小井距压裂防窜机理研究与应用.pdf
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1、断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCKOIL&GASFIELDdoi:10.6056/dkyqt2023040102023年7 月小井距压裂防窜机理研究与应用罗志锋1.2,李建斌1.2,张楠林3,任登峰4,彭芬4,刘豇瑜4(1.西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都6 10 5 0 0;2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都6 10 5 0 0;3.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州3 10 0 3 0;4.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院,新疆库尔勒8 4 10 0 0)摘要塔里木盆地克深气田井距小,压裂易窜,造成裂缝相互干扰,严重影响压裂效果,然而
2、邻井压窜机理尚不明确。基于扩展有限元数值方法,研究了储层原地应力场及有效最大、最小水平主应力(SH,Sh)大小、方向的变化范围,分析了子并人工裂缝在扰动应力场中的延伸机理及压窜机理,并据此提出了小井距防窜压裂工艺。结果表明:母井压裂过程中,储层SH,Sh的方向均发生变化,SH,Sh值均减小,且Su值减小幅度更大;母井生产过程中,储层SH,S方向的变化范围减小,SH,Sh值变化幅度小;半缝长与压裂液规模呈正相关关系,与压裂液黏度呈负相关关系;储层动用面积与半缝长呈正相关关系。基于该结果,进行了B井现场施工,改造后日产气5 3.6 4 x104m,约是改造前的3.7 7 倍,压裂施工增产效果显著。
3、该研究对于致密砂岩气藏的压窜机理研究、防窜工艺参数优化设计具有一定意义。关键词超高压气藏;小井距;裂缝干扰;应力场中图分类号:TE32+3Research and application of anti-channeling mechanism in small well spacing fracturing(1.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.State Key Laboratory of Oil&GasReservoir Geology and Exploi
4、tation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;3.College of Civil Engineering andArchitecture,Zhejiang University,Hangzhou 310030,China;4.Research Institute of Oil and Gas Engineering,Tarim OilfieldAbstract:The Keshen gas field in Tarim Basin is characterized by small well spacing and ea
5、sy fracturing pressure channeling,which results in the mutual interference of fractures and affects the fracturing effect seriously,but the mechanism of fracturingpressure channeling is not clear yet.Based on the extended finite element numerical simulation method,the variation range ofmagnitude and
6、 direction of the in-situ stress field and the effective maximum and minimum principal stress in the reservoir arestudied,and the mechanism of extension and channeling of the artificial fracture in mother well is analyzed in the disturbing stressfield.Based on this,the fracturing technology of anti-
7、channeling in small well spacing is put forward.The results show that the sizeand direction of the effective maximum and minimum principal stress in the reservoir change during the fracturing process of theparent well,and the effective maximum principal stress decreases more greatly.The variation ra
8、nge of ffective maximum andminimum principal stress in reservoir decreases during the production process of the mother well,and the variation range of effectivestress in two directions is small.Half fracture length is positively correlated with liquid dosage,half fracture length is negativelycorrela
