重复压裂非均匀孔隙压力场对裂缝延伸的影响_黄婷.pdf
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1、第30卷第3期摘要针对低渗透油气田水平井产量递减快的问题,重复压裂技术逐渐成为提高水平井单井产量的主要措施之一。文中对边长30 cm立方体试件开展真三轴重复压裂实验,研究非均匀孔隙压力场对重复压裂裂缝扩展的影响规律。研究表明:老缝长度越长、缝间距越小,新老缝之间的应力干扰越明显,老缝长度增大50%,破裂压力提高14.8%;新老缝间距越小、老缝越长,新缝压裂导致的压力冲击影响越大,新缝越容易沟通老缝;通过数值模拟优化加密缝间距,减弱老缝对新缝扩展的抑制作用,实现水力裂缝有效控制储层体积最大化。该研究揭示了水平井压前补能对新裂缝扩展的影响规律,对水平井重复压裂及压前补能方案设计具有指导意义。关键词
2、水平井重复压裂;孔隙压力场;应力干扰;压前补能中图分类号:TE357.1文献标志码:A收稿日期:2022-09-06;改回日期:2023-03-04。第一作者:黄婷,女,1986年生,工程师,硕士,主要从事老油田重复改造相关工作。E-mail:hting_。通信作者:徐全胜,男,1996年生,硕士,主要从事石油工程岩石力学相关工作。E-mail:。引用格式:黄婷,薛小佳,康博,等.重复压裂非均匀孔隙压力场对裂缝延伸的影响J.断块油气田,2023,30(3):475-479,522.HUANG Ting,XUE Xiaojia,KANG Bo,et al.Influence of non-uni
3、form pore pressure field on fracture propagation during refracturingJ.Fault-BlockOil&Gas Field,2023,30(3):475-479,522.Influence of non-uniform pore pressure field on fracture propagation during refracturingHUANG Ting1,XUE Xiaojia1,KANG Bo1,DONG Qi1,ZHOU Dawei2,XU Quansheng2(1.Oil and Gas Technology
4、Institute,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xian 710018,China;2.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)Abstract:Inviewoftherapidproductiondeclineofhorizontalwellsinlow-permeabilityreservoirs,refracturingtechnologyhasgraduallybecomeoneofthemaintreatmen
5、tstoenhancehorizontalwellproduction.Inthispaper,truetriaxialre-fracturingexperimentsarecarriedout on 30 cm cubic specimens to study the influence law of non-uniform pore pressure field on fracture propagation during refracturing.The results show long old fracture and less interval tend to create sig
6、nificant stress interface between new and old fractures.With theincrease ofoldfracture lengthby50%,the fracture pressure increasesby14.8%.The smaller the distance between new and old fracturesand the longer the old fractures,the greater the pressure impact caused by fracturing of new fractures and t
