应力场数值模拟技术在致密气藏开发中的应用

在地质建模的基础上,利用有限元数值模拟技术对苏里格气田靖A井区盒8段致密砂岩储层现今应力场的分布进行了定量模拟。模拟结果显示,研究区盒8段现今最大水平主应力分布在42～46 MPa,方向以N70°E～N85°E为主,在工区西北角向N50°E～N65°E偏转。现今最小水平主应力分布在26～29 MPa。高压气井主要分布在构造应力高值区,揭示了构造应力场对致密气藏原始地层压力的控制作用。进一步分析了构造应力场对苏里格气田水平井轨迹设计、孔眼方向设计、压裂设计以及致密气藏优势渗流方向的控制作用,研究结果可为气田水平井井网部署及压裂设计提供借鉴。     

地应力在苏里格气田水平井方位设计中的应用——以苏53区块为例

苏里格气田苏53区块是苏里格地区唯一采用水平井整体开发的区块,开发对象属于低孔、低渗透气藏。对于采取水平井开发的低渗透气田,水平段在储层中的空间展布与地应力分布规律的有效匹配是提高后期改造效果的有力保证。以现有地质资料为基础,利用有限元数值模拟技术,主要对苏53区块目的层地应力分布特征进行了模拟计算。根据岩石力学特点,结合水平段方位与最大主应力方向匹配关系的方案模拟结果,认为在苏53区块,水平段方位应该与最大主应力方向保持垂直比较合理。同时,通过微破裂四维向量扫描影像技术,对研究区部分水平井进行了裂缝监测。进一步证明在苏里格地区,当水平井水平段与最大主应力方向正交时,能够保证压裂效果、提高单井动用储量。     

水平井压裂裂缝局部应力场扰动规律

压裂裂缝形成复杂裂缝网络是非常规储层改造成功的关键,而裂缝的起裂和扩展又受控于地层中应力场的分布,所以研究水平井压裂裂缝局部应力场的扰动规律十分必要。为此,建立水平井井筒集中应力与裂缝诱导应力叠加的水平井压裂裂缝局部应力场计算模型,利用有限元数值分析软件Comsol Multiphysic,模拟分析裂缝净压力、裂缝长度、裂缝条数和裂缝间距对水平井压裂裂缝局部应力场的扰动情况,并揭示各影响因素对应力场的扰动规律。结果表明,水平井压裂裂缝对最小水平主应力的扰动程度更为显著,其中裂缝净压力和裂缝条数与局部应力场的应力扰动幅度呈正相关关系,裂缝长度的增加会引起应力扰动距离的增大,而裂缝间距的增加则会使裂缝间应力扰动程度降低。     

储层天然裂缝与压裂裂缝关系分析

方法：运用构造物理分析方法,论述了储层中天然裂缝与压裂裂缝之间的关系。目的：确定天然裂缝对人工压裂裂缝的影响。结果：储层中不同天然裂缝组合及其与最大主应力间的相对方位,决定了压裂裂 方位和裂缝宽度等空间分布规律,结论：天然裂缝在压裂时活动与否,主要取决于地应力差,岩石和天然裂缝的抗张强度及裂缝与最大主应力方向间的夹角等因素,在压裂造缝时要充分考虑现今应力场特征,岩石和天然裂缝的力学特征及其组合规律。     

苏里格气田水平井压裂裂缝参数优化

近年来水平井压裂作为提高低渗气藏产量及采收率的重要手段在苏里格气田得到推广应用,利用建立的压裂水平井产能数值模型计算分析了裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力、裂缝间距、裂缝平面与水平井筒夹角对压裂水平井产量的影响,并绘制了各因素与产量的关系图版,依据多因素正交试验分析方法得出影响压裂水平井产能的主要因素依次是裂缝条数、裂缝间距、裂缝长度、夹角以及裂缝导流能力,最后依据提出的综合优化思路优化了苏里格气田水平井压裂合理的裂缝参数。     

