李玉梅,李軍,柳貢慧,2,于麗維,劉明,鹿吉慶
(1.中國石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院,北京102249;2.北京信息科技大學(xué),北京100192;3.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆 克拉瑪依834000;4.天津開發(fā)區(qū)鑫昌達(dá)船舶工程有限公司,天津300457;5.西南石油大學(xué),四川 成都610500)
區(qū)別于常規(guī)氣藏開采技術(shù),射孔水平井分段壓裂技術(shù)已成為低滲透頁巖氣藏高效開發(fā)的有效手段[1]。多級射孔簇可形成多條水力裂縫,從而增加儲層形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾率,獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)是在同一壓裂段內(nèi)盡可能多地排布人工裂縫,或者減小裂縫間隔距離,大幅增加氣藏泄氣面積,改善儲層與井筒間的流體連通程度,創(chuàng)造較大的儲層改造體積[2-3]。大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示,約有25%的人工裂縫是無效的。所以,同一壓裂段內(nèi)的裂縫間距以及裂縫條數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,對有效的儲層體積改造至關(guān)重要[4]。
頁巖氣儲集層的地質(zhì)和力學(xué)特征與常規(guī)天然氣儲集層有較大差別。頁巖的層理結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致平行于層理面和垂直于層理面的力學(xué)特性具有較強(qiáng)的各向異性。傳統(tǒng)的分段壓裂理論模型和壓裂造縫機(jī)理,并不適用于指導(dǎo)低孔、低滲且非均質(zhì)性較強(qiáng)的頁巖氣井壓裂設(shè)計,而數(shù)值模擬方法因其具有不受外界條件影響且可進(jìn)行重復(fù)性計算等特點,被許多國內(nèi)外學(xué)者用來替代室內(nèi)試驗手段,對分段壓裂縫間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[5-8]。本文基于頁巖彈性各向異性特征和滲流與變形耦合理論模型,建立了水平井分段壓裂非平面水力裂縫擴(kuò)展的三維有限元數(shù)值模型,開展了水平井壓裂方式以及頁巖力學(xué)特性對分段壓裂縫間干擾機(jī)理的研究分析,為探索層理性頁巖氣儲集層壓裂造縫機(jī)理以及分段壓裂優(yōu)化設(shè)計提供了有效的指導(dǎo)意見。
水平井分段壓裂過程中,裂縫會從各個射孔簇處起裂并延伸,每條裂縫的張開都會擠壓裂縫兩邊的地層,形成誘導(dǎo)應(yīng)力。多條裂縫間的相互干擾又促使形成更為復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫。要達(dá)到最好的體積壓裂效果,一般采用沿著最小水平主應(yīng)力方向,形成的裂縫垂直于井筒軸線的橫切裂縫[9-10]。
先壓裂縫產(chǎn)生后,將導(dǎo)致裂縫周圍一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布發(fā)生改變[11],水平主應(yīng)力差值在距裂縫壁面一定范圍內(nèi)會大幅減小,因而也將影響后續(xù)壓裂水力裂縫的起裂[12-13]。常規(guī)壓裂通常是從井筒趾部開始,依次向跟部壓裂,第3 條裂縫在先壓的2 條主裂縫之后形成,這種壓裂方式為順序壓裂法(見圖1a)。區(qū)別于常規(guī)壓裂工藝,在選擇壓裂方式中,第3 條裂縫形成于先壓的2 條主裂縫的中間位置,位置和壓裂順序的不同將引起復(fù)合應(yīng)力場的改變(見圖1b)。由此可見,壓裂裂縫的順序和位置可以人為控制,從而改變復(fù)合應(yīng)力產(chǎn)生,導(dǎo)致不同的壓裂效果。無論是順序壓裂還是選擇壓裂方式,壓裂工藝的不同會導(dǎo)致不同的應(yīng)力轉(zhuǎn)向狀態(tài),從而影響縫間距的選擇。
圖1 不同壓裂方式的復(fù)合應(yīng)力場
層理性地層是各向異性地層中最簡單的形式,工程上通常將頁巖看作是層理性地層的典型。頁巖在層理面的應(yīng)力-應(yīng)變特征是各向同性,可用5 個獨立的彈性常數(shù)來描述?;⒖硕煞从沉藦椥泽w中應(yīng)力與應(yīng)變的線彈性關(guān)系,對于各向異性材料,其應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程可以表示為
其中
Eh=Ex=Ez,νh=νxz,Eh,νh分別表示平行于各向同性面的彈性模量和泊松比。EV=Ey,νV=νyz=νxy,EV,νV分別表示垂直于各向同性面的彈性模量和泊松比。各向同性面XOZ 內(nèi)的剪切模量為
Batugin 等[14]提出垂直于各向同性面的YOZ 面和XOY 面的第5 個彈性常數(shù),即GV=Gyz=Gxy的數(shù)學(xué)解法,并通過大量的實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗證。
