况 休伯特考虑到多数岩石的内摩擦角都接近于30°这个事实, 认为在正断层发育地区, 最大主应力σ1等于有效的上覆压力，最小水平主应力σ3最大的可能是等于1/3上覆压力;在逆断层发育的地区,最小主应力σ3等于有效的上覆压力, 而最大水平主应力σ1顶多会等于3倍的上覆压力; 而在平推断层活跃的区域里, 有效的上覆压力则为中一间主应力。 由于地壳中的岩层可视为弹性半无限体, 井壁上的应力状态可简化为平面向题来分析。如果两个水平方向的压缩地应力不相等(设为σ1>σ2> o )，可把井眼看成是在互相垂道的方向上分别作用有σ1和σ2两个压缩外应力的弹性平板中的一个小圆孔(图2 )，孔壁上的应力就相当于井壁上的水平应力。而井壁上的垂直应力分量仍可视为σz=ρh，为上覆岩层的压力。
石油地质与工程2011年3月PETROLEUM GEOLOGY AND ENGINEERING 第25卷第2期文章编号:1673-8217(2011)02-0126-03 电位法井间监测技术在压裂裂缝监测中的应用 吴柏志1,李军2 (1.中国石油大学(北京)博士后流动站,北京昌平102249;2.中石化胜利油田分公司桩西采油厂) 摘要:考虑五号桩油田特低渗油藏的整体开发井网部署,有必要对压裂过程中裂缝大小和方位进行实时检测,为此,结合油藏及现场地面概况,引入并实施了电位法井间检测技术。详细阐述了该技术的测试原理、测试仪器系统、测试工艺及后期数据处理方法;电位法井间检测技术共在五号桩油田应用5井次,其中,桩74-14-12井的裂缝检测认为该井主要存在两条大裂缝,裂缝长度为97m 和83m,方位为75和240,其中,一条裂缝伸向水井是导致该井压裂后高含水的原因,通过对应水井的停注控水,该井获得日增油3t 的效果。电位法井间检测技术的应用为后期压裂效果分析和井网部署提供了重要依据,同时也进一步说明该技术的实用性及今后的推广前景。 关键词:电位法;井间监测;压裂裂缝方位;五号桩油田 中图分类号:TE357.14文献标识码:A 随着油田开发的不断深入,特低渗油藏已成为 油田产能接替和建设的重点。压裂作为特低渗油藏 改造的主要手段,其压裂施工的成功率取决于是否 按设计要求完成施工,即压裂施工的符合率是否达 到要求。为优化压裂设计提供切实可信的基础参 数,提高油水井压裂施工成功率和有效率,2010年 在五号桩油田开展压裂裂缝监测试验,截至目前在 桩74、桩59等块共应用5井次,对区块开发具有重 要的指导意义。 1测试原理 压裂施工中,如果所用的压裂液相对于地层为 一个良导体,即液体电阻率与地层介质的电阻率相 比差异较大时,利用被测井套管向地层供以高稳定 度的电流,这部分压裂液在地层中即可看作为一个 场源(图1),由于它的存在,原电场(未进行施工前 的地面电场)的分布形态发生变化,即大部分电流集 中到低阻体带,这样势必造成地面的电流密度减小, 地面电流密度减小,相应的地面电位也会发生较大 变化[1]。鉴于此,若在被测压裂井周围环形布置多 组测点,采用高精度的电位观测系统,实时监测压裂 施工过程中的地面电位变化,经数据处理,就可达到 实时解释推断裂缝延伸方位的目的[2-3]。 测试工艺图1电位法测试原理2.1测点的布置以测试井A 为圆心环形布置呈放射状对应的M 、N 、P 三环测点(每环均布),测点间夹角15,共布24组72个测点,3圈测点距井口的距离分别为70m 、90m 、120m [4-5]。测试仪器装置布置图见图2。 收稿日期;改回日期6 作者简介吴柏志,教授级高级工程师,年生,6年获得 中国石油大学(华东)油气田开发专业博士学位,现为中国石油 大学(北京)在站博士后,主要从事采油工程研究工作。2:2010-08-01:2010-11-2:1970200