低滲透油氣藏水力壓裂數(shù)值模擬研究.pdf

1、頁(yè)巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣資源的儲(chǔ)量非常豐富，然而因?yàn)閮?chǔ)集層滲透率極低，它們的自然產(chǎn)能達(dá)不到商業(yè)開(kāi)采需求。由于水力裂縫能有效增大油氣泄流面積，水力壓裂技術(shù)是目前開(kāi)發(fā)這類低滲油氣藏的主要手段。為確保水力裂縫滿足增產(chǎn)需求，需要研究裂縫擴(kuò)展過(guò)程并分析水力壓裂的影響因素。
　　本文提出一種基于離散裂縫模型和廣義J積分的水力壓裂模型，該模型包括滲流場(chǎng)方程、固體場(chǎng)方程、流固耦合作用以及裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則四部分。其中，引入離散裂縫模型計(jì)算基質(zhì)-裂縫流

2、量交換，可以提高壓裂模型的模擬精度。為正確處理地應(yīng)力對(duì)巖石變形的影響，根據(jù)疊加原理將固體場(chǎng)分解為地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的初始部分和其它外力作用對(duì)應(yīng)的有效部分，從而大幅度簡(jiǎn)化固體場(chǎng)的求解。模型采用應(yīng)力強(qiáng)度因子判斷裂縫狀態(tài)，并采用J積分計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，既能避免無(wú)窮大空間假設(shè)帶來(lái)的誤差，又回避了裂尖應(yīng)力奇異帶來(lái)的計(jì)算困難?？紤]到流固耦合作用，本文將廣義J積分引入壓裂模型。在模擬裂縫擴(kuò)展時(shí)，網(wǎng)格系統(tǒng)隨裂縫長(zhǎng)度變化而變化，為提高數(shù)值模擬效率，本文引入動(dòng)態(tài)網(wǎng)

3、格技術(shù)，模擬過(guò)程中粗網(wǎng)格保持不變，裂縫附近的加密網(wǎng)格隨裂尖位置自動(dòng)調(diào)整。
　　為驗(yàn)證模型可靠性，模擬了徑向裂縫的擴(kuò)展過(guò)程。當(dāng)計(jì)算區(qū)域足夠大時(shí)，模擬結(jié)果與無(wú)窮大空間中的理論解相符，驗(yàn)證了模型可靠性;而當(dāng)裂縫與計(jì)算區(qū)域的尺度相近時(shí)，兩者存在一定偏差。此外，研究了在零應(yīng)力邊界和零位移邊界下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨計(jì)算區(qū)域尺寸的變化關(guān)系。結(jié)果表明當(dāng)計(jì)算區(qū)域足夠大時(shí)，兩種邊界條件對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子基本一致，反之則差別很大。以上事實(shí)說(shuō)明當(dāng)計(jì)算區(qū)域尺度

4、有限時(shí)，無(wú)窮大空間假設(shè)存在一定誤差，正確處理邊界條件非常關(guān)鍵。
　　采用本文模型研究了壓裂施工參數(shù)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響。模擬結(jié)果表明壓裂液輸送管道內(nèi)徑對(duì)壓裂設(shè)備的工作參數(shù)影響顯著，當(dāng)管徑較小時(shí)，沿程摩阻造成的流體壓降和功率損耗占?jí)毫言O(shè)備工作壓力和輸出功率的比例較大;沿程損耗隨管徑增大而減小，但是當(dāng)管徑超過(guò)一定值時(shí)，損耗減少的效果較弱。此外，壓裂液注入量和壓裂設(shè)備輸出功率隨裂縫擴(kuò)展而增加，當(dāng)設(shè)備工作參數(shù)達(dá)到上限時(shí)，裂縫將停止擴(kuò)展。通

5、過(guò)比較三種典型的壓裂設(shè)備性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，在壓裂相同油氣藏時(shí)，不同壓裂設(shè)備限制裂縫擴(kuò)展的參數(shù)可能并不相同。
　　最后研究了物性參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。模擬結(jié)果表明，基質(zhì)滲透率、流固耦合系數(shù)和壓裂液粘度等流場(chǎng)物性參數(shù)主要影響壓裂設(shè)備的工作參數(shù)，而對(duì)裂縫形態(tài)的變化過(guò)程影響較小。要使裂縫擴(kuò)展至相同長(zhǎng)度，基質(zhì)滲透率的增大以及流固耦合系數(shù)、壓裂液粘度的減小都將使壓裂設(shè)備需要提供更大的輸出功率、壓裂液注入量以及更高的工作壓力。此外，巖石彈性模量和泊