考慮層理性頁巖的橫向各向同性特征,建立數(shù)值模型之后需要建立材料的局部坐標(biāo)系,所建模型坐標(biāo)系如圖2所示。模型全局坐標(biāo)為XYZ,各向同性面為XOZ,對稱軸為Y 軸。水平井沿最小水平主應(yīng)力方向(σh)鉆進(jìn),人工水力裂縫縫長沿著最大水平主應(yīng)力方向(σH),縫高沿垂向Z 軸方向貫穿整個儲層。層理面局部坐標(biāo)系為X′Y′Z′,局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系的三軸一一對應(yīng),即X-X′,Y-Y′,Z-Z′。裂縫形態(tài)以半無限模型為例,計算中預(yù)置裂縫縫長Lf、縫寬Wf、縫高h(yuǎn)f,縫間距為S,圖3為所建裂縫幾何參數(shù)示意。
圖2 坐標(biāo)系示意
圖3 裂縫幾何參數(shù)示意
基于頁巖彈性各向異性特征和滲流與變形耦合理論模型,利用有限元數(shù)值計算軟件Abaqus,建立了水平井分段壓裂非平面水力裂縫擴(kuò)展三維有限元數(shù)值模型(見圖4)。
圖4 有限元數(shù)值模型建立過程
水力裂縫沿水平井筒平行排布,裂縫嵌入模型內(nèi)部,縫高即儲層厚度。采用位移和孔壓耦合六面體單元C3D8P 對數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對裂縫尖端進(jìn)行細(xì)化處理。
網(wǎng)格劃分后,在初始條件設(shè)置中,為所有單元節(jié)點賦值飽和度為1,地層流體滲透率為0.000 1×10-3μm2,孔隙比為3%,初始孔隙壓力為16 MPa。層狀巖體處理成橫向各向同性介質(zhì),描述這種性狀的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以采用5 個獨立的彈性常數(shù)。垂直于各向同性面的彈性模量和泊松比取定值,分別為EV=30.61 GPa,νV=0.223;平行于各向同性面的彈性模量和泊松比的取值范圍分別為36.65 GPa 材料參數(shù)設(shè)定后,將材料的橫向各向同性賦予局部坐標(biāo)系。地層巖石抗拉強(qiáng)度為2 MPa,流體密度為1.0 g/cm3,最大水平主應(yīng)力為29 MPa,最小水平主應(yīng)力為24 MPa,垂直地應(yīng)力為40 MPa,地層初始孔隙壓力為16 MPa。邊界條件設(shè)置過程中,對模型外側(cè)邊界施加位移約束和孔隙壓力,在裂縫內(nèi)表面單元施加凈壓力和孔隙壓力。 對于水平井分段壓裂,目前的壓裂方式主要有順序壓裂和選擇壓裂(德克薩斯州兩步壓裂法)。圖5為初始裂縫形成后,“中間裂縫” 的加入對2 種壓裂方式下誘導(dǎo)應(yīng)力場的影響。隨著裂縫的延伸,應(yīng)力干擾區(qū)擴(kuò)展,最后彼此疊加。對于順序壓裂方式,初始2 條裂縫的間距相對較小,產(chǎn)生的縫間誘導(dǎo)應(yīng)力較大,不利于裂縫延伸。與順序壓裂方式相比,選擇壓裂方式形成的初始裂縫間距足夠大,誘導(dǎo)應(yīng)力干擾疊加區(qū)域較小,促使“中間裂縫”在初始形成裂縫間順利擴(kuò)展延伸。 圖5 不同壓裂方式對應(yīng)誘導(dǎo)應(yīng)力云圖 不同壓裂方式下,“中間裂縫” 加入后,誘導(dǎo)應(yīng)力ΔSxx(垂直裂縫方向)與初始水平應(yīng)力差ΔShini的無量綱之比和縫間距的關(guān)系如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn),相比順序壓裂方式,選擇壓裂方式在“中間裂縫”加入后,產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力較小。外緣裂縫間距S′=2S=137.16 m 時,順序壓裂產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力,出現(xiàn)最小值;當(dāng)外緣裂縫間距為121.92 m 時,選擇壓裂產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力,出現(xiàn)最小值。由此可見,選擇壓裂方式下的最優(yōu)縫間距要小于順序壓裂方式。 圖6 “中間裂縫”加入后的最優(yōu)裂縫間距 圖7為射孔簇間距為46,30,15 m 條件下,目標(biāo)儲層彈性模量對裂縫形態(tài)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),彈性模量和射孔簇間距對裂縫擴(kuò)展形態(tài)均有較大影響。較高的彈性模量會引起較強(qiáng)的縫間干擾,導(dǎo)致縫寬、縫長均減小,那么對于高彈性模量地層,需增加簇間距,減小分縫間干擾。較大的縫間距縫間干擾較小,縫寬、縫長也隨之增加;反之,縫間距較小,縫寬、縫長均有所減小,限制了裂縫擴(kuò)展延伸。另外,工程上可以通過提高泵速和降低鉆井液黏度保證裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。 定義頁巖層理面彈性模量與層理面法向彈性模量的比值K=Eh/EV。K 是表征頁巖彈性各向異性度的參考值,其值越小,表示彈性各向異性度越高。