大民屯凹陷构造裂缝的综合定量预测

为定量预测大民屯凹陷储集层的裂缝分布规律,在分析区域构造应力场特征的基础上,用有限元法理论,建立了该研究区的地质、力学模型。通过三维构造应力场的模拟分析,给出了古潜山太古界储集层的第一主应力、第二主应力、第三主应力和最大剪应力分布图。根据破裂值和能量值2个评价指标得出了裂缝发育指数,用裂缝发育指数预测的裂缝发育密度与已钻井岩心裂缝统计密度有较好的吻合性,与单一的评价指标相比,提高了裂缝预测的准确度。     

大牛地气田大98井区水平井单井设计优化研究

根据大牛地气田大98井区的储层特点,应用水平井数据模拟概念模型对大98井区水平井单井开发方式进行了研究,研究表明:水平井单井水平段延伸方向垂直于最大主应力方向最优,水平段位于气层中部最好,压裂缝尽量穿过含气砂体并采用锯齿型分布最优,平均半缝长为158 m,平均压裂缝间距114 m。研究成果可有效指导致密低渗气田多级压裂水平井单井设计。     

苏里格气田压裂水平井裂缝参数优化——以苏53区块为例

苏里格气田属于典型的致密砂岩气藏,后期压裂改造是目前苏53区块水平井提高开发效果的有效手段之一。针对苏里格地区地质条件复杂,压裂水平井裂缝参数设计研究少的现状,以苏53区块开发经验和丰富的动静态资料为基础,利用数值模拟方法,对苏53区块压裂水平井裂缝参数进行了优化。结果表明,苏里格气田压裂水平井裂缝长度为200~300 m,导流能力保持在30~40 mD·cm之间时,在裂缝与水平段垂直的情况下,1000 m水平段分4~6段压裂为最优方案。     

非均匀应力场作用下水力裂缝扩展特征数值模拟研究

由于各种影响因素的存在,储层中的局部应力场会发生变化,这些变化会使储层中的应力分布不均匀。水力裂缝在延伸过程中极有可能会穿过这些应力分布不均匀的区域,而水力裂缝的扩展形态与其所处的应力状态密不可分。本文以天然裂缝周围应力场分布为例,基于有限元软件ABAQUS建立了非均匀应力场下水力裂缝扩展模型,分析了水力裂缝穿越不同应力区域时的扩展特征。研究发现:在天然裂缝附近,水平主应力的大小和方向上不同于区域构造应力;当水力裂缝扩展至最小水平主应力减小的区域时,水力裂缝的延伸速率会增加,注入点的缝宽和注入压力均会不同程度下降;当水力裂缝扩展至最小水平主应力增加的区域时,水力裂缝的延伸速率会减小,注入点的缝宽和注入压力均会不同程度增加。论文分析了非均匀应力场对水力裂缝扩展特征的影响,为现场水力压裂施工提供了理论基础。     

水平井压裂裂缝起裂数学模型及敏感性分析

假设岩石处于线弹性状态,根据应力迭加原理,考虑井筒方位,井筒周围的岩石性质、井筒周围应力分布以及作业条件的因素,建立了水平井压裂裂缝起裂数学模型;在迭代求解数学模型的基础上,分别分析了在不同应力状态、不同水平井井筒方位角的情况下,最小水平主应力和垂向应力对裂缝起裂压力的影响规律;计算结果表明,地层构造应力、最小水平主应力和垂向主应力对裂缝起裂压力都有显著的影响,水平井井筒方位角是影响裂缝起裂压力大小的主要因素。     

