水平井分簇压裂数值模拟.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：水平井分簇压裂数值模拟李紫妍，林天，欧阳雯（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 ）摘要：在水平井分簇压裂中，压裂液不均匀分配导致水力裂缝不均匀扩展，直接影响了页岩储层开采效果。基于有限元法建立了考虑储层非均质性的水平井分簇压裂数值模型，通过全局嵌入 厚度内聚单元，模拟水力裂缝随机扩展；结合概率密度函数，随机分配内聚单元网格的弹性模量、抗拉强度来表征页岩储层的非均质性。在此基础上，研究了排量和非均质性对分簇压裂裂缝扩展规律的影响。结果表明：储层非均质性越强，水力裂缝受缝间应力干扰作用越明显，其扩展形态也越复杂；注入排量较高有利于降低裂缝复杂性，实现水力裂缝均匀扩展。关键词：水力裂缝；有限元；非均质；水力压裂；排量中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，；：；页岩储层孔渗低，通常采用水平井分段分簇压裂技术进行增产 。裂缝的扩展形态很大程度上决定了开采效果，因此，掌握水平井分段分簇压裂裂缝扩展情况有着重要意义。国内外学者在水平井分段分簇方面进行了大量的研究。例如，赵金洲等 研究了射孔摩阻、簇间距及弹性模量对裂缝扩展形态的影响；李龙龙等 通过推导产能线性方程得到每簇裂缝产量及水平井总产量，发现外侧裂缝对产量的贡献要高于内侧裂缝；杨兆中等 建立致密砂岩气藏非稳态产能预测模型，该模型可计算裂缝产能；徐加祥等 利用软件模拟水力压裂下不同缝间距及不同裂缝长度油藏的产油量及压力分布；胡永全等 研究发现，分段同时压裂裂缝在近井带相互排斥，延伸较远时诱导应力减弱。目前，水平井分段分簇压裂研究主要集中在均质储层促进裂缝均匀扩展的方面 ，对于非均质储层水平井分段分簇压裂裂缝扩展形态鲜有研究。鉴于此，本文基于有限元法建立非均质储层水平井分簇压裂模型，通过全局嵌入 厚度内聚单元，研究水力裂缝的扩展行为。和传统有限元方法相比，全局嵌入内聚单元可实现裂缝任意扩展。在此基础上，引用韦伯分布随机抽样概率密度函数，结合实验数据，对 单元的弹性模量、断裂能以及抗拉强度进行分配表征地层非均质性，更贴近实际储层裂缝扩展情况。在此建模基础上，研究排量及非均质性对缝网形态的影响，从而达到优化缝网的目的。数值模型内聚力模型假设裂缝尖端存在牵引 分离本构特征的破裂过程区，避免了线弹性断裂力学中的裂缝尖端应力奇异性。离散有限单元，并在离散后的所有单元间插入 单元来实现裂缝随机扩展 。单元内流体流动流体在 单元裂缝内的流动可分为切向流和法向流，分别表示为 ：（）（）（）（）式中，为缝宽，；为裂缝压力，；为流体流量，；为流体黏度，；和 为裂缝顶部、底部界面相邻孔隙弹性材料的孔隙压力，；和 为 单元顶部、底部界面体积流率，；和 为裂缝上、下表面滤失系数；为 单元内流体压力，。年 月云南化工 第 卷第 期 ，管单元管单元可模拟管流过程中存在的压力损失，通常用于水平井分簇压裂模型的建立中 ，如图 所示。（）管网示意图；（）裂缝单元内流体流动示意图图 管流过程示意图流体满足能量守恒方程和质量守恒方程 ：，（），（）经过流体管单元的井筒摩阻压降方程为：（）（）式中，为注入点流体压力，；，为第 个管单元流出点压力，；，为第 个管单元射孔压降，；，为第 个管单元产生的压降，；，为第 簇裂缝井筒摩阻，；为总注入流量，；为第 个管单元注入流量，；为流体经过管单元的压力损失，；为流体密度，；为重力加速度，；为管单元两节点的高度差，；为管道的摩擦系数；为管单元中的流体速度，损失系数。数值模型建立 非均质模型建立页岩力学参数呈现非均质性特征是由于页岩矿物颗粒分布呈现随机非均匀性，且每种矿物颗粒力学参数均不同。