页岩储层水力压裂裂缝展布数值模拟研究

页岩储层水力压裂裂缝展布数值模拟研究

作者：杨光 衣军 徐继昌 程鹏 来源：《科技创新与应用》2013年第04期

摘 要：水平井及水力压裂技术是当前非常规致密储层，尤其是页岩储层开发的主要手段，然而，天然裂缝发育导致水平井水力压裂形成复杂裂缝网络，为合理优化压裂设计及准确预测页岩气产能带来困难。本文综合考虑水力压裂内流体湍流流动及水力壓裂裂缝与天然裂缝相互作用的影响，建立了致密储层水力压裂裂缝网络预测模型，应用混合有限元法对上述模型进行离散求解。计算研究表明：水力压裂裂缝内流体湍流影响导致裂缝扩展速度明显高于常规层流模型；水力压裂裂缝与天然裂缝的相互作用是造成复杂裂缝网络的主要原因。 关键词：非常规储层；水平井；压裂；裂缝网络；页岩气

页岩气是一种重要的非常规天然气资源，根据美国能源情报署估计，中国的页岩气储量超过其它任何一个国家，可采储量有1275万亿立方英尺。按当前的消耗水平，这些储量足够中国使用300多年。页岩储层具有低孔特征和极低的基质渗透率，因此多数页岩气井都需要进行压裂改造，目前美国已发展了水平井与水力压裂相结合的页岩气开采主流技术[1-3]。页岩气储层的压裂改造不同于常规气藏，由于页岩储层基质向裂缝的供气能力较差，仅靠单一的压裂主缝很难取得预期的增产效果，必须进行“体积压裂”以形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。因此，精确模拟裂缝网络分布是页岩气开发过程中压裂方案优化和产能预测的基础[4-5]。

对于水力压裂裂缝预测的研究已经有半个世界的历史，早期学者[6-7]基于均质和各相同性介质假设建立了传统水力压裂的双翼扩展模型，裂缝垂直于最小主应力方向扩展。双翼模型为常规油藏水力压裂裂缝的扩展提供了一个简单有效的预测方法，在石油与天然气的开采中得到了广泛的应用。

由于天然裂缝的存在以及岩石的非均质性和各向异性，水力压裂应用于致密油气藏、页岩气藏时会出现非常复杂的裂缝网络，微地震数据对其进行了证实[8-9]。有些学者建立了复杂的裂缝网络模型用来模拟水力裂缝的扩展及其与天然裂缝的相互作用[10-11]。部分学者基于非连续位移法建立了层面和摩擦界面对水力裂缝增长影响的模型，借助离散元法研究了天然裂缝对水力裂缝扩展的影响[12-13]。当前的研究多以裂缝内层流流体流动为基础，且对于天然裂缝影响考虑过于单一。本文本文综合考虑水力压裂内流体湍流流动及水力压裂裂缝与天然裂缝相互作用的影响，提出了了致密储层水力压裂裂缝网络预测模型，可以很好的预测致密储层裂缝展布，对于致密储层水力压裂优化及产能预测有重要的理论意义。 1 模型建立

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模型综合考虑了储层变形和破裂、裂缝内流体流动的影响，应用双翼模型裂缝缝宽预测模型及拟三维思想，建立了致密储层裂缝网络扩展预测模型，具体包括：流体流动方程，裂缝宽度方程、系统流体质量守恒方程、裂缝扩展判别准则及辅助边界条件等。