低渗透油气田重复压裂诱导应力场模拟研究-.pdf

2 01 0正 第4 卷 第 l 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4． N O． 1 F e b ．2 0 1 0 文章编号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 1 0 0 3 0 0 3 低渗透油气 田重复压裂诱导应 力场模拟研究 何青琴 杨永全 何世明 刘永存 米庆 钟雨师 郭宏 1 ． 中国石油辽河油田公司，辽宁盘锦 1 2 4 0 1 0 ；2 ． 中国石油塔里木油田公司，新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 ； 3 ． 西南石油大学 ，四川 成都6 1 0 5 0 0 ；4 ． 中国石油渤海钻探第三钻井分公司，天津3 0 0 2 8 0 ； 5 ． 中国石油西南油气田公司，四J l I 成都6 1 0 0 5 1 ；6 ． 四J l I 首汇房地产开发有限公司，四川 成都6 1 0 0 5 1 摘要 重复压裂井中新裂缝重定向的主要影响因素有人工裂缝、孔隙压力变化、地层温度变化。应用弹性 力学、孔隙弹性理论以及热弹性理论建立三者相应的诱导应力场数学模型，并用A NS YS 软件进行诱导应力的计 算。结果表明诱导应力在最大水平主应力方向和最小水平主应力方向的改变量不同，在最大水平主应力方向上 应力 变化值 高于最小水平主应力方向上的变化值 ；如 果诱 导应力差大于初 始水平应力差 ，则初 始最 大水平应力方 向将变为 目前 最小水平应力方向 ，重复压裂新裂缝将垂直于初始 裂缝 方向起裂 。 关键词 低渗透油气田重复压裂起裂应力场AN S Y S计算 中图分类号 T E 3 5 7 ． 1 1 文献标识码 A O 引言 重复压裂技术是低渗透油气 田开发 中后期稳产 增产的重要措施。重复压裂井中的应力场分布决定 了新裂缝 的启裂和延伸 。新裂缝的重新定 向受 多种 因素影响 n 。但无论是应力重新定向还是剪切应力 变化所引起 的岩石剪切破裂 ，裂缝沿剪切面延伸重 新定 向最基本 的控制 因素总是原地应力场 的变化 ， 影响重新定 向的因素主要有人工裂缝 、孑 L 隙压力变 化 、地层温度变化 。笔者拟应用弹性力学 、孔隙弹 性理论 以及热弹性理论建立相应的诱导应力 场数学 模型，并用A N S Y S 软件进行求解。 1 重复压 裂诱导应力场模型的建立 重复压裂前井筒及裂缝附近 的诱导应力场主要 是初次人工裂缝诱导的应力场 、孔 隙压力变化诱导 的应力场 、温度变化诱导的应力场 。 1 ． 1 初次人工裂缝诱导的应力场 假设地层均质各向同性 ，且岩石为线弹性介 质 ，裂缝 为垂直裂缝 。把储层简化为一个无 限大平 板 ，平板中央有一直线状裂纹 可以看作短半轴一0 的椭 圆情形 ，长轴为 2 a ，裂纹穿透板厚 ，作用于 裂纹面上的张力为 ，见 图 1 。 根据弹性力学理论 ，建立如下方程 1 平衡微分方程 舞 8 y 一 ／／ ／ 1 手 一 2 几何方 禾 旱 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 8 修订 日期 2 0 1 0 - 0 1 1 8 小艾受刊 l 家『 『 然科 ’ 项 编 5 0 6 0 4 0 2 2 的资肋 作者简介 f i ,i I 母 1 9 6 7 一 ，女 ． 1 ． 帅，从‘ r 技术研究 j 僻 l - fl IT I H i l I h i l c I 【 1 一 i , a ⋯ ” 30 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 9 期 天然气技术 钻井工程 s 0 2 a O u 3 物理方程 f e 一 [ 一 ] { e 一 一 ] I y 一 r 式中 、O r“ 分别为 、y 方向的应力，M P a ； 为平 面上 的剪切应力 ，MP a ；／ Z 为 方 向的位移 ； 为 y 方 向的位移；s 、 分别为 、 方向的应变； 为x y 平 面上 的剪 切应 变 ； 为泊 松 比 ；E为 弹性模 量 ， MPa。 