页岩压裂裂缝对油气运移影响的模拟研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年9 月第3 3 卷第9 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I S e p ． 2 0 1 1 V o 1 ． 3 3 N o ． 9 1 2 7 页岩压裂裂缝对油气运移影响的模拟研究 卢聪 王 建 夏富 国 雷跃 雨 油气藏地质及 开发 工程国家重点实验室 西南石油 大学 ，四川 成都 6 1 0 5 0 0 中石化胜利油 田分 公司石油开发中心技术 部 ，山东 东营 2 5 7 0 0 0 中石化东北油气分公 司 ，吉林 长春 1 3 0 0 6 2 中石油西南油气 田分公 司蜀南气矿 ，四川 沪州 6 4 6 0 0 0 [ 摘 要] 页岩储层 基质孔隙度小 、渗透率低 ，页岩 油气井 完井后 需要 经过储 层 改造才 能获得 理想 的产 量， 而水 力压裂是页岩油气 藏开 发的核心技术之一 。已有 学者对 页岩沉积过 程 中的水 力延伸裂缝进 行 了模 拟， 模拟 显示，水力传导 系数和抗 张强度 与裂缝 地层 深度成 正 比，而沉积速 率和 页岩厚度 与裂缝 地层深度 成 反 比，同时水力裂缝可 能会在 油层形成 以促 进初 次运 移。尝试用 基本模 型模拟 了页岩埋藏和 压实过 程 中 的水 力压裂裂缝尺寸 ，主要 目的是研 究影 响构造 复杂 区域 裂缝延 伸 的水力传 导系数 与抗 张强度 等 因素， 并 了解水 力裂缝是否在 油层 深度 形成。 [ 关键词 ]初次运 移；水 力压裂 ；裂缝 ；页岩 ；模拟 [ 中图分 类号]T E 3 5 7 [ 文献标识码 ]A [ 文章 编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 1 0 9 0 1 2 7 ～ 0 3 岩石的水力裂缝最初是由 Hu b b e r t 和 Wi l l i s以及其他一些研究人员进行 了研究和总结 。有少数 学者关注到了油气运移在水力裂缝中扮演的角色 。笔者尝试通过理论计算模型来模拟页岩地层原油 生 成 和运 移过 程 中的水力 压裂 裂缝 对 油气 运移 的影 响 。 1 计算模型 首先 对模 型 的基本 条 件进 行假 设 ， 水 平 页岩层 厚度 为 h ， 上 下 为有 一 定 孔 隙度 和 渗 透率 的砂岩 层 。 页 岩被以恒定速率沉积逐步埋藏 ， 但是由于压实以及低渗作用 ， 页岩层通常会发育异常流体压力 。 孔隙流体 从异常压力 区域垂 向地上下流向静压范 围。 控制流体从页岩垂 向流动的微分方程可表示为E C h 一 ㈩ 式 中， C 为水力传导系数 ， m／ a ；S为储集系数 ， F n ～； 为潜在能量 ， J ； D为页岩层埋藏深度 ， m。 求解该方程需要给定可能的值来确定合理的边界条件 。 在 构造 复 杂 区 ， 垂 向 主应力 、 ，可定 义为 v ．一 p b g D 2 有 效垂 向应力 、 ，可 定义 为 v 一O “ V 一 I n p 3 式 中 ， lD 为岩 石 密度 ， g ／ c m。 ； g为重 力 加速度 ， m／ s ； 。为毕 奥 常数 ； 为孔 隙压 力 ， MP a 。 在这种情况下 ， 最小应力为水平方向。 如果没有横向应变存在， 并且忽略温度的影响， 最小水平主应力 一用 有效 垂 向应 力 、 ，可 以表示 为 H 一 v 4 e 一 丁 三 _ 4 [ 收稿 日期]2 0 1 1 0 40 2 [ 作者简介]卢聪 1 9 8 3一 ，男 ，2 0 0 4 年西南石油学院毕业 ，博士 ，讲师 ，现从 事油气增产机理与储层改造技术研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 8 石油天然气学报 江汉石油学 院学报 2 0 l 1 年 9月 式 中 ， 为 泊松 比。 水力裂缝的形成和延伸需要考虑应力强度因子 、 缝长、 缝宽、 缝高、 进出裂缝流体流速 以及温度 、 裂缝 几何尺寸上的抗张强度等因素的影响。 在现 有模 型 的基础 上 ， 需 要 用到 一个 简单 的判 定标 准 。 即满足 下式 时 ， 裂缝扩 展 。 P f H 1一 n P F ， 式 中 ， P 为 裂缝 流体 压力 ， MP a ； F 为抗 张强 度 ， MP a 。 最大 流体 压力 P ⋯ 在 页岩 压实 中心 区域 。 当 P 满足 式 5 时 ， 裂缝 从 孑 L 隙压 力最 大处起 裂 。 裂缝 为垂 直方 向 ， 最小有 效 应 力为水 平方 向 ， 主应力 方 向 为垂直 方 向 。 因此 ， 裂缝 是从 高孔 隙压 力 区域 向低 孔 隙压 力 和低渗透 区域延伸 。 