利用韦伯密度分布函数可表征其岩石力学参数非均质特征，越大，岩石均匀性越强 。以抗拉强度为例，对所有 单元进行抽取并赋值，从图 可知，时，单元赋值越均匀；时，单元赋值非均匀性越强。根据 实验，对页岩矿物成分进行了测试，测得的实际矿物成分占比和通过表征非均质性得到的矿物成分占比的对比图如图 。当形状参数 等于 时，最接近实际的矿物组成。图 韦伯密度分布函数随机抽样图K-=LB-!IJ-8 -+-1 K-ED-4-SI-=LB+-图 实际与模拟矿物成分对比图 参数设置基于有限元法，建立 的簇间距为 的 簇水平井压裂模型，如图 所示。利用结构化方式，对储层模型进行网格划分，离散有限单元，并在离散后的所有单元间插入 单元来实现裂缝随机扩展。采用 单元模拟多孔介质页岩储层，根据模型 单元数量 ，利用 语言提取 单元的编号，定义了一个根据概率密度进行抽样的函数。对所有 单元进行抽样分组并进行材料属性赋值，利用岩石矿物的杨氏模量、泊松比和断裂能参数表征不同矿物含量下储层的非均质性差异。页岩储层岩石矿物组成见表。多个管流单元组合可以模拟水平井筒中多个射孔簇的流体分配过程 。结合管单元的孔压节点及黏聚区节点，可建立考虑储层非均质非均质性的水平井分簇压裂数值模型，本模型共使用 个 单元，个 单元，个管流单元，具体参数设置见表 。年 月云南化工 第 卷第 期 ，图 几何模型简图（左）表征非均质性网格图（右）表 岩石矿物组成表矿物成分 弹性模量 泊松比抗拉强度 断裂能（）钠长石 石英 伊利石 白云石 透辉石 绿泥石 黄铁矿 表 模型参数表最大水平应力 最小水平应力 孔眼直径 滤失系数（）弹性模量 泊松比注入排量（）压裂液黏度 模拟结果分析 非均质性对裂缝扩展的影响页岩储层非均质特征明显，且页岩力学参数服从韦伯分布。韦伯分布中 能够反映岩石均匀程度，越大岩石均匀性越强。本文选取形状参数 、和 来表征页岩力学参数的强非均质性、较强非均质性、较弱非均质性、弱非均质性特征，以研究储层非均质性对水力裂缝在页岩储层中扩展行为的影响规律，模拟中保持其他参数不变。图 分别为 、情况下得到的裂缝扩展形态图。由于簇间距太小，裂缝间应力干扰较强导致仅单簇起裂。从图 中可知，考虑储层非均质情况下，裂缝扩展不均匀，形态复杂；当储层非均质较强时，裂缝扩展更加困难，裂缝扩展范围也较小，其扩展形态也较为复杂；可知储层非均质性越强，缝间应力干扰作用抑制水力裂缝扩展现象越明显。所以，非均质性较弱则扩展阻力较小，相较非均质性强的储层水力裂缝扩展较为均衡，扩展面积也较大。排量对裂缝扩展的影响目前，在非均质储层中，注入排量是影响水力裂缝扩展行为非常重要的可控工程因素。因此，研究排量为 、时水力裂缝在非均质储层中扩展行为非常重要。形状参数 为 时，仅改变排量来研究缝网的扩展情况。图 是排量 为 、时得到的裂缝扩展形态图。从图 中可知，随着排量的增加，裂缝扩展面积增加。高注入排量加快水力裂缝内的液体流速，提供足够的能量来克服地应力和天然裂缝阻力的能力，可以促使水力裂缝扩展，从而避免压裂液在近井筒附近聚集，实现水力裂缝向远井筒方向扩展，也可以达到更好的增产效果。因此，在注液量充足的情况下，高注入排量是有益的。在较低注入排量条件下，水力裂缝内部压裂液流速较低，使其内部压裂液得不到及时补充，水力裂缝因缺乏足够能量难以继续向前扩展。年 月云南化工 第 卷第 期 ，（）（）（）（）图 不同非均质性下裂缝扩展形态（）（）（）（）图 不同排量下裂缝扩展形态 结论）非均质性弱，有利于水力裂缝均匀扩展；储层非均质性越强，水力裂缝扩展困难，其扩展形态也较为复杂。可知：储层非均质性越强，缝间应力干扰作用抑制水力裂缝扩展现象越明显；非均质性较弱则扩展阻力较小，相较非均质性强的储层水力裂缝扩展较为均衡，扩展面积也较大。）