低渗透油藏水平井压裂理论及现场工艺探讨

水平井井筒应力分布和岩石破坏准则构成了水平井压裂裂缝起裂数学模型,利用迭代法对模型进行了求解.分析表明,井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂.现有的裂缝延伸模型中,全三维裂缝延伸模型计算结果与Fracpro-PT软件计算结果具有很好的一致性,适合水平井压裂裂缝延伸模拟,裂缝间距较长时,多条裂缝延伸模型可以在考虑裂缝之间干扰的基础上结合单裂缝延伸模型建立.现场多条裂缝压裂可以总结为限流法压裂和分段压裂两种,限流法施工相对简单,改造强度相对较小,分段压裂改造强度大,但工具设备和工艺要求高,现场水平井压裂作业时应根据现场情况选择合适的压裂工艺.图4表1参14     

鄂尔多斯盆地苏10区块地应力与储集层裂缝分布

在分析区域构造应力场特征的基础上,根据有限元法的基本理论,建立了苏10 区块合理的地质、力学模型。通过地应力场的数值模拟,给出目的层的最大水平主应力、最小水平主应力、最大剪应力、平均应力和形变能等值线分布图。根据“三维等效张应力（σ_T）”、“破裂值（I）”和“单位体积的应变能（u）”3 个评价指标得出综合评价系数（R_综）,根据R_综得出的构造裂缝发育区与高产气井及钻井岩心裂缝的吻合程度较高。     

基于诱导应力的页岩气“井工厂”压后效果评价

水力压裂是页岩气高效开发的必要措施,页岩气压后效果评价是提高页岩气压裂水平的关键。文章 以涪陵一页岩气井平台为例,提出了一种针对页岩气压裂后应力场分析的压裂效果评价新方法。根据现场微地震 实时监测结果获得了 ３口井压后裂缝情况,在此基础上,采用有限元模拟软件建立了 ３口井压裂后应力场模拟有 限元模拟模型。重点分析了压裂后最大、最小水平主应力场变化,缝长和间距对压后诱导应力场的影响,分析发 现,裂缝条数增加、裂缝长度不均匀将极大地影响压后诱导应力场;长裂缝将抑制中间短裂缝的扩展;各条裂缝缝 长差异不大时有利于裂缝扩展;段间距对裂缝中心产生的诱导应力场影响较小;裂缝尖端诱导应力为压应力时裂 缝延伸受限,ＳＲＶ相对较小、压后产量较低。     

钻井—压裂—生产全过程储层应力演化与加密井压裂优化

水平井水力压裂是致密油藏的有效开发模式,而新钻井则可以提高油藏的开采程度。钻井、压裂和生产过程均诱发储层应力发生变化,进而影响加密井的压裂设计。国内外尚未有相关研究使用同一种方法实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,从而指导加密井的压裂施工优化。采用基于有限元的非连续离散裂缝数值方法,在钻井和压裂过程中通过动态网格技术描述井筒和裂缝的延伸,非连续离散裂缝模型可采用常规有限元网格进行计算,可以与离散裂缝模型完美契合,从而实现钻井—压裂—生产一体化数值模拟。以致密油区块加密井施工为例,对加密井区域待施工井进行钻井—压裂—生产一体化模拟,并以井区开采经济最大化为导向,为加密井压裂优化提供指导方法。模拟结果显示:老井的长期生产过程使得加密井区域地层压力和地应力均减小,最大水平主应力方向发生偏转;考虑老井生产的影响,加密井钻进过程中的钻井液密度不能再使用原始地层压力剖面设计;在钻井液柱压力不大于现阶段最小水平主应力的情况下,井筒钻开后,加密井周围最大水平主应力方向进一步发生偏转,使得裂缝初始扩展方向沿井筒偏转;在加密井压裂前对老井进行注水增压可以改善加密井压裂效果。所建立的数值方法可以实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,以及压裂—生产一体化数值模拟,进而优化加密井压裂设计。     

