同步压裂缝网形成机理研究进展.pdf

第34卷第2期
新疆石油地质
Vol. 34, No. 2
2013年4月
XINJIANG PETROLEUM GEOLOGY
ADr.2013
同步压裂缝网形成机理研究进展
李小刚',罗丹,李字,张亚明2
(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500;2.华北石油管理局储气库管理处,河北任丘0650
摘要:同步压裂技术是实现页岩气、煤层气等非常规天然气储集层改造的新兴技术,揭示裂缝延伸的力学机理是进
行施工参数优化的基础。研究表明,多裂缝同步延伸诱导应力场及其天然裂缝作用机制共同确定了同步压裂發缝展
布情况;裂缝网络工程方法是目前研究同步压裂裂延伸模型最好的手段;优化施工参数主要在于优化裂缝条数、裂
继间距、净压力和水力裂缝几何尺寸,以实现最大程度诱导应力场形成复杂裂缝网络。
关键词:页岩气藏;同步压裂;应力干扰;天然裂缝;裂缝延伸
文章编号:1001-3873(2013)02-0228-04中图分类号:TE357.1文献标识码:;A
页岩气储集层相对于常规砂岩储集层而言,基质技术也存在如成本高、预测性差、不利于指导压裂设
渗透率极低,天然裂缝发育,需通过水力压裂手段オ计等问题。因此,需要分析同步压裂体积缝网形成的
能获得工业油气流。基质渗透率越低所需水力裂缝与力学机理,为施工参数优化提供理论支持。
油藏接触面积越大,即要求形成复杂的裂缝网络”。如
何利用天然裂缝形成复杂裂缝网络对水力压裂技术
同步压裂缝网形成机理研究进展
提出了一定的挑战。美国页岩气藏形成复杂裂缝网
经典理论表明,人工裂缝延伸的方向总是垂直
络的压裂技术(即体积压裂)主要依靠4大手段:滑溜于最小水平主应力方向。水平井同步压裂形成体积
水压裂( Slickwater Fracturing;水平井分段压裂技术缝网的过程实质是多条人工裂缝同时在天然裂缝发
MSHF);同步或交替注入压裂技术( (Simultaneous or育地层延伸的过程。因此,有必要从裂缝间应力干
Sequential Fracturing:微地震裂鏠监测技术( Micro-扰、人工裂缝与天然裂缝相互作用机制两方面对同步
seismic Fractures Monitoring)o
压裂裂缝展布力学机理进行分析
邻井间同步压裂技术叫是指大致平行的2口或21.1缝间应力扰动
口以上水平井同时进行压裂改造。其目的是在页岩
(1)单缝存在的应力扰动关于单缝存在的应力
气层中产生更大压力,创造出更复杂的三维裂缝网络扰动, Soliman等人?总结了2种目前常用的计算模型
系统,增加裂缝系统表面积。这是单井压裂所不能实及适用条件。
现的。2006年,该技术首先在美国Ft. Worth盆地的
①半无限裂缝模型:裂缝形状为一恒定高度的长
Barnett页岩中实施。施工者在水平井段相隔152~方体且具有无限长度;缝宽相对于缝高和缝长无限
305m的2口大致平行的水平井之间进行同步压裂,小;裂缝内压力恒定。该模型适用于裂缝长度是裂缝
炳井均得到高速生产。其中一口井以25.5×10md高度5倍以上,即水平井段创造的横向裂缝比较长
的速度持续生产30d,而其他未压裂的井只有(5.66~其中,x为垂直裂缝面方向,代表透导最小水平应力
14.16)x10m3d.2009年, Continental Resources公司为平行于裂缝延伸的水平方向,x为裂缝垂向方向。
在 Woodford页岩中先进行套管井声波测井,获得水通过适当的数学计算,可得诱导应力分量(o,O,T
平井段地应力剖面后再找出最优位置进行射孔+同步的表达式为
多段压裂,增产效果及成本花费均表明同步压裂技术
r,+o)=p.tr/、F12co(e-0.561-0.562)-1;(1)
具有一定的优势。目前没有任何一种数学模型能够
准确模拟出天然裂鏠地层中多裂缝同时延伸情况
2)=p。
2rcos 8(H2
所以,同步压裂过程中,通常要采用实时微地震裂缝
H(4
cos2(0,+0
丁2
监测手段来观察裂缝延伸情况,判断其是否形成复杂
sin
+0
裂缝网络系统和及时调整施工参数。但微地震监测
y=-P。H、4r72
收稿日期:2012-07-11
修订日期:2012-10-3
基金项目:国家科技重大专项(2011ZX05042-002-001)
作者简介:李小网刚(1981-),男、四川仁寿人,副教授,博士、油气田开发,(Tel)28-83032050(E-mai))swpuadam@126.com
第34卷第2期
李小刚,等:同步压裂缝网形成机理研究进展
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=A(、+,小
(4)
600
②便士模型:模型假设裂缝形状为便士形状(即
圆形)。该模型适合有限长度的裂缝,尤其是裂缝长
度与高度相近。其诱导应力场表达式为
o,+)=P7)o-05-058)-
0
2(o、-o)=P。c(r12
20685
06895
rsin t
P
(7)
c(1r2
(8)
2D685
-600
(2)多缝应力千扰多缝间应力干扰可通过3种
-600
600
600
方法来计算:一是上面给出的多个单缝诱导应力场的
叠加;二是通过不连续位移法(DDM)定量表征;三是
FLAC3D等软件模拟方法。
图1所示为 Crouch和 Starfield提出的平面DDM
方法求解任一裂缝j单元不连续位移诱导裂缝i单元
应力场物理模型。其数学表达式为
(Mpa)
2.7580
.=∑、mD,+∑)CmD,
=この.+∑Dm
(10)
-2758
600
图23条间距为30.48m裂缝诱导产生的
最小(a)和最大(b)水平应力值分布
裂缝j单元
可达到2.76MPa.这为脆性较大、水平应力差较小地
裂单元,
层实现裂缝转向和天然裂缝开启形成体积缝提供了
图1裂缝j单元上不连续位移在裂缝单元上产生的
定的力学机遇。
法向和切向应力
2011年, Neal B. Nagel%等用FLAC3D岩土软件
2009年,Y. Cheng通过上述不连续位移方法
模拟页岩地层中多裂缝间应力干扰效应,表明多缝间
(DM),在一定的参数假设条件下(表1)计算出了3
应力干扰程度是裂缝间距、页岩岩石力学性质和地应
条人工裂缝同时存在情况下储集层中任一位置处最
力的函数。
小、最大水平扰动值大小(图2)。图2中,压应力为1.2人工裂缝与天然裂缝相互作用模式
正,剪应力为负。对比分析图2可知:垂直于裂缝方
人工裂缝与天然裂缝相互沟通是形成体积缝网
向上诱导最小水平应力大于最大水平应力,最大差值
的基础。国外学者?对人工裂缝与天然裂缝相互作
用模式机制方面做了不少工作。复杂诱导应力状态
表1油气藏和裂缝不同参数取值情况
下,为工程上计算简便,二者相互作用机制可借鉴N.
油藏参数
值
裂缝参数值
Potluri,D.Zhu和A.D.Hil提出的各种判据(表2),只
泊松