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特殊的问题

创新方法在理解地下水流在岩石断裂的水库

把这个特殊的问题

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体积 2019年 |文章的ID 1481960 | https://doi.org/10.1155/2019/1481960

赵羌王涌泉,锦州, 天然裂缝对应力的影响进化的非常规储层使用有限元法和断裂连续的方法”,Geofluids, 卷。2019年, 文章的ID1481960, 16 页面, 2019年 https://doi.org/10.1155/2019/1481960

天然裂缝对应力的影响进化的非常规储层使用有限元法和断裂连续的方法

客座编辑:弗雷德里克·阮
收到了 2019年5月23日
修改后的 2019年11月16日
接受 2019年11月25日
发表 2019年12月27日

文摘

重复压裂、暂堵,填入设计水库的发展起着重要的作用。应力分布的预测可以提供基本的指导理论这些技术的设计和实现。在这篇文章中,一个完全耦合三维生产模型基于有限元法(FEM)和骨折连续方法(FCM)提出了天然裂缝性储层研究流体的影响消费的储层压力。此外,天然裂缝的影响和压力应力再分配,也将重新定位进行了研究。模型还考虑天然裂缝的渗透率的影响,有效应力的影响,天然裂缝开口,pore-elastic变形和流体消费。一个解析解模型和Eclipse用于比较,验证模型的精度的结果。基于两种情况的一个集群non-planar骨折的骨折和三个集群,研究结果表明,天然裂缝产生重大影响周围的排水,应力分布和应力重新定位在开发。天然裂缝的影响下,生产的液体沿天然裂缝方向明显更容易,它可能是高度消费不足区域的方向垂直于自然骨折。与传统模型相比,该模型的应力分布是转移在一定程度上控制流模式下自然骨折,这是明显突出non-planar骨折模型。由于天然裂缝的影响,绝对值的压力,位移,应力差在这个模型比传统模型中的相对较大。 Moreover, the re-orientation angles of the maximum principal stress are significantly different. After considering the natural cracks, there was an increase in the change in re-orientation and the re-orientation range. The research findings reported in this paper can be used to predict the initiation, extension, and steering process of temporary plugging fracturing fractures and refracturing fractures in fractured reservoirs.

1。介绍

在石油和天然气的开采,在储层孔隙压力逐渐降低按照发展。此时,孔隙压力梯度由于储层孔隙压力分布的异质性导致初始储层应力分布的变化(1]。在常规储层研究、储层通常被视为多孔介质弹性体。当评估流体之间的耦合规律及地质应力的多孔弹性模型,流体通常被认为是发生在三个主要方向。然而,流体流动是由于压力梯度。页岩等水库,天然裂缝发展和控制了储层流体流动,流体主要沿天然裂缝的方向。在这个流模式下,传统的渗透率表示不能准确地描述流体的流动。因此,天然裂缝渗透率、渗透率张量之间的关系(2),渗透率和裂缝宽度之间的关系3),和有效应力之间的关系,建立了天然裂缝宽度(4]。渗透率张量可以用于描述液体的流动在其他方向,和天然裂缝的宽度的变化可以用来描述生产过程中渗透性演化。因此,三维多孔介质流固耦合数学模型被开发成一种等效模拟分析和评价的压力演化和压力转向在骨折水库枯竭。

几项研究已经进行多孔介质流固耦合;然而,天然裂缝对储层应力的影响被认为是这些研究。研究多孔介质中流体和地质力学之间的耦合可以分为两个部分。第一个方面是在注入流体和地质力学的耦合5- - - - - -10]。另一方面是液体的耦合和地质压力损耗(11- - - - - -13]。储层压力的变化由于在水力压裂滤失流和地质力学之间的耦合的结果,这是一个过程,在短期内发生。Ghassemi等人建立了一个三维流固耦合模型对水力压裂,然后解决了使用有限元模型和位移不连续方法。孔隙压力的分布和压力附近的水力压裂了,和附近的岩石的失败分析了水力压裂用莫尔-库仑破坏准则(14]。Salimzadeh等人提出了一个完全耦合的三维(3 d)有限元模型的水力压裂透水岩石,然后评估古典分析解决方案的适用范围在极限情况下使用这个模型15]。高和Ghassemi建立了孔隙弹性模型完整的3 d异构水力压裂过程中利用流体流动的耦合方法和地质力学,然后用有限元方法解决。诱导应力分布和转向液压骨折在异构水库被确认为时间和空间的函数(16]。