圖8為不同儲層厚度條件下,彈性模量各向異性對最優(yōu)縫間距的敏感性影響分析曲線。研究發(fā)現(xiàn):較高的彈性模量各向異性導(dǎo)致較大的最優(yōu)縫間距;反之,較小的彈性模量各向異性導(dǎo)致較小的最優(yōu)縫間距。彈性模量各向異性從1.5 變化到1.2 時,最優(yōu)縫間距變化了大約7.62 m。可見,頁巖的彈性模量以及彈性模量各向異性對縫間距有較大影響,因此考慮頁巖的巖石力學(xué)特性對縫間距的優(yōu)化選擇至關(guān)重要。 圖7 目標(biāo)儲層彈性模量對裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響 圖8 彈性模量各向異性對最優(yōu)縫間距的影響 1)相比順序壓裂方式,選擇壓裂方式充分利用了誘導(dǎo)應(yīng)力的作用,形成的初始裂縫間距足夠大,誘導(dǎo)應(yīng)力干擾疊加區(qū)較小,最優(yōu)縫間距也較小,有利于更多的“中間裂縫”擴(kuò)展延伸。 2)較高的彈性模量會引起較強(qiáng)的縫間干擾,導(dǎo)致縫寬和縫長均減小,那么對于高彈性模量地層,需增加射孔簇間距,減小縫間干擾。 3)彈性模量各向異性越大,最優(yōu)縫間距越大。因此,考慮頁巖的彈性各向異性力學(xué)特性對縫間距的優(yōu)化選擇至關(guān)重要。 [1]王益維,張士誠,李宗田,等.深層低滲透儲層壓裂裂縫處理技術(shù)[J].特種油氣藏,2010,17(3):87-89. [2]Lolon E P,Cipolla C L,Weijers L,et al.Evaluating horizontal well placement and hydraulic fracture spacing/conductivity in the Bakken Formation,North Dakota[R].SPE 124905,2009. [3]周洪亮,尹洪軍,李美芳,等.各向異性油藏水平井井網(wǎng)滲流場分析[J].特種油氣藏,2010,17(1):81-84. [4]Wei Y,Economides M J.Transverse fractures from a horizontal well[R].SPE 94671,2005. [5]Manchanda R,Sharma M M.Impact of completion design on fracture complexity in horizontal wells[R].SPE 159899,2012. [6]Olson J E.Multi-fracture propagation modeling:Applications to hydraulic fracturing in shales and tight gas sands[R].ARMA 08-327,2008. [7]Wu R,Kresse O,Weng X,et al.Modeling of interaction of hydraulic fractures in complexfracture networks [R].SPE 152052,2012. [8]Meyer B,Bazan L W,Jacot R H,et al.Optimization of multiple transverse hydraulic fractures in horizontal wellbores [R].SPE 131732,2010. [9]郭天魁,張士誠,劉衛(wèi)來,等.頁巖儲層射孔水平井分段壓裂的起裂壓力[J].天然氣工業(yè),2013,33(12):87-93. [10]劉洪,胡永全,趙金洲,等.重復(fù)壓裂氣井誘導(dǎo)應(yīng)力場模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(23):4022-4027. [11]呂志凱,何順利,黃搖偉,等.水平井分段壓裂總應(yīng)力場計算模型[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2012,31(2):120-124. [12]Palmer I D.Induced stresses due to proposed hydraulic fracture in coalbed methane wells[C]//the SPE Rocky Mountain Regional/Low Permeability Reservoirs Symposium,Denver,1993. [13]徐嚴(yán)波.多條裂縫同時延伸時裂縫幾何尺寸影響因素[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2009,28(3):89-92. [14]Batugin S A,Nirenburg R K.Approximate relation between the elastic constants of anisotropic rocks and the anisotropy parameters [J].Journal of Mining Science,1972,8(1):5-9.3 結(jié)果分析
3.1 壓裂方式對裂縫間距的影響
3.2 力學(xué)特性對裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響
4 結(jié)論