东海低渗区压裂诱导应力分析及施工参数优化_郭照越.pdf

东海低渗区压裂诱导应力分析及施工参数优化郭照越1，孔祥伟1，陈峥嵘2，甘洲1，叶佳杰1（1长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2中海油研究总院有限责任公司，北京100028）摘要：考虑地层弹性模量、泊松比、地应力等参数，基于位移不连续理论、弹性理论，建立了诱导应力场数学模型，以东海低渗 21-X 井为例，开展了 Abaqus 数值模拟，分析了射孔角度、射孔排量、簇间距对裂缝转向扩展和诱导应力的影响，结果表明：随着簇间距的增大诱导应力增大，增大幅度呈平缓趋势，推荐簇间距为 3060 m；随着射孔排量增大，诱导应力差异系数范围逐渐增大，推荐射孔排量为 56 m3/min；当射孔角度为 0时，裂缝长度最长，随着射孔角度增大，裂缝逐渐形成双翼型转向裂缝，且转向特征逐渐明显，推荐射孔角度为 030；当水力裂缝偏转角90或天然裂缝偏转角45时，水力裂缝尖端诱导应力差较小，甚至为负，从而阻碍裂缝转向作用力较小，有利于形成复杂缝网，达到增产上储的目的。关键词：水力压裂；诱导应力；簇间距；射孔排量；射孔角度中图分类号：TE357.1文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）03-0058-06DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.03.012Analysis of fracturing induced stress and optimizationof construction parameters in low permeabilityarea of the East China SeaGUO Zhaoyue1，KONG Xiangwei1，CHEN Zhengrong2，GAN Zhou1，YE Jiajie1（1.School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan Hubei 430100，China；2.CNOOC Research Institute Ltd.，Beijing 100028，China）Abstract:A mathematical model of induced stress field was established based on displacement discontinuity theory and elastic theory,considering formation elastic modulus,Poissonsratio and in-situ stress.Taking the low-permeability well 21-X in the East China Sea as anexample,Abaqus numerical simulation was carried out to analyze the effects of perforationangle,perforation displacement and cluster spacing on fracture turning propagation and induced stress.The results showed that,the induced stress increases with the increase of clusterspacing,and the increment range is not large.The optimal data between clusters is 3060 m.With the increase of perforation displacement,the range of induced stress difference coefficient gradually increases,and the optimal perforation displacement is 56 m3/min.When theperforation angle is 0,the fracture length is the longest.With the increasing of the perfora*收稿日期：202207-15作者简介：郭照越（1997-），女，硕士研究生，研究方向为油气井工程。石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.42 No.3Mar.2023东海低渗区具有孔隙度低、渗透率超低等特征1-3，增产效果不理想，压裂期间，会出现水力裂缝扩展不彻底，从而不能有效沟通储层、释放产能4；东海低渗区采用缝网压裂技术，使天然裂缝与人工裂缝相连接，形成复杂缝网，达到增产上储的目的。前人在诱导应力分析及施工参数方面做了很多研究，胡千庭等建立理论模型，对煤层段进行水力压裂数值模拟，探究压裂最优施工参数；朱海燕等对页岩储层建立了页岩油水平井密切割多裂缝动态扩展的渗流-应力-损伤模型，进行数值模拟研究；孟勇等针对水平井垂直裂缝的相互干扰进行模拟分析不同排量、压裂液黏度及不同上下隔层厚度下的诱导应力场，对压裂施工参数进行了优化；姜浒等在试验中使用相似材料模型研究了射孔角度对起裂压力和裂缝扩展路径的影响。但学者对低渗区诱导应力分析、优化射孔角度和簇间距的研究较少5-15。位移不连续法可以解决均质地层复杂裂缝扩展问题，在非均质地层中模拟水力裂缝扩展规律中具有一定误差。运用该方法可描述多条裂缝之间的相互影响，模拟页岩储层中水力裂缝的扩展形态16-17。笔者结合东海低渗区非均质性，考虑多条平行裂缝间影响，找到诱导应力对裂缝的影响规律，得到最优的射孔角度、射孔排量和簇间距，其中，射孔角度是影响裂缝渗透场的主要因素。