水平井壓裂儲(chǔ)層應(yīng)力場研究進(jìn)展及趨向

官 兵，陳雙慶

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水平井壓裂儲(chǔ)層應(yīng)力場研究進(jìn)展及趨向

官 兵，陳雙慶

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

通過全面梳理相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，厘清了水平井壓裂過程中的主要應(yīng)力計(jì)算模型，明確了擾動(dòng)應(yīng)力場的影響因素及其擾動(dòng)機(jī)制，指出了水平井壓裂應(yīng)力場研究的未來發(fā)展方向，為后續(xù)水平井壓裂應(yīng)力場的深入研究提供了一定的參考和指導(dǎo)。

水平井壓裂； 應(yīng)力場； 計(jì)算模型； 影響因素； 擾動(dòng)機(jī)制

十多年前，Maxwell[1]和Fisher[2]指出了裂縫縫網(wǎng)規(guī)模與壓裂增產(chǎn)效果呈正相關(guān)關(guān)系。因而有效利用壓裂應(yīng)力場形成復(fù)雜縫網(wǎng)是提高水平井油氣產(chǎn)能的重要途徑。目前已有學(xué)者開展了一些相關(guān)研究，但研究內(nèi)容和側(cè)重各不相同。本文旨在通過對國內(nèi)外水平井壓裂應(yīng)力場方面的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，了解水平井壓裂應(yīng)力場的研究進(jìn)展，指出研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，為后續(xù)水平井壓裂應(yīng)力場的深入研究提供了參考。

1 水平井壓裂應(yīng)力場計(jì)算模型研究

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

1.1 近井筒集中應(yīng)力場計(jì)算模型

1.2 壓裂裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算模型

圖1 多裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場分布示意圖

2 水平井壓裂應(yīng)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(jié)國內(nèi)外學(xué)者[6-9]多年來的研究成果可以將其劃分為三類：地層參數(shù)、裂縫參數(shù)以及施工參數(shù)。

2.1 地層參數(shù)

地層本身的礦物組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征是影響地下儲(chǔ)層應(yīng)力分布的基本因素，其對應(yīng)力場擾動(dòng)的具體影響特征可利用地層參數(shù)來表征，其中包括巖石的彈性模量、泊松比、原始水平主應(yīng)力差以及天然裂縫、節(jié)理的分布等。

表1 地層參數(shù)應(yīng)力擾動(dòng)機(jī)制

注：其中以一條壓裂人工裂縫的裂縫中心為參照原點(diǎn)。

2.2 裂縫參數(shù)

水平井壓裂裂縫本身會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力影效應(yīng)，應(yīng)力影效應(yīng)與原地應(yīng)力場疊加，使水平井周圍的應(yīng)力場受到擾動(dòng)，不同的裂縫參數(shù)所產(chǎn)生的擾動(dòng)機(jī)制不同，其中包括裂縫凈壓力、裂縫長度、裂縫間距、裂縫條數(shù)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(yīng)力場的擾動(dòng)因素之一。

表2 裂縫參數(shù)應(yīng)力擾動(dòng)機(jī)制

注：其中以一條壓裂人工裂縫的裂縫中心為參照原點(diǎn)。

2.3 施工參數(shù)

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(shù)會(huì)不同程度地影響井筒內(nèi)液柱壓力以及其向儲(chǔ)層的滲濾情況，從而改變井筒內(nèi)壓和壓裂液濾失所產(chǎn)生的附加應(yīng)力。但是這些因素都是地面可控條件，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用均已確定較優(yōu)的控制范圍。

目前水平井壓裂應(yīng)力場的研究重點(diǎn)仍然集中在儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)的測量計(jì)算以及井筒裂縫參數(shù)的優(yōu)化配置方面。

3 水平井壓裂應(yīng)力場研究發(fā)展方向

水平井壓裂應(yīng)力場研究已經(jīng)取得了眾多研究成果，但仍可以在以下幾方面進(jìn)行理論創(chuàng)新。

（1）現(xiàn)有應(yīng)力場計(jì)算模型對于近井周圍應(yīng)力場計(jì)算和裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力場計(jì)算的研究已經(jīng)較為完善，但都是基于假設(shè)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(shí)儲(chǔ)層應(yīng)力場的有效計(jì)算模型仍是未來的研究方向之一。

（2）地下儲(chǔ)層應(yīng)力分布受擾因素眾多，而儲(chǔ)層本身的多尺度構(gòu)造影響效果更是顯著，巖石內(nèi)部的微觀缺陷、節(jié)理、裂隙以及天然裂縫的描述表征對于還原真實(shí)儲(chǔ)層環(huán)境，分析應(yīng)力擾動(dòng)變化規(guī)律具有重要意義。

（3）地下環(huán)境復(fù)雜，壓裂裂縫形成的特征形態(tài)受控于多種復(fù)合作用，弄清各因素影響下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律對于研究水平井壓裂增產(chǎn)改造至關(guān)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(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［4］劉雨. 多級壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力對天然裂縫開啟影響研究[D].東北石油大學(xué)，2014.

［5］李士斌，官兵，張立剛，等. 水平井壓裂裂縫局部應(yīng)力場擾動(dòng)規(guī)律[J]. 油氣地質(zhì)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(yōu)化方法[J]. 石油鉆探技術(shù), 2012, 40(5): 67-71.

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

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

Research Progress and Tendency of Horizontal WellFracturing Reservoir Stress Field

,

（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(xué)基金項(xiàng)目資助（51504067），東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)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(guī)壓裂裂縫應(yīng)力場數(shù)值模擬分析的研究工作。