基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展_贺甲元.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0020-0030地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P贺甲元，张伟，张乐，等 2023 基于 THMD 耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展 地球物理学进展，38(1):0020-0030，doi:10 6038/pg2023FF0338HE JiaYuan，ZHANG Wei，ZHANG Le，et al 2023 Fracture propagation research of radial well fracturing in hot dry rock based on THMD couplingProgress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0020-0030，doi:106038/pg2023FF0338基于 THMD 耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展Fracture propagation research of radial well fracturing in hot dry rock based onTHMD coupling贺甲元1，张伟2，3，4*，张乐1，郭天魁3，王春光2，曲占庆3HE JiaYuan1，ZHANG Wei2，3，4*，ZHANG Le1，GUO TianKui3，WANG ChunGuang2，QU ZhanQing3收稿日期2021-12-03;修回日期2022-06-08投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金资助项目(42102338)、山东省自然科学基金项目(Z2020QE115)、中国博士后科学基金资助项目(2022M712210)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(271902010A)和中国石化科技部项目(P19035)联合资助第一作者简介贺甲元，男，1982 年生，高级工程师，研究方向为增强型地热系统、天然气水合物开发 E-mail:hjysdust163 com*通讯作者张伟，男，1990 年生，讲师，研究方向为地热能开发利用、增强型地热系统构建 E-mail:zhangweisdust163 com1 中国石化石油勘探开发研究院，北京1000832 山东科技大学能源与矿业工程学院，青岛2665903 非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)，青岛2665804 胜利油田新能源开发中心，东营2570011 Sinopec Petroleum Exploration and Production esearch Institute，Beijing 100083，China2 College of Energy and Mining Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China3 Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas Development(China University of Petroleum(East China)，Ministry of Education，Qingdao 266580，China4 New-Energy Development Center of Shengli Oilfield，Dongying 257001，China摘要构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键 借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势，提出采用径向井压裂干热岩储层 基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型，考虑压裂过程中低温诱导热应力作用，首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制，随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律 结果表明:采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧，径向井的存在有利于储层拉应力提升，干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅 51.63%基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强 径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通，降低流体流动阻抗关键词干热岩;裂缝扩展;径向井压裂;岩石损伤;THMD 耦合AbstractThe construction of large-scale fracture networkis the key to efficient development of hot dry rock Basedon the advantages of radial well in fracture diversioninducingandmulti-fracturingformation，radialwellfracturing is proposed for the reconstruction of Hot Dryock(HD)reservoirConsideringtheeffectofcryogenicinducedthermalstressinhotreservoirfracturing，the Thermo-Hydro-Mechanical-Damage(THMD)couplingmodelisestablishedFirstly，thefracturepropagation mechanism of radial well fracturing in HDand the disturbance mechanism of thermal stress andinjection pressure on stress field under the induction ofradial well are discussedThen，the influence of rocktemperature and radial well azimuth on fracture morphologyis analyzed The results show that the cryogenic inducedthermal stress is intensified under the auxiliary coolingeffect of radial well，and the existence of radial well isconductive to the increase of tensile stress Compared withvertical well fracturing，the number of damage units raisedby 51.63%in radial well fracturing of HD With theincrease of rock temperature，the ability of fracturediversion inducing in radial well fracturing is enhanced2023，38(1)贺甲元，等:基于 THMD 耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展(www progeophys cn)中图分类号P314文献标识码Adoi:10 6038/pg2023FF0338The increase of azimuth angle of radial well is beneficial tocommunication of fracture network in fracturing damagezone，which can reduce the flow impedance of injectedfluidKeywordsHot Dry ock(HD);Fracture propagation;adial well fracturing;ock damage;Coupled THMD model0引言地热能具有绿色环保、稳定、可再生等优势 干热岩为蕴藏在地球深部的地热能源，其温度高(大于180)、储量丰富，但受埋深大、低渗透的影响其中的高温热能难以有效提取到地面以供人类使用(张伟等，2019a，b)通过储层改造在干热岩中制造人工裂缝，形成增强型地热系统(EGS)进而为携热工质提供流动通道是干热岩高效开发的关键(Zhanget al，2015)径向井与压裂技术的结合已通过室内实验与现场施工证明其具有良好的储层改造效果 同时磨料射流技术的提出使得干热岩(硬岩)径向钻井成为可能(黄中伟等，2020)因此提出采用径向井压裂干热岩储层以期获得含大规模裂缝网络的增强型地热系统干热岩处于高温环境，压裂时低温压裂流体与高温岩石接触将产生低温诱导热应力(张伟等，2019a，b)通过 EGS 现场施工已证明热应力致裂是提升干热岩储层改造效果的关键(utqvist et al，2016;Garcia et al，2016)Zhao 等(2015)认为高温热储水力压裂裂缝的起裂扩展是注入水压力与高温岩石遇冷水破裂共同作用下形成的复合裂缝 Zhou等(2018)采用圆柱状花岗岩开展了高温条件下水力压裂实验，得出压裂井眼周围受弹性冲击与热冲击的影响 Zhang 等(2019)采用立方体花岗岩岩样开展了高温压裂实验并基于细观损伤力学开展了温度-渗流-应力-损伤耦合模拟，分析了压裂过程中热应力的作用机理及热应力影响下的裂缝扩展过程Kumari 等(2018)采用 22.5 mm 45 mm 两类澳大利亚花岗岩开展了高温水力压裂实验，结果表明:地应力增加，岩样破裂压力呈线性增加;储层温度增加，破裂压力呈线性减小径向井全称为超短半径径向水平井，其在油气增产领域已有应用(Dickinson et al，1992;Li etal，2000)，技术特点是:在直井中多分支喷射，代替分支水平井、定向侧钻的功能;穿透井眼的污染区域，优于传统补射孔;实现定向注水、提升注水效率;降低挤堵压力、提高堵调效果;同时可在径向井的基础上进行储层酸化、压裂，在生产层中创造一个更大的供油(气)区，增大采油(气)面积(张广清和陈勉，2006;Shi et al，2018);改善近井地层渗透性，提高孔渗参数;改善井网布局 Guo 等(2019)通过开展三维流固耦合模拟探讨了径向井辅助压裂的多裂缝形成机制 Dong 等(2018)采用理论模型分析了径向井压裂井径与径向井长度对裂缝起裂的影响规律 曲占庆等(2018)基于扩展有限元法分析了垂向多径向井、水平多径向井对压裂裂缝形态的影响本研究借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势，提出采用径向井压裂干热岩储层，拟结合径向井与低温诱导热应力的共同作用在干热岩储层中制造裂缝网络，进而为携热工质增加换热面积、提升采热效率 基于细观损伤力学构建了 THMD(温度-渗流-应力-损伤)耦合模型，首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制，随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律1数学模型干热岩压裂由于其高温特性储层改造过程中除包含流固耦合外还涉及压裂流体与高温岩石热量交换对流体渗流及岩体应力场的影响，因此要刻画干热岩压裂过程需构建温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型1 1热流固耦合模型控制方程由位移与变温表示的静力平衡方程为(门晓溪等，2013):Gui，jj+G1 2uj，ji p KTTi+Fi=0，(1)式中，ui为位移分量;G、为剪切模量和泊松比，G=E/2(1+);E 为弹性模量;Fi为 i(二维坐标下 i 指下 x，y)方向每单位体积体力;pi为水压力作用项(孔隙压力作用下的渗透力)，其中 B为 Biot 系数;KTTi为热应力项，T岩体热膨胀系数(1)，K是多孔介质体积弹性模量，K=E/(1 2)12地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)受温度与应力影响的渗流场方