1数学模型建立假设储层有一条垂直的对称双翼裂缝（图 1），裂缝长为 2h 的直线状裂缝，裂缝面上净压力为 Pnet。基于线弹性力学中的半逆解法和弹性力学的平衡微分方程、几何方程及物理方程求解，建立如下力学模图 1单一垂直裂缝诱导应力场型：azPnetrsinsin3212()hh2r1r2()32Pnetrcos 121-122()r1r2()12|1（1）ayPnetrsinsin3212()hh2r1r2()32Pnetrcos 121-122()r1r2()12|1（2）ax ayaz()（3）式中：ax、ay、az-分别为 x、y、z 方向上的诱导应力，MPa；Pnet-裂缝净压力，MPa；h-裂缝半缝高，m；-储层泊松比，无因次。设裂缝断面是椭圆形，水平井井筒方向为 z 轴即最小水平地应力方向，裂缝缝高方向为 x 轴即垂向地应力方向，单条裂缝在 z 轴上某点产生的水平诱导应tion angle,the fracture gradually forms a double airfoil steering fracture,and the steeringcharacteristics are gradually obvious.The optimal perforation angle is 030.When the deflection angle of hydraulic fracture is less than 90 or the deflection angle of natural fractureis less than 45,the induced stress difference of hydraulic fracture tip is small or even negative,and the effect of preventing fracture steering is small,which is conducive to the formation of complex fracture network,so as to achieve the purpose of increasing production andreservoir.Key words：hydraulic fracturing；induced stress；cluster spacing；perforation displacement；perforation angleayazhhyz（z，y）21r1r2r郭照越等东海低渗区压裂诱导应力分析及施工参数优化第 3 期59力模型为：xPnet1L2cL2c()214L2c4L2c()214()3|（4）y2Pnet1L2cL2c()214|（5）多条裂缝诱导应力场的叠加：x=Ni=1xi（6）y=Ni=1yi（7）诱导应力场改变了最小主应力，相邻的裂缝内净压力也一起改变，于是中间裂缝的净压力为：Pnet2=Pc-h+hl+hr()（8）式中：Pc-缝内压力，MPa；hl-左侧裂缝产生的诱导应力，MPa；hr-右侧裂缝产生的诱导应力，MPa。2数值模拟边界条件设定以东海低渗21-X 井为模拟实例，压裂深度为3 237 m，岩石以细砂岩：褐灰色，成分以石英为主，次为长石及暗色矿物，细粒为主，岩性呈现非均质性强，渗透率低。东海低渗 21-X 井压裂段物理模型设置（图 2），设置模拟单位为 200 m 正方形设置井筒注入点。压裂施工及地质参数见表1，东海低渗 21-X 井储层厚度为23 m。3压裂诱导应力影响因素分析图 2东海低渗 21-X 井压裂段物理模型设置表1压裂施工及地质参数单裂缝诱导应力对缝网影响见图3，当单裂缝被压裂后，其附近会产生诱导应力，水平主应力差减小以及最小主应力转向，导致裂缝走向不确定或发生转向，形成次生裂缝，从而形成复杂缝网，模拟结果表明诱导应力有利于缝网的形成。3 条裂缝在诱导应力作用下的形态见图 4。当多条裂缝同时延伸期间，裂缝会受到相邻裂缝诱导应力的影响，互相叠加后干扰各个裂缝本身的延伸，即产生应力影响效应。裂缝附近诱导应力最大，随距主裂缝距离增大诱导应力减小，在距离裂缝一定远后将为 0。由于诱导应力的存在，多条裂缝起裂可能会造成中间裂缝的起裂困难或者不均衡现象，或者发生起裂后又迅速止裂，造成施工困难，达不到沟通天然裂缝的效果。当簇间距较小时，两侧裂缝产生的诱导应力对中间裂缝有干扰作用，且相对明显；随着簇间距的逐渐增200 myx注入点Cohesive 单元Ph200 m（a）法向诱导应力（b）切向诱导应力（c）剪切诱导应力图 3单裂缝诱导应力对缝网影响502502550252015100500051015-50-2502550502502550-50-25025502.01.61.20.80.40.0-0.3-0.5-0.7502502550-50-25025501.81.41.00.60.20-0.2-0.4-0.5石油化工应用2023 年第 42 卷参数名称数值参数名称数值弹性模量/GPa19.1最小水平主应力/MPa44.50泊松比0.25渗透系数/（m s-1）1.510-7抗拉强度/MPa6滤失系数/（m Pa-1 s-1）1.610-10孔隙比0.1射孔角度/0压裂液黏度/（mPa s）0.01射孔排量/（m3 min-1）1.0最大水平主应力/MPa54.23压裂深度/m3 23760大，两侧裂缝产生的诱导应力对中间裂缝的干扰作用渐渐消失。4压裂施工参数优化4.1射孔角度施工参数优化射孔角度对裂缝形态和转向的影响见图 5，裂缝发展方向总是趋向最大主应力方向，射孔角度为 0时，裂缝长度最长；射孔角度不断增加，会慢慢形成双翼型转向裂缝，且转向逐渐明显，距离越大，裂缝宽度逐渐减小；射孔角度 030为最佳。射孔角度与裂缝长宽的关系见表 2，随着射孔角度增加，裂缝偏转角也在增加，初始射孔角度 45时，裂缝转向趋于明显，裂缝长度慢慢减小。表 2射孔角度与裂缝长宽的关系单缝半长和入口处宽度变化规律见图 6。该井1，2，3 储层厚度约为 31 m，因此，射孔角度为 3045能