假设流体流进裂缝起裂点的流速足够大 ， 使得 P 保持在 P ⋯ ， 以保证裂缝 向页岩边缘 扩 展 。 2 参数的选择 表 1 列出了模拟程序所需要的参数和相关值 。 部分参数是随着深度和温度变化的， 但为了保持模 的 基本性 ， 在单次模拟中部分参数选取 了恒定值 ， 如 fD 水密度和 P 等随着温度和深度变化 的值对最终 果的影响町以忽略不计 ， 孔隙度 取定值 0 ． 5 。 水力传导系数 c 和储集系数 s都是随着埋藏深度D增』 J 【 I ⋯ 减少 ， 但其比值 C ／ S基本保持不变 。 泊松比 随深度变化， 但 一般引用其平均值 。 抗张强度 F 随温度增』 J 【 I 而降低 ， 一般选取高温下有代表性的页岩抗张强度。 毕奥常数 n为整体和颗粒的压缩 比例 ， 随有效应 减 少 而减少 ，一般取 值 0 ～0 ． 0 5 ，该模 型取 最大值 0 ． 0 5 。 表 1 模 拟 使 用 参 数 表 3 程序计算 通过对式 1 进行数值求解可以模拟流体从页岩层 流进砂岩带的过程。模拟是在不 同边界条件下 分 2个 阶段 进行 的 ，初始 阶段 代表 页 岩本身 的沉 积物 的沉 积 ，主体 阶段 为 沉积 过程 I { 1 页 岩层 的 埋藏 。 每 个阶段 沉 积量 随着 沉积速 率 尺 的增加 见表 1 而增 加 。 穿过页 岩层 的孔 隙 压力 p 。， 存下 一 次迭代 之 前被 相应地做出了修正 ， 通过修正公式计算 出页岩层 的孔隙变量 ， 以确定页岩压实层厚度h 她表 1 的减少。 定最 大埋 藏深 度为 1 0 0 0 0 m， 模 拟流 体流 动时在 这 个 阶段 没 有新 的沉 积 。 只要 满 足式 5 。 水 力 裂 缝就 会 唾 直 上下延伸 。 当水力裂缝延伸到达砂岩边界时 ， 页岩水力传导系数c n 会增加 到随机的较大值0 ． 1 m／ a ； { 式 5 不再 满 足 时 ， 比如抗 张 强 度 为 0时 ， 裂 缝闭合， 水力传导系数恢复到初始值。 一旦流 。 o 0 体 压力 建立起来， 满足 式 5 以 后， 裂缝又会 差 重新开启 。 在第 2次及 以后再开启的裂缝 ， 其 。 抗 张 强 度 将 为0 。 鑫 裘 5 oo 4 模拟结果 凿 模 拟 实 验 显 示 ，当水 力 传 导 系 数 C 取 0 ． 0 0 0 3 m／ a 、 沉 积 速率 R 取 0 ． 2 5 m／ a 、 抗 张 强 度 F 取 1 7 5 1 0 P a时 ， 可 以得 到不 同埋藏 深 7 I I ／ V V f WW v ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第 9 期 卢聪等 页岩压裂裂缝对油 气运 移影响的模拟研究 度下 的页岩 张开 部分 厚度 ， 结果 见 图 1 。 裂 缝大 多数 沿着 页 岩层 中心 向上延 伸 ， 向下 的 裂缝 几乎 很 少形 成 。 F 与 D、 C n 的关 系 曲线 图见 图 2 和 图 3 ， 抗 张强度 与埋 藏深 度 成正 比， 与水力传 导 系数成 反 比， 沉 积速 率越 快 ， 抗张强度值越低。 7 5 0 5 00 受 2 5 0 0 O ● ● ’ T ● 『 ◆ ●◆ ◆ 2 50 50 0 7 50 深度D／ m c 。 想 7 5 0 5 0 0 25 O O R 0 ． I m m ／ a _ 一R O ． 2 5 m m ／ a { ‘ ＼ I L- ●- 0 2 5 0 5 0 0 75 0 1 0 0 0 1 2 50 水力 传导系 数 C h ／ 1 0 一m a 图 2不 同裂 缝深度的抗张强度 图 3不 同沉积速率下抗张强度与水力传导 系数的关 系曲线 在现有模型中， 水力裂缝毕奥常数 a远大于 0 ， 而在实际情况下 ， 随着孑 L 隙度的减少和孑 L 隙压力 的增 加 ， 毕奥常数 a趋近于 0 。 裂缝产生时的水力传导系数 C 是非常低的。 这个结果主要是来 自于近似的最小 水平有效应力和有效垂直应力 ， 即式 4 。 如果假设总水平应力与总垂直应力成一定 比例 ， 那么在相 同的沉 积速率和抗张强度值 ， 甚至毕奥常数 a为 0时 ， 裂缝形成时的水力传导系数 c 都会更大。 5 认识与讨论 由于模 型 比较 简 单 ，结果 仅具 有定 性 意义 ，而 不能定 量计 算水 力 裂缝 的体 积 。但 它 反映水 力 裂缝是 在页岩生油层产生 了，这些裂缝可能会闭合和重新开启数次 ，可能会使流体流出页岩层 ，流进上下的砂 岩层 。这些流体的流动会极大地帮助油气运移。 ． [ 参考文献] [ 1 3 Hu b b e r t M K，Wi l l i s D 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