水平井分段多簇压裂缝间干扰研究_李勇明

水平井分段多簇压裂缝间干扰研究
李勇明1 ， 陈曦宇1 ， 赵金洲1 * ， 申 峰2 ， 乔红军2
1.“油气藏地质及开发工程” 国家重点实验室 · 西南石油大学， 四川 成都 610500 2. 陕西延长石油 （集团） 有限责任公司， 陕西 西安 710075
摘 要：水平井分段多簇压裂在现场得到了广泛运用， 其压裂过程中普遍存在缝间干扰现象。缝间干扰有助于形成复 杂裂缝网络以提高储层导流能力， 但是也会导致起裂困难， 甚至形成砂堵。因此有必要对分段多簇压裂的缝间干扰问 题进行研究。对此， 基于弹性力学建立了分析多簇裂缝诱导应力的数学模型， 从起裂压力、 裂缝宽度、 簇间距等多方面 研究了缝间干扰对水平井分段多簇压裂施工的影响。模拟结果显示， 诱导应力会导致起裂压力升高、 裂缝变窄， 严重 时将造成压裂施工失败。通过进行分析， 给出了起裂过程及延伸过程中缝间干扰的影响关系。分析认为， 利用缝间干 扰提高改造体积时应当控制簇间距防止对压裂施工造成负面影响。研究结论对优化水平井分段多簇压裂设计具有指 导意义。 关键词：缝间干扰； 诱导应力场； 起裂压力； 裂缝宽度； 多簇压裂
图 2 垂直裂缝诱导应力场模型
The induced stress field of vertical fracture
进行水平井分段多簇压裂时， 压裂液注入使得 射孔憋压起裂。由于地层岩石存在非均质性， 压裂 段内各簇裂缝很难同时起裂。部分射孔簇起裂较 晚， 会受到先破裂延伸裂缝的诱导应力干扰， 导致
Abstract： Multi-stage horizontal fracturing has been widely used in the field with the inevitable crack interaction. Crack interaction is conducive to initiation and extension of fractures， which forms complex fracture network and improves reservoir conductivity. However， crack interaction also has adverse effects on hydraulic fracturing resulting in poor stimulation. Based on the theory of elasticity， mathematical models are established to study the effects of crack interaction in multiple cluster fractures， from the aspects of initiation pressure， fracture width and the position of fracture. The study shows that it is hard to get successful stimulation with serious crack interaction because the phenomenon such as change of fracture width resulting from crack interaction. To get the relationship of cluster space， fracture height and crack interaction， a sensitivity analysis is conducted. The result indicates that the cluster space should be reasonable to avoid the adverse effects of crack interaction. The study result contributes to the optimization of the stimulation of multiple stages horizontal well. Key words：crack interaction； induced stress field； initiation pressure； fracture width； multiple cluster stimulation
假定压应力为正， 拉应力为负。通过傅里叶变 换可以求解平面应变假设下垂直裂缝周围应力场分 布解。但由于破裂初期缝长较短， 考虑平面应变假 设误差较大。因此借鉴修正因子方法进行修正， 近
破裂压力升高而加大破裂难度 （图 1） 。 似获得有限缝长的诱导应力 [ ] ( r θ1 + θ2 ) c2 r 3 ∆σ x = − pnet cos θ − + √ sin θ sin (θ1 + θ2 ) − 1 √ 3 2 2 r r 1 2 (r1 r2 ) [ ] ( ) ′ 2 ′ r ω1 + ω2 lr 3 ′ ( ) ∆ σ = − ∆ σ cos ω − + sin ω sin ω + ω − 1 √ √ x x 1 2 ′ ′ 2 2 r1 r2 (r1 ′ r2 ′ )3 [ ] ( θ1 + θ2 ) c2 r 3 r ( ) ∆ σ = − p cos θ − − sin θ sin θ + θ − 1 √ √ y ne t 1 2 3 2 2 r r 1 2 (r1 r2 ) [ ] ( ) ′ 2 ′ r ω + ω l r 3 1 2 ′ ( ) ∆ σ = − ∆ σ cos ω − − sin ω sin ω + ω − 1 √ √ y y 1 2 ′r ′ 3 2 2 ′ ′ r 1 2 ( ) r r 1 2 ∆σz = υ(∆σ x + ∆σy ) ∆σ ′ = ∆σ υ(∆σ ′ + ∆σ ′ )