高注入排量有利于降低裂缝复杂性，实现水力裂缝均匀扩展；低排量利于增大裂缝复杂性。当注入排量较低时，压裂液流速较低，使其内部压裂液得不到及时补充，水力裂缝因缺乏足够能量难以继续向前扩展，所以裂缝形态较为复杂，裂缝较短；当注入排量较高时，水力裂缝内部有足够的能量克服地应力，促使其继续扩展，所以裂缝形态较为均匀，裂缝也更长。（下转第 页）年 月云南化工 第 卷第 期 ，频率、有效功率等参数，有效功率可以实时地反映分解机的装载量，此 输出信号可以输入控制器参与分解机的运算控制。分解机工作初期，分解机有效功率随着装载量的增大而增大，当装载量增大到一定程度时，有效功率出现最大值，当超过这个最大值后，随着分解机装载量的增大，有效功率降低。分解机通过矿浆浓度控制进矿量和给水量的控制策略如图 所示：?(A74-FA74!F+-图 分解机控制策略图控制原理如下：）当盐度计检测到矿浆浓度（盐度）过高时，首先对分解机实时功率进行判断。如果分解机功率正常或者偏低，则控制加水电磁阀增大给水量，同时加大分解机螺旋转速，使分解槽搅拌强度增大，充分分解进入分解槽的光卤石原矿。如果分解机功率偏大，则控制原矿给料机和分解机转速，降低光卤石矿进矿量和分解槽螺旋转速，降低槽内搅拌强度，使光卤石矿在分解槽中停留时间增大充分分解。）当盐度计检测到矿浆浓度过低时，同样对分解机实时功率进行判断。如果分解机功率正常或者偏低，则增大原矿给料机和分解机转速，增加进入分解槽的光卤石矿和增大搅拌槽搅拌强度，提高矿浆浓度（盐度）。如果分解机实时功率偏高，则减小给水量和搅拌强度，增加光卤石在分解槽中的分解时间使其充分分解。结语在冷分解 正浮选法生产氯化钾工艺中，冷分解工序的控制对整个氯化钾生产过程影响很大，它直接影响氯化钾的回收率，因此对光卤石原矿的分解必须控制好进矿量、加水量和分解机搅拌强度，保证原矿的分解完全，才能有利于生产的稳定。通过应用先进的传感器检测技术，测量分解液的浓度（盐度），它间接的反映了分解液中镁离子的浓度，以此为依据，应用变频调速技术，控制算法控制原矿给料机、分解机转速，控制进矿量和搅拌强度及分解加水量，使冷分解负荷更趋于合理，分解能力加强，分解工序更稳定，有利于下一步浮选生产。参考文献：王国栋 老挝钾盐矿分解 正浮选制备氯化钾的工艺研究 云南化工，（）：张开勇 光卤石分解制备氯化钾结晶过程分解液浓度特性研究 盐业与化工，（）：周有英 无机盐工艺学 北京：化学工业出版社，：陈五平 化学肥料 上海：上海人民出版社，：收稿日期：作者简介：唐磊（），男，云南临沧人，大专，工程师，主要从事电气自动化方面的工作。（上接第 页）参考文献：郑新权，何春明，杨能宇，等 非常规油气藏体积压裂 工艺及发展建议 石油科技论坛，（）：赵金洲，陈曦宇，李勇明，等 水平井分段多簇压裂模拟分析及射孔优化 石油勘探与开发，（）：李龙龙，姚军，李阳，等 分段多簇压裂水平井产能计算及其分布规律 石油勘探与开发，（）：杨兆中，陈倩，李小刚，等 鄂尔多斯盆地低渗透致密砂岩气藏水平井分段多簇压裂布缝优化研究 油气地质与采收率，（）：徐加祥，丁云宏，杨立峰，等 致密油藏分段多簇压裂水平井复杂缝网表征及产能分析 油气地质与采收率，（）：胡永全，傅成浩，谭超，等 水平井分段多簇压裂裂缝干扰延伸规律 大庆石油地质与开发，（）：侯腾飞 页岩储层复杂裂缝支撑剂非均匀分布规律及导流能力研究 北京：中国石油大学，唐煊赫，朱海燕，车明光，等 裂缝性页岩暂堵压裂复杂裂缝扩展模型与暂堵时机 石油勘探与开发，（）：，（）：李明辉，周福建，黄国鹏，等 基于管单元的水平井多簇压裂有限元模拟方法 中国石油大学学报（自然科学版），（）：王超 页岩非均质性和井孔布置对水力压裂成缝的影响研究 徐州：中国矿业大学，收稿日期：作者简介：李紫妍（），女，硕士研究生，研究方向：水力压裂。：