頁巖儲層水力壓裂裂縫展布數(shù)值模擬研究

摘 要：水平井及水力壓裂技術(shù)是當前非常規(guī)致密儲層，尤其是頁巖儲層開發(fā)的主要手段，然而，天然裂縫發(fā)育導致水平井水力壓裂形成復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，為合理優(yōu)化壓裂設(shè)計及準確預測頁巖氣產(chǎn)能帶來困難。本文綜合考慮水力壓裂內(nèi)流體湍流流動及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，建立了致密儲層水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)預測模型，應用混合有限元法對上述模型進行離散求解。計算研究表明：水力壓裂裂縫內(nèi)流體湍流影響導致裂縫擴展速度明顯高于常規(guī)層流模型；水力壓裂裂縫與天然裂縫的相互作用是造成復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要原因。

關(guān)鍵詞：非常規(guī)儲層；水平井；壓裂；裂縫網(wǎng)絡(luò)；頁巖氣

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，根據(jù)美國能源情報署估計，中國的頁巖氣儲量超過其它任何一個國家，可采儲量有1275萬億立方英尺。按當前的消耗水平，這些儲量足夠中國使用300多年。頁巖儲層具有低孔特征和極低的基質(zhì)滲透率，因此多數(shù)頁巖氣井都需要進行壓裂改造，目前美國已發(fā)展了水平井與水力壓裂相結(jié)合的頁巖氣開采主流技術(shù)[1-3]。頁巖氣儲層的壓裂改造不同于常規(guī)氣藏，由于頁巖儲層基質(zhì)向裂縫的供氣能力較差，僅靠單一的壓裂主縫很難取得預期的增產(chǎn)效果，必須進行“體積壓裂”以形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。因此，精確模擬裂縫網(wǎng)絡(luò)分布是頁巖氣開發(fā)過程中壓裂方案優(yōu)化和產(chǎn)能預測的基礎(chǔ)[4-5]。

對于水力壓裂裂縫預測的研究已經(jīng)有半個世界的歷史，早期學者[6-7]基于均質(zhì)和各相同性介質(zhì)假設(shè)建立了傳統(tǒng)水力壓裂的雙翼擴展模型，裂縫垂直于最小主應力方向擴展。雙翼模型為常規(guī)油藏水力壓裂裂縫的擴展提供了一個簡單有效的預測方法，在石油與天然氣的開采中得到了廣泛的應用。

由于天然裂縫的存在以及巖石的非均質(zhì)性和各向異性，水力壓裂應用于致密油氣藏、頁巖氣藏時會出現(xiàn)非常復雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，微地震數(shù)據(jù)對其進行了證實[8-9]。有些學者建立了復雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型用來模擬水力裂縫的擴展及其與天然裂縫的相互作用[10-11]。部分學者基于非連續(xù)位移法建立了層面和摩擦界面對水力裂縫增長影響的模型，借助離散元法研究了天然裂縫對水力裂縫擴展的影響[12-13]。當前的研究多以裂縫內(nèi)層流流體流動為基礎(chǔ)，且對于天然裂縫影響考慮過于單一。本文本文綜合考慮水力壓裂內(nèi)流體湍流流動及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，提出了了致密儲層水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)預測模型，可以很好的預測致密儲層裂縫展布，對于致密儲層水力壓裂優(yōu)化及產(chǎn)能預測有重要的理論意義。

1 模型建立

模型綜合考慮了儲層變形和破裂、裂縫內(nèi)流體流動的影響，應用雙翼模型裂縫縫寬預測模型及擬三維思想，建立了致密儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)擴展預測模型，具體包括：流體流動方程，裂縫寬度方程、系統(tǒng)流體質(zhì)量守恒方程、裂縫擴展判別準則及輔助邊界條件等。