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低渗储层水力裂缝扩展特征的数值模拟研究

李志超  
【摘要】:我国低渗油藏资源丰富,其有效开发依赖于水力压裂技术的应用。在胜利油田,主要低渗油藏类型有滩坝砂、砂砾岩、浊积岩、泥页岩等,其水力压裂改造效果与水力裂缝的扩展特征密切相关。水力裂缝在扩展过程中受地应力、储层岩性、物性、天然裂缝等不可控地质因素以及施工排量、压裂液粘度、射孔条件等可控施工因素的影响,其扩展特征不易预测。本文首先运用数值模拟方法研究了水力裂缝的复杂性及其受地应力和天然裂缝的影响,其次研究了岩石脆性对水力裂缝扩展特征的影响,随后研究了作为胜利油田当前重点开发对象的砂砾岩的储层特性、水力裂缝扩展模式,并借鉴部分页岩储层改造复杂缝的思想尝试在巨厚砂砾岩储层中改造复杂缝,最后针对多薄砂砾岩储层改造的难点进行分析和数值模拟研究。主要工作和研究成果如下:(1)运用结合了数字图像技术和有限元方法的数值模拟方法研究了复杂水力裂缝的形成过程,发现天然裂缝很大程度上控制了水力裂缝的扩展路径,根据声发射场特征揭示了天然裂缝在水力作用下的破坏机制为拉伸-剪切复合模式。不同天然裂缝发育密度的试件中分别形成了多分支缝、简单缝网和复杂缝网,结果表明天然裂缝密度越大,模型的改造压力越小,形成的裂缝越复杂。不同地应力差的试件中形成了双翼曲折缝、多分支缝和简单缝网,表明低地应力差储层将有更大的机会压裂出复杂缝,而在地应力差异系数高于1.0的储层很难压裂出具有一定规模的复杂缝。(2)运用数值模拟方法从细观力学的角度分别研究了岩石脆性对页岩与砂砾岩水力裂缝扩展特征的影响。结果表明,脆性页岩矿物/储层更易发育较多的天然裂缝,有利于形成复杂缝;水力裂缝易于在脆性矿物/储层中扩展,不易在延性矿物/储层中扩展,延性矿物/储层中水力裂缝的改造压力大于脆性矿物/储层;脆性矿物/储层中水力裂缝伴生有多个小裂缝,相对于延性矿物/储层形成的单一平直缝更利于复杂缝的形成。针对砂砾岩,改进了适合胜利油田某区块的脆性指数,以此为评价标准研究了砂砾岩试件的单轴破坏特征和水力裂缝扩展特征,结果表明,脆性试件单轴压缩时破坏面不规则,形态复杂,延性试件破坏面较单一;脆性试件中水力裂缝主缝伴有小分支,而延性试件裂缝较为单一;延性试件破裂压力和延伸压力均大于脆性试件,其水力裂缝扩展速度没有脆性试件裂缝快;水力裂缝易于在脆性砂砾岩部分扩展,不易在延性部分扩展,且缝高在脆性指数最大的部分扩展得最充分。(3)研究了目标区块砂砾岩的储层特征,并通过数值模型研究了砂砾岩试件的尺寸效应和水力裂缝扩展模式。结果表明,砂砾岩试件抗压强度在小尺度下尺寸效应明显;压裂数值模型中形成了环绕型绕砾缝,这种裂缝是不连续的,其特征与常规水力裂缝有诸多不同,在室内实验中不易发现。总结了砂砾岩试件中水力裂缝扩展模式及其出现的条件,阐述了实验室尺度下水力裂缝扩展模式对于现场压裂改造的研究价值在于水力裂缝的复杂性。(4)以胜利油田某巨厚砂砾岩储层为工程背景,研究了砂砾岩储层的纵向分布特征、非均质性,以及目标井段水力压裂形成的X形水力裂缝,并与现场微震监测结果相对比,剖析了 X形水力裂缝的形成原因:(Ⅰ)砂砾岩储层中砾石弱界面以及天然裂缝引起的非均质性;(Ⅱ)近距离两条水力裂缝同向扩展时的应力干扰。对比X形裂缝与页岩储层水力裂缝的复杂性,认为其通常不如页岩储层形成的水力裂缝复杂,原因在于砂砾岩储层中天然裂缝的发育密度较小以及砾石弱界面的连续性不够强。对水力裂缝的横向改造范围影响因素的研究表明,水平地应力差越小时,水力裂缝越复杂,横向改造范围越大;施工排量越大,水力裂缝越复杂,横向改造范围越大;压裂液粘度越大,横向改造范围越小。对比三个因素发现,水力裂缝横向改造范围对水平地应力差的变化最敏感,施工排量次之,对压裂液粘度最不敏感。(5)针对胜利油田某区块多薄砂砾岩储层压裂改造存在的缝高受限的难点进行了分析,运用基于内聚力模型考虑了多裂缝流量分配的数值模拟方法建立目标井段的数值模型,研究了水力裂缝的扩展特征,并与现场微震监测与多级子阵列声波测井结果进行对比验证。运用数值模拟方法研究了隔层条件、射孔方案以及层理对水力裂缝缝高的影响,数值模拟结果可为低渗多薄砂砾岩储层的压裂设计提供参考。


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