7、he easier the connectionbetweennewandoldfractures.Numericalsimulationcanoptimizethespacingofrefractures,weakentheinhibitioneffectofoldfracturesonnewfractures,andmaximize the effective controlformation volume ofhydraulic fractures.This study reveals the influence law ofpre-fracturing injection on new
8、 fracture propagation of horizontal wells,which has guiding significance for refracturing and pre-fracturinginjectiondesignofhorizontalwells.Key words:horizontal well refracturing;pore pressure field;stress interference;pre-fracturing injection重复压裂非均匀孔隙压力场对裂缝延伸的影响黄婷1,薛小佳1,康博1,董奇1,周大伟2,徐全胜2(1.中国石油长庆油
9、田分公司油气工艺研究院,陕西 西安710018;2.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249)基金项目:中国石油天然气集团有限公司-中国石油大学(北京)战略合作科技专项“鄂尔多斯盆地致密油-页岩油富集、高效开发理论与关键技术研究”(ZLZX2020-02)低渗透油气田水平井往往面临初期压裂改造不足、产量递减快、油井不见效等低产问题,水平井重复压裂技术逐渐成为提高单井产量的主要措施之一,其中,地应力转向机制与压裂时机选择是制约水平井重复压裂技术发展的关键问题1-5。地应力是控制水力裂缝扩展的首要因素,注入或采出过程中地层压力、温度应力与初始地应力之间的耦合作用改变初始地应力大小及方向。
10、通过现场试验可知,水平最小地应力变化量约为地层压力变化量的46%80%,同时水平最小地应力方向偏转可达306-7。因此,水平井重复压裂之前的生产及补能对地应力场的影响研究以及优化重复压裂时机与施工参数具有重要意义。已有研究表明,地应力、储层物性、岩石力学性质、断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023030152023年5月断块油气田2023年5月压裂液流体性质、天然裂缝是影响水力裂缝扩展的主要因素8-13。朱海燕等9-10综合考虑页岩气储层地质力学参数、天然裂缝的影响,基于储层四维地应力演化特征,提出了页岩气藏加密井水力压裂裂缝扩展
11、模拟方法,建立了水力压裂复杂裂缝交错扩展模型。孔隙压力场对水力裂缝的扩展研究逐渐得到重视,孔隙压力的大小及梯度方向影响水裂缝扩展,高孔隙压力增加岩石弹性能的释放率,从而使得水力裂缝更容易扩展,导致水力裂缝趋向于高孔隙压力区域扩展14-15。周大伟等14通过致密砂岩的水力压裂实验研究认为除了缝内净压力、缝间距、应力差之外,裂缝周围的孔隙压力场也是影响裂缝扩展的重要因素。生产过程中水力裂缝周围储层压力衰减不均匀,即沿着裂缝方向的孔隙压力压降多,因此,油田生产会导致水平应力差减小16。王伟等17考虑压裂液流动的非均质性开展数值模拟研究,保证模拟水力裂缝更接近现场实际。岳迎春等18认为孔隙压力是造成地
12、应力转向的主要因素,而人工裂缝对地应力的影响范围有限。程玉刚等19研究孔隙压力梯度对裂缝尖端的应力作用,提出了导向压裂裂缝扩展方法。本文将开展水平井重复压裂过程中老缝补能诱导非均匀应力场对新缝扩展影响的研究,以探究补能重复压裂裂缝扩展规律。1实验方案本研究采用边长为30 cm的立方体水泥试件,石英砂(4070目)与PC32.5R复合硅酸盐水泥质量配比为32,试件在室温条件下养护14 d。如图1所示,首先,分别施加12 MPa水平最小地应力h、15 MPa水平最大地应力H和20 MPa垂向最大地应力v,通过井筒B向老缝内注入清水,恒压8 MPa维持4 h,在老缝周围形成非均匀孔隙压力场;然后,再
