水平井壓裂儲層應力場研究進展及趨向

官 兵，陳雙慶

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水平井壓裂儲層應力場研究進展及趨向

官 兵，陳雙慶

（東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

通過全面梳理相關領域的研究成果，厘清了水平井壓裂過程中的主要應力計算模型，明確了擾動應力場的影響因素及其擾動機制，指出了水平井壓裂應力場研究的未來發展方向，為后續水平井壓裂應力場的深入研究提供了一定的參考和指導。

水平井壓裂； 應力場； 計算模型； 影響因素； 擾動機制

十多年前，Maxwell[1]和Fisher[2]指出了裂縫縫網規模與壓裂增產效果呈正相關關系。因而有效利用壓裂應力場形成復雜縫網是提高水平井油氣產能的重要途徑。目前已有學者開展了一些相關研究，但研究內容和側重各不相同。本文旨在通過對國內外水平井壓裂應力場方面的研究成果進行歸納總結，了解水平井壓裂應力場的研究進展，指出研究領域未來的發展方向，為后續水平井壓裂應力場的深入研究提供了參考。

1 水平井壓裂應力場計算模型研究

水平井壓裂應力場是流-固-熱多場共同作用的結果，其中包括原地應力、井筒內壓、壓裂液滲濾、裂縫誘導應力以及熱效應等因素所引起的應力變化。針對這些作用應力的研究早已取得了一定的成果[3-5]，目前均已推導出了成熟并且廣泛應用的計算模型。視儲層巖石為多孔彈性介質，歸納水平井壓裂后的應力場可分為近井筒應力集中效應、裂縫誘導應力場以及其他附加應力三個部分進行分析。

1.1 近井筒集中應力場計算模型

1.2 壓裂裂縫誘導應力計算模型

圖1 多裂縫誘導應力場分布示意圖

2 水平井壓裂應力場影響因素研究

水平井壓裂過程受控于多種因素的共同影響，通過總結國內外學者[6-9]多年來的研究成果可以將其劃分為三類：地層參數、裂縫參數以及施工參數。

2.1 地層參數

地層本身的礦物組成與內部結構特征是影響地下儲層應力分布的基本因素，其對應力場擾動的具體影響特征可利用地層參數來表征，其中包括巖石的彈性模量、泊松比、原始水平主應力差以及天然裂縫、節理的分布等。

表1 地層參數應力擾動機制

注：其中以一條壓裂人工裂縫的裂縫中心為參照原點。

2.2 裂縫參數

水平井壓裂裂縫本身會產生應力影效應，應力影效應與原地應力場疊加，使水平井周圍的應力場受到擾動，不同的裂縫參數所產生的擾動機制不同，其中包括裂縫凈壓力、裂縫長度、裂縫間距、裂縫條數以及裂縫形狀等。此外裂縫走向與水平井筒間的夾角也是壓裂應力場的擾動因素之一。

表2 裂縫參數應力擾動機制

注：其中以一條壓裂人工裂縫的裂縫中心為參照原點。

2.3 施工參數

水平井壓裂施工過程中，不同的壓裂液類型及用量、支撐劑類型及濃度和泵的排量等施工參數會不同程度地影響井筒內液柱壓力以及其向儲層的滲濾情況，從而改變井筒內壓和壓裂液濾失所產生的附加應力。但是這些因素都是地面可控條件，通過室內試驗和現場應用均已確定較優的控制范圍。

目前水平井壓裂應力場的研究重點仍然集中在儲層巖石力學參數的測量計算以及井筒裂縫參數的優化配置方面。

3 水平井壓裂應力場研究發展方向

水平井壓裂應力場研究已經取得了眾多研究成果，但仍可以在以下幾方面進行理論創新。

（1）現有應力場計算模型對于近井周圍應力場計算和裂縫誘導應力場計算的研究已經較為完善，但都是基于假設理想情況而言，在考慮多物理場間耦合作用的前提下，建立更加接近真實儲層應力場的有效計算模型仍是未來的研究方向之一。

（2）地下儲層應力分布受擾因素眾多，而儲層本身的多尺度構造影響效果更是顯著，巖石內部的微觀缺陷、節理、裂隙以及天然裂縫的描述表征對于還原真實儲層環境，分析應力擾動變化規律具有重要意義。

（3）地下環境復雜，壓裂裂縫形成的特征形態受控于多種復合作用，弄清各因素影響下的裂縫擴展規律對于研究水平井壓裂增產改造至關重要。

［1］S.C.Maxwell, T.J.Urbancic, N.Steinsberger, et al. Microseismic imaging of hydraulic fracture complexity in the Barnett shale[C]. SPE77440, 2002.

［2］M.K.Fisher, J.R.Heinze, C.D.Harris, et al. Optimizing horizontal completion techniques in the Barnett shale using microseismic fracture mapping[C]. SPE90051, 2004.

［3］陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學基礎［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［4］劉雨. 多級壓裂誘導應力對天然裂縫開啟影響研究[D].東北石油大學，2014.

［5］李士斌，官兵，張立剛，等. 水平井壓裂裂縫局部應力場擾動規律[J]. 油氣地質與采收率，2016,23(6):112-119.

［6］E.Siebrits, J.L.Elbel, E.Detournay, et al. Parameters affecting azimuth and length of a secondary fracture during a refracture treatment[C]. SPE48928, 1998.

［7］尹建, 郭建春, 曾凡輝. 水平井分段壓裂射孔間距優化方法[J]. 石油鉆探技術, 2012, 40(5): 67-71.

［8］郭天魁，張士斌，劉衛來，等. 頁巖儲層射孔水平井分段壓裂的起裂壓力[J]. 天然氣工業，2013,33(12):87-93.

［9］李士斌，官兵，張立剛，等. 水平井裂縫誘導應力場影響因素分析[J]. 中國煤炭地質，2016,28(5):24-28．

Research Progress and Tendency of Horizontal WellFracturing Reservoir Stress Field

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（College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

Through combing the comprehensive research achievements in related fields, the main stress calculation model of horizontal well fracturing process was introduced, the disturbance mechanism of the influence factors to the stress field is clarified, and the future development direction of the fracture stress field was pointed out, which could provide some reference and guidance for the further study of horizontal wellfracturing reservoir stress field.

horizontal well fracturing; stress field; calculation model; influence factors; disturbance mechanism

TE 357

A

1004-0935（2017）03-0275-03

國家自然科學基金項目資助（51504067），東北石油大學研究生創新科研項目資助（YJSCX2015-017NEPU）。

2017-02-16

官兵（1990-），女，在讀博士，黑龍江省哈爾濱市人，研究方向：從事非常規壓裂裂縫應力場數值模擬分析的研究工作。