预测裂隙发育带的构造应力场数值模拟技术

地壳岩体的变形和裂缝系统的形成常常受到构造运动及其作用强度的影响 ,裂隙的产生同构造应力场分布密切相关 ,构造应力场的作用效果又依赖于地层的岩石物性特征。本文针对特定的地震层位使用连续介质线弹性有限元模型 ,计算了研究区内主应力和剪切应力的分布。基于这种理论的计算结果既同该地层的地震数据分析相关也与其岩石物性特征紧密联系 ,我们运用该技术较为成功地预测了研究区内裂隙发育带的宏观平面分布。因此 ,该技术在油气藏资源评价领域的应用具有良好的前景。     

页岩气储层水力压裂扩展有限元模拟方法及应用

页岩气储层低孔低渗,需用水力压裂等方法进行储层改造方可获得经济产能。储层改造中裂缝的形态和分布对体积改造效果至关重要。为了研究压裂裂缝的模拟方法,系统调研和对比了储层水力压裂模拟常用方法,开展了扩展有限元模拟,研究表明:①水力压裂物理模拟实验能够直观观测裂缝的形态及展布特征,但因试样尺寸等问题难以代表实际储层压裂情形;②常用的数值模拟方法有边界元法、非常规裂缝模型、离散化缝网模型和扩展有限元法等,这些方法各有优缺点,需做有针对性的改进才能更好地模拟真实页岩储层压裂情况;③应用扩展有限元法模拟水力压裂和分段顺序压裂过程中裂缝的延伸情况,得到射孔方向与最大水平主应力之间夹角和诱导应力对压裂裂缝的影响,夹角越大,裂缝偏转角度越小,偏转距离越大,初始破裂压力越高,裂缝稳定延伸的压力也越大,而诱导应力的存在会抑制压裂裂缝的延伸。对实际压裂工程中射孔方向的选择和分段压裂射孔间距的设计具有指导意义。     

储层溶洞对地应力分布的影响

碳酸盐岩储层大多发育溶洞,溶洞会影响附近的应力分布,而在储层压裂改造过程中,应力状态会影响水力裂缝的起裂与扩展。本文研究基于有限元软件ABAQUS建立溶洞附近应力场分析模型,研究椭圆形溶洞的长轴与最大水平主应力方向夹角对溶洞附近应力场分布的影响。研究结果表明,在溶洞附近,最大水平主应力方向趋于与溶洞壁面轮廓相切或平行,最小水平主应力方向趋于与溶洞轮廓边缘切线正交,自然条件下水力裂缝不能沟通溶洞;在椭圆形溶洞长轴方向上,最大水平主应力和最小水平主应力均大于原始水平主应力,在椭圆形溶洞短轴方向上,最大水平主应力和最小水平主应力均小于原始应力,且随着与溶洞距离的增加,水平主应力逐渐恢复至原始状态,研究结果对现场压裂施工具有重要的指导意义。     

水力压裂裂缝三维扩展ABAQUS数值模拟研究

油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程,引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则,考虑流体在裂缝面横向、纵向流动,采用有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。通过其黏结单元设定裂缝延伸方向,编写用户子程序并嵌入ABAQUS主程序中,以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。     

基于数值模拟的径向井压裂裂缝形态

径向井压裂技术近年已取得良好开发成果,但该技术仍缺乏在致密气层的应用及研究。扩展有限元理论在水力压裂模拟上已有成熟的应用。基于地层流-固耦合方程,结合现场数据建立径向井水力压裂扩展有限元(XFEM)模型,研究裂缝起裂和扩展的规律。通过数值模拟量化分析了不同参数对裂缝形态的影响规律,明确了多径向井压裂的裂缝形态,并进一步提出了多径向井的优化布孔方案。结果表明:压裂时形成了沿径向井分布的诱导应力场,场内可一定程度实现主裂缝沿径向井方向定向扩展;垂向多径向井可有效提高径向井压裂裂缝形态的可控性;水平向多径向井的主裂缝形态由单径向井压裂主裂缝形态叠加而成,但径向井与水平最大主应力方向的夹角决定了该径向井处的起裂压力及裂缝扩展程度。研究成果对现场应用具有重要的指导意义。