9、ted with fracturing fluid viscosity,and reservoir producing area is positively correlated with half fracture length.Based on theresults,the field operation of well B was guided.After fracturing,the daily gas production rate was 536,400 m with 3.77 times of thatbefore fracturing.The stimulation effec
10、t was significant.This research has potential significance for the study of anti-channelingmechanism and the optimization design of anti-channeling process parameters in tight sandstone gas reservoirs.Key works:ultra-high pressure gas reservoir,small well spacing;fracture interference;stress field0引
11、言塔里木盆地克深气藏埋藏深度超过5 5 0 0 m,天然裂缝发育,裂缝密度为0.5 条/m左右,是高压、低孔、低渗的裂缝性致密砂岩气藏 1-2 ,油气资源丰富 3-4 ,但引用格式:罗志锋,李建斌,张楠林,等.小井距压裂防窜机理研究与应用 J.断块油气田,2 0 2 3 3 0(4):5 9 3-6 0 0.LUO Zhifeng,LI Jianbin,ZHANG Nanlin,et al.Research and application of anti-channeling mechanism in small well spacing fracturing JJ.Fault-Block O
12、il&GasField,2023,30(4):593-600.文献标志码:ALUO Zhifeng,LI Jianbin2,ZHANG Nanlin,REN Dengfeng,PENG Fen,LIU Jiangyu+Company,PetroChina,Korla 841000,China)收稿日期:2 0 2 3-0 1-10;改回日期:2 0 2 3-0 4-2 4。第一作者:罗志锋,男,19 8 0 年生,教授,2 0 11年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业,主要从事油气田增产改造理论与技术研究。E-mail:。594自产低,往往需要通过改造来获得工业油气流 5 。压裂技术是实现其
13、高效开发的重要措施 6-7 。随着砂岩气井数量不断增加,井距不断缩小。当井距小于2 0 0 m时,井间出现人工裂缝引起的应力干扰。母井压裂改造产生的诱导应力及长期生产导致的地层亏空,会引发原地应力发生动态变化,形成复杂诱导应力场 8-。在复杂的应力场下,子井改造形成了不受控制的水力裂缝,影响子井的储层改造效果 12 。虽然应力干扰是子井裂缝压窜母井裂缝的根源,但对于不同地质、工程因素对压窜的作用机理尚不明确。关于小井距改造井井间干扰的研究,林彦兵等 13 根据红河油田地质特征研究了压窜机理,发现线性流渗流速度是径向流的7 8 倍,储层渗透率、注人压差及井距是井间沟通的主要因素。Bunger等
14、14 对密集水力裂缝间的相互作用进行实验分析,证实了当最小水平主应力为0 时,后延伸的人工裂缝将向先延伸的人工裂缝弯曲,并且当最小水平主应力足够大时,弯曲被抑制。Zhang等 15 采用实验模拟的方法对人工裂缝受应力干扰的影响进行研究,发现人工裂缝的延伸受应力干扰作用明显,并且人工裂缝中的高流体压力可能导致人工裂缝以大角度偏转。Castonguay等 16 对多个相互作用的水力裂缝进行模拟研究,结果表明,受多裂缝缝间相互作用的影响,人工裂缝的延伸形态会发生偏转,导致裂缝生长在一起或分开。目前,对人工裂缝延伸受扰动应力场影响的研究很多,但考虑生产过程中扰动应力场的二次变化,并针对人工裂缝在二次变
15、化后的扰动应力场中延伸分析的研究很少。由于人工裂缝的延伸受扰动应力场的影响,防窜压裂技术对小井距油气井的高效开发至关重要。针对川南地区页岩气水平井的井间干扰,周小金等 17 通过建立同平台压裂生产同步作业压力传导模型,厘清了天然裂缝、水力裂缝形态等参数对井间干扰的影响,并提出了降低改造强度、多簇射孔、暂堵转向等压裂防窜工艺。何乐等 18 以母井产量恢复速度为评价指标,对页岩气井间压窜影响因素进行研究,提出了限流压裂、暂堵转向控制多簇裂缝均匀扩展等有效防窜对策。曾凌翔 19 针对多平台页岩气水平井发生井间干扰现象,提出了多裂缝控制缝长、转向控制缝长的防窜压裂技术,并在现场取得一定应用效果。Pat
16、el等 2 0 针对EagleFord页岩开发中井间干扰产生负面影响的问题,提出了一种改进型拉链式协同压裂方法,现场实践表明,从长远来看,这种防窜压裂技术将减少井间干扰。上述小井距井间防窜压裂技术主要在页岩储层中开展 2 1-2 ,而针对超高压深层致密砂岩气藏,其适用性尚未可知。针对断块油气田史10 3 断块的高压低渗透油藏,姚凯等 2 3 提出了小井距整体压裂技术,并成功进行了现场试验,结果表明,整体压裂技术提高了压裂效果,可提高整个区块的开发效果和最终采收率。为探索玛湖地区致密油藏多层系立体井网整体压裂效果,陈禹欣等 2 4 开展了地应力参数三维空间展布特征研究,确定了小井距水平井立体井网
17、开发整体压裂优化参数,研究表明,采用立体网模式开发,优化簇间距离、单簇裂缝规模,采用拉链式交叉布缝的方式,能够显著提高储层改造效果。现有的防窜压裂技术主要在新井间开展,同时考虑老井生产及两井同时生产效果的防窜压裂工艺研究还很少。国内外已开展一定的井间干扰研究,但对于不同地质、工程因素对压窜的作用机理缺乏认识,无法针对性地提出防窜压裂工艺及参数。为此,本文模拟了子井人工裂缝在母井压裂、生产干扰下的延伸情况,对两井同时生产的情况进行了分析,明确了不同地质、工程因素对压窜的作用机理,据此提出了适用于超高压深层致密砂岩气藏的小井距防窜压裂工艺,并在现场成功应用。1扩展有限元模型1.1数学模型基于Aba