13、通过井筒A,注入压裂液进行压裂,压裂液黏度为106 mPas,注入速率为2 mL/min,压裂过程中,实时监测老缝内的压力。为了研究老缝对新缝扩展的影响,设置不同的缝间距d和老缝缝长L,如表1。图1实验试件示意Fig.1Schematic diagram of experimental specimen表1实验参数Table 1Experimental parameters used in our study2结果分析2.1新老缝压力响应分析如图2所示,新缝破裂时老缝内压力迅速增大,且新缝扩展过程中老缝内压力持续变化,说明了新老裂缝之间存在应力干扰。新老缝压力变化统计如表2所示。缝间距为3 c
14、m时,新老缝之间的应力干扰较强,随着老缝长度增大50%,破裂压力增大3.15MPa,即提高了14.8%;当缝间距为5 cm时,老缝的压力变化较小,新老缝之间的应力干扰较弱。缝间距较小时,新缝扩展引起的应力干扰导致老缝内压力波动明显,且新缝扩展过程中老缝压力较高,此时新老缝相互连通,试件剖切图也说明此现象(见图3c,3d,3g,3h)。缝间距较大时,新老缝之间干扰较小,老缝内流体滤失导致缝内压力持续下降。因此,当老缝长度越长、缝间距越小时,新缝的破裂压力越大、扩展压力越高,且波动明显。a试件1b试件2c试件3d试件4图2不同条件下压力与时间的关系(老缝初始内压为8 MPa)Fig.2Relati
15、onship between pressure and time under different conditions(initial internal pressure in old fracture is 8 MPa)试件编号缝间距/cm老缝缝长/cm老缝注液时间/h15154231543510443104476第30卷第3期表2新老缝内压力变化汇总Table 2Summary of pressure changes in old and new fractures注:表示未产生明显压力变化。除了新老裂缝之间的相互干扰,压裂之前由于老缝流体滤失作用,其形成的孔隙压力梯度对新缝扩展具有抑制作
16、用,增大了新缝起裂与扩展压力。另外,通过老缝压力响应可分析压裂压力冲击影响,新老缝间距越小、老缝越长,压力冲击越大,如试件2破裂时对老缝冲击压力为1.75 MPa。2.2老缝补能对新裂缝形态影响压裂后试件剖切及三维扫描裂缝形态如图3所示,当缝间距为5 cm时,老缝周围孔隙压力场对新缝扩展具有吸引作用,形成空间曲面裂缝(见图3a,3b,3e,3f),表现为非平面扩展。随着缝间距减小为3 cm时,老缝明显改变了新裂缝周围的应力场方向,降低了老缝周围有效应力,对新缝扩展吸引作用增强,进而与老缝相交(见图3c,3d,3g,3h),形成垂直于初始水平最大地应力的新缝。随着老缝长度减小,老缝对新缝的应力干
17、扰减弱,新缝复杂程度降低(见图3e,3f,3g,3h)。因此,缝间距越小、老缝长度越大,老缝形成的孔隙压力场对新缝裂缝形态影响越大,新缝越容易与老缝相交。试件编号破裂压力/MPa破裂时新缝压降/MPa破裂时老缝压增/MPa新缝扩展时老缝内压/MPa是否连通119.020.757否224.405.131.7512是319.150.711否421.251.231.0813是a试件1剖切;b试件1三维扫描;c试件2剖切;d试件2三维扫描;e试件3剖切;f试件3三维扫描;g试件4剖切;h试件4三维扫描图3重复压裂后试件剖切照片与三维扫描(绿色为老缝,红色为新缝)Fig.3Specimen profil
18、e map and 3D scanning after re-fracturing(green represents old fractures,red represents new fractures)本文采用Sneddon20提出的弹性条件下含内压裂缝周围应力场的解析模型来分析新老缝间的应力干扰规律,缝内净压力pnet(缝内压力-裂缝壁面上的正应力)在半无限大裂缝周围诱导应力场的解析解为z+x=2pnetrr1r2cos-0.51-0.52()-()1(1)z-x=2pnetrcos hfh2fr1r2()3/2sin321+2()()(2)式中:x,z分别为x和z方向上的诱导应力增量,M
19、Pa;r,r1,r2分别为平面上一点到裂缝中心、裂缝下端点、裂缝上端点的距离,m;,1,2分别为平面上一点与裂缝中心、裂缝下端点、裂缝上端点的连线与坐标轴的夹角();hf为裂缝半长,m。由式(1)和式(2)可简化得x轴上(=0,1+2=180)的诱导应力:x=pnet1-x3x2+h2f()3/2|(3)考虑孔弹性对裂缝扩展的影响,本文假设含内压裂缝周围的孔隙压力变化符合二次幂函数递减规律,则沿x轴上的诱导孔隙压力21分布为px=pnetx-hfhf()(4)黄婷,等.重复压裂非均匀孔隙压力场对裂缝延伸的影响477断块油气田2023年5月根据解析式(3)和式(4)可得x轴上沿x方向的诱导应力与
