大慶油田致密油水平井縫間距優(yōu)化研究

楊勇 段彥清

（大慶油田井下作業(yè)分公司工程地質技術大隊，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

近幾年，隨著常規(guī)儲層可采儲量的減少，利用水平井分段分簇壓裂開發(fā)致密油儲層接替常規(guī)儲層產量越來越重要，簇間距設計大小對于提高壓裂改造效率和降低儲層動用成本起著至關重要的作用。常規(guī)直井壓裂主要是對稱雙翼裂縫擴展，而水平井分段多簇壓裂主要是幾條裂縫產生的應力作用。胡文瑞［1］通過有限差分法對多裂縫產生的應力作用進行了研究；徐加祥等［2］采用位移不連續(xù)法對分段多簇壓裂伴隨的裂縫應力作用、壓裂的初始壓力和產生的縫寬進行探索，并找到了解決的方法；王發(fā)現(xiàn)［3］根據(jù)彈性力學的原理，開展了裂縫間產生的應力進行模型建立分析，對水平井分段壓裂的影響因素進行分析，主要是分析裂縫間應力作用的原因，因此，對裂縫間應力干擾機理進行了相關研究；王昕等［4］采用有限元分析方法，通過對水平井水力壓裂產生的裂縫延展規(guī)律進行建模分析，找到了解決縫間距優(yōu)化的方法。

然而上述研究主要存在2 個有待解決的問題：①針對裂縫延伸的模擬都是通過預置裂縫走向及位置，無法準確描述應力干擾下的裂縫形態(tài)；②對于縫間天然裂縫或弱結構面在應力干擾下的形態(tài)研究較少。本研究利用abaqus 軟件以及python 二次開發(fā)，對比分析了不同縫間距條件下的裂縫形態(tài)，對水平井縫間距的優(yōu)化具有一定的參考價值。

1 模擬壓裂的原理分析

1.1 儲層有效應力機理

Terzaghi 最先提出的有效應力，是指多孔介質骨架承受的應力，即為有效應力［5］，當多孔介質處于完全飽和狀態(tài)時，巖石骨架產生的有效應力σ*加上孔隙內流體壓力pw等于上覆巖層重力產生的垂向地應力σ［6］。由于多孔介質骨架應力會受孔隙流體壓力變化的影響而改變，從而導致滲透率及孔隙度發(fā)生改變，由此引起孔隙內流體流動，使得孔隙內壓力重新分布，所以，通常將有效應力原理用于儲層滲流流固耦合相互作用的橋梁。具體機理見圖1。

圖1 有效應力概念圖

如圖1 所示，總應力σ即儲層巖石中的一點所承受的應力，主要由巖石孔隙中潤濕流體的壓力pw［7］、非濕潤流體的平均壓應力pa和有效應力σ*組成，表達式如式（1）。

式中：I為單位矩陣；χ為一個受飽和度影響的因子，當χ為1.0 時巖石完全飽和，當χ小于1 時巖石處于非飽和狀態(tài)。

1.2 儲層的流固耦合原理

傳統(tǒng)的流固耦合模擬中，孔隙度和滲透率是保持不變的，而在實際的滲流過程中，由于孔隙流體壓力的變化，一方面要引起多孔介質骨架有效應力變化，由此導致滲透率、孔隙度等參數(shù)的變化，另一方面，這些變化又反作用于孔隙流體的流動和壓力分布，見圖2。因此，需要考慮孔隙流體在多孔介質中的流動規(guī)律及其對儲層本身的變形或者強度造成的影響。

圖2 儲層流固耦合的作用關系

1.3 孔壓黏聚單元損傷機理

二維孔壓黏聚單元如圖3 所示，其在四邊形單元的短邊中點處插入孔隙壓力節(jié)點A 和B，該類型節(jié)點只有孔壓自由度，不具有位移應變的自由度，目前已廣泛應用于水力壓裂?？讐吼ぞ蹎卧駨拿娣蛛x準則，其損傷模式以其承受的應力或應變作為損傷判斷準則。當黏聚單元法相面應力小于tn時，應力與位移成正比，當應力達到tn時，黏聚單元出現(xiàn)損傷，其所能承受的應力隨位移的增大而逐漸減小，當位移達到dn時，其強度降為零，即認為黏聚單元發(fā)生損傷。

圖3 二維孔壓黏聚單元

從圖3 和圖4 機理圖可以看出，切向方向相同，其受到的損傷模式一樣。當法向損傷位移達到時，其遠大于上下表面所能承受的法向應力，隨著法向位移增大，上下表面所能承受的法向應力也增大，黏聚單元呈彈性變化；當應力達到時，黏聚單元出現(xiàn)損傷，上下表面所能承受的法向應力隨位移的增大而逐漸減小，隨著位移的繼續(xù)增大，達到應力最大破壞位移時，上下表面之間的拉應力消失，抗拉強度為0，黏聚單元會出現(xiàn)損傷，完全失效。

圖4 黏聚單元損傷的應力—位移準則

2 數(shù)值模擬條件及結果對比分析

基于流固耦合理論以及損傷力學機理建立了二維儲層平面幾何模型，批量插入孔壓黏聚單元，利用二次開發(fā)Dflow 子程序獲取每一個計算增量步結束時射孔處的壓力，并以此為依據(jù)，施加下一個增量步開始時射孔處的壓裂液排量。儲層物性參數(shù)見表1。

表1 儲層物性參數(shù)

2.1 單一裂縫的應力作用研究

圖5 為單一裂縫延展最小主應力大小及方向變化。從圖5 中可以看出，裂縫主要是受最大水平主應力作用，與最大水平主應力延展方向一致。但是當裂縫受到液體壓力干擾時，水平主應力都有所增大，在裂縫兩側最小水平主應力方向發(fā)生反轉，對裂縫末端水平主應力沒有干擾作用，使得裂縫延展端的方向不變。

圖5 最小主應力大小及方向

2.2 兩條裂縫的應力干擾分析

為了研究2 條裂縫同時起裂的情況，模擬縫間隔為20 m 的2 條射孔段作為起始裂縫，圖6 為兩條對稱裂縫在應力作用下同時起裂的裂縫形態(tài)。從圖6 中可以看出，兩條裂縫之間有干擾作用，呈排斥性向裂縫外側移動，且在裂縫兩側最小水平主應力方向呈弧狀發(fā)生反轉，當裂縫延伸方向垂直于弧形切線方向時，在水平主應力干擾下裂縫末端延伸方向會發(fā)生改變。

圖6 兩條對稱裂縫同時起裂的裂縫形態(tài)

3 結論

①經過模擬壓裂的原理分析得到，裂縫走向及位置是在應力作用下產生的裂縫形態(tài)變化，在有效應力作用下，裂縫以縫長的1/2 為短半軸、縫長的3/2 為長半軸呈橢圓形發(fā)生偏轉，裂縫延伸方向的改變主要由原始地應力和誘導應力的雙重作用或轉向造成的。

②兩條對稱裂縫在應力作用下同時起裂時，2條裂縫間距對裂縫的延伸方向會產生影響，2 條裂縫呈排斥性向裂縫外側移動，且在裂縫兩側最小水平主應力方向呈弧狀發(fā)生反轉，且裂縫偏轉角度隨著裂縫間距的縮小而增大，裂縫延伸的尖端也會受裂縫間應力作用而發(fā)生改變。