z σz r2 θ2 c r1 θ c x r σx σv
等统计上百口水平压裂井进
行分析， 系统研究了页岩压裂中存在的干扰问题。 本文通过建立分析多簇裂缝诱导应力的数学模型， 研究了缝间干扰对水平井分段多簇压裂施工的影 响， 对优化分段多簇压裂设计具有指导意义。
θ1
1 起裂过程应力干扰分析
Fig. 2
The Effects of Crack Interaction in Multi-stage Horizontal Fracturing
LI Yongming1 , CHEN Xiyu1 , ZHAO Jinzhou1* , SHEN Feng2 , QIAO Hongjun2
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China 2. Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Co. Ltd.， Xian， Shaanxi 710075， China
[9]
1
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N
图1
Fig. 1
水平井分段多簇压裂示意图
The diagram of multi-stage horizontal fracturing
忽略多簇压裂造成的影响可能会低估破裂压 力， 而错误的预估可能造成压裂施工失败。因此， 需要修正应力干扰下的破裂压力计算模型进行预 测。假设已破裂裂缝面垂直， 其缝高为 2c， 缝内净 压力为 pnet ， 处于均质弹性地层中， 根据图 2 所示， 建立垂直裂缝周围应力场模型。
* 收稿日期：2013 11 02
Leabharlann Baidu
网络出版时间： 2016-01-08 09:16:54
通信作者：赵金洲， E-mail： zhaojz@swpu.edu.cn （ 973 计划） （ 2013CB228004 ） ； 国家自然科学基金 （51344005 ） ； 西南石油大学研究生创新基金 （ CXJJ2015043） 。 基金项目：国家重点基础研究发展计划
z z x y
(1)
第X期
李勇明， 等： 水平井分段多簇压裂缝间干扰研究
3
其中
√ r = x2 + z2 ； θ = tan−1 (− x/z) ； √ r1 = x2 + (z + c)2 ； θ1 = tan−1 (− x/z − c) ； √ r2 = x2 + (z − c)2 ； θ2 = tan−1 (− x/ + c) ； √ r′ = √ x2 + y2 ； ω = tan−1 (− x/y) ； r1 ′ = x2 + (y + l)2 ； ω1 = tan−1 (− x/y − l) ； √ ′ ω2 = tan−1 (− x/y + l) 。 r2 = x2 + (y − l)2 ； 为了计算已破裂延伸裂缝的诱导应力， 需要先
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西南石油大学学报 （ 自然科学版 ）
XXXX 年
引 言
σv
随着近年来水平井钻井技术及大型水力压裂技 术的不断发展， 低渗透非常规油气资源成为新一轮 开发热点[1
4]
。Mayerhofer M 等指出[5] ， 压裂改造体
c
积是影响低渗透储层增产效果至关重要的一项参 数。对于低渗透非常规油气藏， 为了追求更大的压 裂改造体积， 压裂段、 簇数近年来明显增加， 井网也 在不断加密以获得更高产量。然而， 这些措施同时 也加剧了缝间干扰、 井间干扰问题[6] 。缝间干扰有 助于形成复杂裂缝网络以提高储层导流能力。但 是缝间干扰也可能造成裂缝起裂延伸困难， 甚至形 成砂堵， 从而影响施工效果。随着水平井分段多簇 压裂施工日益增多， 国外学者不断研究其缝间干扰 问题。Cipolla C 等[7] 进行理论研究指出， 当压裂主 裂缝导流能力达到一定程度后， 继续增加射孔簇数 或者减小簇间距对最终增产效果影响甚微， 因此应 当适当控制射孔簇数。 Olson J[8] 采用位移不连续 法 （ DDM） 分析多簇裂缝应力场， 研究缝间干扰以优 化簇间距。 Ajani A
网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160108.0916.012.html ： 李勇明， 陈曦宇， 赵金洲， 等．水平井分段多簇压裂缝间干扰研究[J]．西南石油大学学报 （自然科学版） ， XXXX， XX （ X ） 1 8． LI Yongming, CHEN Xiyu, ZHAO Jinzhou, et al． The Effects of Crack Interaction in Multi-stage Horizontal Fracturing [J]． Journal of Southwest ： Petroleum University （Science & Technology Edition ） ， XXXX， XX （X ） 1 8．
西南石油大学学报 （ 自然科学版 ）
XXXX 年 XX 月 第 XX 卷 第 X 期 Journal of Southwest Petroleum University （ Science & Technology Edition ） Vol. XX No. X XXX XXXX DOI： 10.11885/j.issn.1674 5086.2013.11.02.01 文章编号：1674 5086 （ XXXX） XX 0001 08 中图分类号：TE357 文献标志码：A