此模 型 的边 界条件是裂缝 面上没 有剪切应力 ， 缝面上应力为p ，且无穷远处应力为零。 1 ． 2 孔隙压力变化诱导的应力场 由于生产或注水使地层孔 隙压力发生变化 ，导 致岩石 骨架应力改变 ，使岩石发生变形 ，最终在地 层 中产生 了诱导应力场。 根据Wr i g h t 的多孔弹性模型，建立如下方程 p 4 l一 l 一 式 中 是构造 、储层几何形态等引起的附加应 力 ，MP a ； 为地层水平应力 ，MP a ； 为地层上覆 压力 ，MP a ； 为有效应力系数 B i o t 系数 ；P p 为孔 隙压力 ，MP a 。 不考虑构造 、储层几何形态等影响，对上式进 行求导得到 d o “ d p 5 1一 孔隙压力的变化 已知 ，诱导应力也就可以得出。 上接第2 3 页 层的产气量严格受砂体厚度控制 ，产 量大于 1 1 0 m ／d的井大都分布于砂体厚度 明显增 大 一般大于 2 0 m 的部位 。沉积微相展布特征研究 说明，湖退时期辫状河三角洲发育的水下分流河道 和河 口坝砂体，为天然气的聚集提供了大量高质量 的储集层 ，使得天然气能够在其中聚集成藏。因此 对沉积微相的精细描述与把握将是下一步寻找高产 气井的关键所在。 5 0 l 00 1 5 0 2 0 0 2 5 0 30 0 储 能系 数 图4 蓬莱镇组产量与储能系数相关性图 4 结论 蓬莱镇组储层发育的主要沉积微相 为水下分流 河道和河 口砂坝。其沉积过程 中经历了5 次湖平面的 升降变化，与之伴随的是辫状河三角洲与曲流河三 角洲的交替演化。总体上蓬莱镇组以湖退进积沉积 为主。蓬莱镇组沉积微相的展布及其变化主要受控 于湖平 面的升 降变化 ，J ， 、J 和 为蓬莱镇组 砂体最为发育的3 个小层。辫状河三角洲发育的水下 分流河道和河 口砂坝为储集层 的形成提供 了良好的 条件 ，而其中砂体的储能系数是控制高产天然气井 分布的重要因素。 参考文献 [ 1 ]陈昭国． 四川盆地洛带气 田蓬莱镇组储层沉积特征研究 [ J ] ． 成都理工大学学报 ，2 0 0 7 ，3 4 4 4 0 7 4 1 2 ． [ 2 ]邓康龄，王信． 四川盆地西部侏罗纪沉积相及油气分布 [ J ] ． 沉积与特提斯地质 ，2 0 0 4 ，2 4 3 9 0 9 3 ． [ 3 ]丘东洲，付清平． 川西坳陷南区侏罗系层序地层与油气 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 0 ，2 0 4 5 - 1 0 ． [ 4 ]钱奕 中，陈洪德，刘文均． 层序地层学理论和研究方法 [ M] ． 成都 四川科学技术出版杜，2 0 0 7 ． [ 5 ]孙崇云． 四川盆地洛带气田上侏罗统蓬莱镇组储层预测与 评价[ D] ． 成都 成都理工大学，2 0 0 7 ． [ 6 ]何鲤，柳梅青． 川西及邻区蓬莱镇组沉积层序特征及有利 储集相带预测[ J ] ． 石油实验地质． 1 9 9 9 ，2 1 2 1 2 3 1 2 4 ． [ 7 ]袁海锋，徐国盛． 川西洛带气田遂宁组沉积相及与储集物 性关系[ J ] ． 成都理工大学学报． 2 0 0 8 ，3 5 1 1 5 2 1 ． 编辑 周娟 天然气技术 ／ 31 6 2 8 4 0 ． g 。 ＼ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 何青琴，等低渗透油气田重复压裂诱导应力场模拟研究 第1 期 1 ． 3 温度变化诱导的应力场 降得快。 注入到地层中冷 的液体与储层岩石之间存在温 度差发生热交换 ，导致地层温度下降 ，引起岩石收 缩 ，产生了热弹性应力 。 假设储层均质各向同性，且是线弹性和热弹性 变形 的多孔介质 ，储层处 于平面应变状态 ，储层 中 无其他热源。 