20、诱导孔隙压力分布(见图4),当距离为3倍裂缝半长时,其诱导应力为缝内净压力的10%,此时可忽略诱导应力或应力阴影的影响。由图4a阴影部分可知,裂缝附近存在诱导孔隙压力大于诱导应力的情况,说明此处有效应力降低,对新裂缝扩展具有吸引作用,由此也说明图3中的新老裂缝相交现象。随着老缝长度增加、缝间距减小,孔隙压力场的影响越明显,即图4中阴影面积会增大,对新缝扩展吸引作用越明显。另外,由于储层物性、地应力条件、压裂液性质的不同,裂缝周围孔隙压力场分布可采用不同函数递减形式。a诱导应力和诱导孔隙压力变化b解析模型示意图4诱导应力及孔隙压力变化与解析模型示意Fig.4Changes of induced
21、stress and pore pressure and analytical modelschematic diagram2.3水平井重复压裂数值模拟本文采用非常规裂缝模型(UFM)模拟重复压裂裂缝扩展22。该模型利用位移不连续法计算裂缝诱导应力场,从裂缝起裂、扩展每一处关键节点都进行迭代计算,通过裂缝扩展准则、水力裂缝与天然裂缝相交准则共同判断裂缝扩展方向,实现真三维裂缝扩展数值模拟,其具体数值求解方法请参考咸玉席等22的研究。本次计算的三维计算模型尺寸为450 m530 m90 m,三向地应力设置为37,43,51 MPa,储层渗透率为510-3m2,弹性模量为25 GPa,孔隙度为9%
22、,设置老缝1(HF1)和老缝2(HF2)的长度分别为210 m和240 m,老缝间距为60 m,如图5a所示。a水平最小地应力b水平最小地应力场分布图5重复压裂之前水平最小地应力和地应力场分布Fig.5Horizontal minimum in-situ stress and in-situ stress field distributionbefore refracturing开展重复压裂之前,首先分析初次压裂老缝诱导水平地应力场变化情况。如图5b所示,初次压裂老缝附近水平最小地应力方向发生了偏转,尤其是裂缝两侧区域(10 m以内)水平最小地应力方向改变约60,而老缝中间位置水平最小地应力方
23、向改变量较小,说明了老缝压裂对中间位置地应力场的影响较弱。通过在老缝之间加密裂缝开展重复压裂,研究缝间距对加密缝扩展形态的影响,设置加密缝与老缝距离为10,20,30 m的3种情况,模拟结果如图6所示。当老缝HF2与加密缝相距10 m时,由于HF2形成的孔隙压力场的吸引作用大于诱导应力作用,老缝对加密缝扩展具有吸引作用,导致新老裂缝相交。随着加密缝与老缝之间的距离增大,老缝对加密缝扩展的影响降低,可忽略老缝对加密缝的诱导应力及诱导孔隙压力干扰影响,当加密缝位于老缝中间,即新老缝间距为30 m时,老缝对新缝扩展基本没有影响。a间距10 mb间距20 mc间距30 m图6不同缝间距条件下重复压裂裂
24、缝形态Fig.6Refracturing fracture morphology under different fracture spacing由图6可知,当新老缝间距为20 m时,老缝对加密缝影响较小,因此,可在间距60 m的老缝之间加密2条新裂缝,其计算模拟结果如图7所示,老缝对新缝的应力干扰很小,加密缝基本都垂直于水平最小地应力方向扩展。重复压裂之后,加密缝与老缝之间的最小地应力方向发生较大变化,裂缝形态较为复杂。通过以上数值模拟研究可优化加密缝间距,避免新老缝之间的应力干扰,实现裂缝有效控制储层体积最大化。a水平最小地应力b水平最小地应力方向图7加密2条新缝时的水平最小地应力场分布F
25、ig.7Distribution of minimum horizontal in-situ stress field after addingtwo new fractures478第30卷第3期3结论1)老缝长度越长、缝间距越小,新缝破裂压力与扩展压力越大,且缝间距比老缝长度对新缝扩展影响程度大,老缝长度增大50%,破裂压力提高14.8%。2)通过老缝压力响应可判断压裂对老缝压力冲击影响,新老缝间距越小、老缝越长,压裂压力冲击越大,新老缝越容易沟通,形成平行于初始水平最小地应力的裂缝。3)通过数值模拟可优化加密缝间距,减弱老缝对新缝扩展的应力干扰影响,实现裂缝有效控制储层体积最大化。参考文
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