18、qus的扩展有限元方法,模拟水力裂缝在压裂施工中的延伸过程。采用独立于网格剖分的思想处理水力裂缝动态扩展问题,以实现水力裂缝在储层中沿着任意路径扩展。目的区块天然裂缝发育,更适合采用扩展有限元方法。1.1.1岩石应力平衡方程扩展有限元方法可以有效模拟水力压裂裂缝扩展的渗流-应力耦合问题,其岩石应力平衡方程 2 5 为J,(o,-p,1):sdV=,t0edS+Jf0edv式中:,为有效应力,MPa;P,为孔隙流体压力,MPa;I为二阶单位矩阵8 8 为虚应变率,m;V为弹性体的体积,m;S为力在弹性体上的作用面积,m;t为单位面积的表面外力,N;f为岩体骨架的体积力,N。1.1.2岩体内连续性
19、流动方程通过对每个节点施加孔隙流体压力模拟压裂液的流动,多孔介质内连续性流动方程的弱形式为d(J,p.b.dv)+J,p.s.ng.ds=o式中:t为时间,s;pw为流体密度,kg/m;w为基质孔隙度;n为计算域的外法向方向;为流体在基质中的平均流量,m/s。2023年7 月(1)(2)第3 0 卷第4 期式(2)中压裂液的流动还满足达西方程:qw=1k(Vpw-Pwg)nwgPwKpwg其中式中:k为渗透系数,m/s;K为渗透率,m;为流体黏度,Pas;n为流体体积与总体积的比率;Vpw为压裂液流动方向的压力梯度,Pa/m;g 为重力加速度,m/s?。1.1.3插值函数扩展有限元方法的插值由
20、标准有限元和基于单元分解的扩充项近似组成,基于扩展有限元的位移插值函数u26为Nu=ZN,()u,+H(x1=1式中:N为所有普通节点的集合;N(x)为对应节点x的标准有限元形函数;u,为常规的节点自由度,即节点位移;H(x)为阶跃增强函数;F。()为渐近裂纹尖端函数;,b,为节点位移扩充自由度,分别代表H(x)对贯穿单元和F()对裂尖单元位移场的扩充;I为节点数;为加强单元的附加自由度。使用最大主应力准则作为判断材料初始损伤的标准 2 7 ,应力函数F表达式为F=0o,max式中:0 m*为三向应力中的最大主应力,MPa;0.mx为最大许用主应力;为Macaulay括号,代表压应力不会引发损
21、伤。当F=1时,岩石发生损伤;当F1时,岩石未发生损伤。考虑法向和切向扩展的结合,采用Benzeggagh-Kenane(BK)混合扩展模式 2 8 ,描述裂缝法向和切向的扩展,其表达式为Geguic=Gic+(Gnc-Gic)(式中:Geuic为临界断裂能量释放率,N/mm;Gic,Gnc分别为法向、第一切向裂缝断裂韧度,N/mm;G1,Gl,Gm分别为法向、第一切向、第二切向裂缝能量释放率,N/mm;n为各向应力在其对应位移上做的功,J。1.2模型验证为了验证基本模型的准确性,使用文献 2 9 中的模型计算值加以验证。建立尺寸为6 0 mx60m的1/2模型,储层弹性模量为3 0 GPa,
22、泊松比为0.2 5,渗透率罗志锋,等.小井距压裂防窜机理研究与应用(3)a+ZF(x)b)(4)=(5)Gm+GunGm+Gn+G1595为1x10m,有效最小水平主应力为2 5 MPa,压裂液黏度为4 0 mPas,滤失系数为1.6 x104m/s,排量为0.05m/s。由图1可知,本模型的数值结果与参考文献的模型计算值有一定的差距,但差距不大,在允许的范围内。因此,本模型可以较为准确地模拟人工裂缝延伸情况。1815126304080120160压裂液注人时间/sa缝长图1模型数值结果Fig.1Numerical simulation results2压窜机理分析通过实例计算,分析了不同地质
23、、工程因素对压窜的作用机理。A井为母井,2 0 0 0 年对A井进行压裂改造,随后投产。B井为待改造子井,与A井井底距离200m。为模拟5 0 0 mx500m储层范围内裂缝延伸情况,建立水力压裂裂缝延伸的扩展有限元二维模型(见图2,其中S为有效最大水平主应力,S.为有效最小水平主应力)。为便于计算,等比例建立尺寸为5 0 mx50m的模型,主要假设条件为:1)基质岩体为各向同性、均质的线弹性介质;2)裂缝内的流体是不可压缩流体;3)天然裂缝在压裂过程中不发生扩展。根据B井储层参数设置模型参数(见表1)。整个模拟过程共设计8 个分析步,分别模拟地层应力平衡、A井压裂、A井泄压、A井生产、A井关
24、井、B井压裂、B井泄压、两井同时生产。(6)天然裂缝A井200mC点图2 物理模型示意Fig.2Schematic diagram of the physical model43/2文献模型计算值1模型数值结巢7200文献模型计算值一模型数值结果104080120160压裂液注入时间/sb缝宽S200596有效最大水平主应力/MPa有效最小水平主应力/MPa有效垂向应力/MPa渗透率/10 um压裂液黏度/(mPas)2.1应力场分布经过A井的压裂、生产,压裂产生的诱导应力及高压气藏长期生产诱发的储层亏空,均使储层原地应力场的分布发生变化,按照应力叠加原理,形成扰动应力场。B井压裂过程中人工裂
25、缝的延伸形态将受到扰断块油气田表1B井储层参数动应力场的影响。Table 1Reservoir parameter of well B参数数值58孔隙流体压力/MPa28孔隙度%50弹性模量/GPa1泊松比452023年7 月如图3 a(左图为主应力方向,右图为主应力大小,参数数值876.9360.25下同),3 b所示,A井压裂后,由于储层孔隙流体压力变化,A井井筒周围5 0 0 mx488m范围内SH,Sh的方向均发生变化。Sh沿平行于人工裂缝延伸方向偏转,SH沿垂直于人工裂缝延伸方向偏转,越靠近A井人工裂缝,应力方向的偏转角度越大。由于A井人工裂缝周围孔隙流体压力变化,A井人工裂缝周围S
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