根据热弹性理论 ，可得 f e 一 [ 一 ] 1 ，D ；t T I 一 L 一 j 十十 { e 一 一 ] 1 T ’ l v 一 l “ E 一 式中A 为弹性体的线性热膨胀系数 ，℃ ；T 为温 度变化量 ， 。边界条件是裂缝 内压力一定 ，且 以 恒定排量注入，远处孔隙压力等于原始孔隙压力。 2 应用A N S Y S 软件计算诱导应力 设地层参数 渗透率为 l O Ix m ，弹 馍量为 1 1 9 0 0 MP a ，泊松 比为 0 ． 2 ，地层孔隙压力为 1 8 MP a ，热膨 胀系数为 5 1 0 ℃～ ，导热系数为 2 ． 4 2 2 W／ 1T I o C ， 岩石 比热为 0 ． 9 2 1 k J ／ k g ℃ ，岩石 密度 为 2 6 5 0 ／IT I ，油藏温度为 6 5 。 模型基本参数为 4 0 0 0 mm4 0 0 0 mm平板 ， 裂缝宽度为 1 m m，半长轴为 4 0 0 m m，井筒半径为 8 9 mm 。 2 ． 1 初次人工裂缝诱导应力计算 缝内压力为 P 5 1 0 ．4 2 ／ 0 ．4 。其中， 为图 1 中的横坐标值 ，m m。 由计算结果 可知 ，最小水平主应力方向的诱导 应力 比最大水平主应力方 向的诱导应力大 ，如果诱 导应力足够大 ，克服了原始水平 主应力差 ，那么应 力将发生转向，有可能产生转向裂缝。 2 ． 2 孔隙压力变化诱导应力计算 设压裂液密度为 1 0 0 3 k g ／1T I ，黏度为 0 ． 5 P a ． s ’ 注入速度为0 ．0 5 m ／ S ，注入压力为2 0 M P a 。计算结 果为诱导应力主要是张性应力 ，最大水平 主应力方 向的诱导应力比最小水平主应力方向的诱导应力下 32 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 2 - 3 温度变化诱导应力计算 设压 裂液导热 系数 为 0 ． 8 w ／ 1 T I o C ，比热 为 2 ． 0 4 3 k J ／ k g ℃ ，对流系数为3 0 0 0 W／I T I 。结果 为诱导应力主要是张性应力，由岩石收缩所致。但 在井筒及裂缝周 围，最小水平主应力方 向主要是压 应力 ，而最大水平主应力方向是张应力。 综合 3 个因素得到的结果可知 ，诱导应力在最大 水平主应力方 向和最小水平主应力方 向的改变量不 同 ，在最大水平主应力方 向上应力变化的值高于最 小水平主应力方 向上 的变化值 。如果诱导应力差大 于初始水平应力差，则初始最大水平应力方向将变 为 目前最小水平应力方 向，那么重复压裂新裂缝将 垂直于初始裂缝方向起裂。 3 结论 1 重复压裂裂缝的起裂受地应力状态控制 ，根 据重复压裂前应力 的分布状态 ，可以预测重复压裂 的最佳时机和起裂方位 。 2 垂直裂缝井 中初次人工裂缝 的存在改变了井 筒周 围的应力分布 ，在最大水平主应力方 向和最小 水平主应力方向产生的诱导应力不同；由于液体注 入 到地层 中改变 了地层孔隙压力而产生诱导应力 ， 改变了井周围的应力场分布；冷的液体注入热的地 层 中，两者存在温度差 而发生热交换 ，导致地层温 度下降 ，岩石收缩产生了热弹性应力 ，改变了井周 围的应力分布 。 3 如果初始水平应力差不是很大，各种因素导 致的诱导应力差克服了初始应力差 ，那么应力将发 生转 向，产生一条不 同于初次裂缝方 向的新裂缝。 参考文献 [ 1 ]张丁涌 ，赵金洲，赵磊 ，等．重复压裂造缝的应力场分 析[ J】 _ 油气地质与采收率 ，2 0 0 4 ，1 1 4 5 8 5 9 ． [ 2 ]刘洪 ，胡永全，赵金洲 ，等．重复压裂气井三维诱导应 力场数学模型[ J ] _ 石油钻采工艺，2 0 0 4 ，2 6 2 5 7 6 1 ． 编辑蒋龙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m