除了在流体注入储层压力的变化,变化观察水库枯竭的时候。石油和天然气是一个显著水库长期消费的过程(17- - - - - -19]。古普塔等人的影响评估生产消费和完成移民对储层压力,和这个研究的发现表明,压力是压力的不同条件下更容易转移。此外,断裂特征、疲惫,压力和井间干扰产生重大影响的加密井设计和重复压裂设计后期(20.]。使用最先进的耦合对称伽辽金边界元方法(SGBEM)和有限元法(FEM)模型,Roussel和Sharma模拟之前生产的影响抵消井裂缝的传播方向启动加密水平井。观察压力重新定位区附近的抵消后几年的生产,而表现出显著影响裂缝扩展加密井(11]。Safari和Ghassemi提出了一个数值评价模型应力的变化由于损耗的加密井,然后分析了弯曲的液压骨折扰动应力场和液压骨折之间的连接井(21]。失败的效果和关键参数,确定弯曲断裂系统评估(21,22]。结果显示,应力张量的损耗摄动周围的地层水平井破裂了。扰动应力场与压力/地层各向异性、流体流动、孔隙压力、井底工作压力,毕奥的常数。Sangnimnuan等人对压力的水力压裂形态演化的影响在生产过程中使用嵌入式离散裂缝法(EDFM)和有限体积法(有限)1]。这项研究表明,断裂形态对应力分布有重要影响,周围的排水系统,和压力重新定位。此外,随着压力减少差异,转向更容易实现。传播路径和曲率半径的水力压裂裂缝延伸模型可用来预测结合不同的应力场。本文结合储层模拟岩石地质力学预测油井poststimulation生产力(23]。展示了几个数值计算和现场试验,研究油藏枯竭的影响孔隙压力和压力变化在加密区(24]。使用一个2 d雷等人提出了重复压裂分析多孔弹性平原应变位移不连续模型建立在张的工作,Ghassemi和张,春(25- - - - - -28]。Kumar和Ghassemi地质的角度更好地理解问题的“frac-hits”水平井裂缝和设计解决方案,它利用地质力学分析和建模13]。数值分析是基于一个完全耦合的三维模型“GeoFrac3D”功能来模拟多个水平井多级压裂。

与自然骨折,然而,对于水库水库诱发的进化压力是影响消费的压力,水力压裂形态、和自然骨折等等。此外,天然裂缝的影响是显著的。大多数研究人员都知道自然骨折在生产产生重大影响的石油和天然气生产。然而,当自然骨折和流固耦合被认为是与此同时,自然骨折的治疗成为一项艰巨的任务。总之,没有一项研究发现在天然裂缝异质性的影响诱导压力储层生产。本文总结并提出了分析结果的影响上进行自然骨折的压力和压力引水条件下平面骨折和nonplane骨折。本研究结合和扩张的流体/地质力学耦合理论和天然裂缝孔隙弹性模型中的异质性。与先前的研究相比,我们的模型更接近于油藏的实际地质情况,所以结果更加可靠和准确的。本文中报告的研究成果可以用来预测起始,扩展和转向过程中暂堵压裂裂缝骨折骨折和骨折水库。

2。数学模型

2.1。天然裂缝连续方法

等天然裂缝性储层页岩、致密砂岩储层基质的渗透率明显小,很难提取液仅基于矩阵(23,29日]。工程、multicluster压裂通常采用水平井激活与天然裂缝油藏。然后自然骨折成为石油和天然气生产的主要通道,然后控制储层流体的流动模式。鉴于天然裂缝渗透率显著大于矩阵,矩阵的贡献流体渗透率是忽略了在这个模型中,只有天然裂缝的影响被认为是(29日]。页岩储层中所开发的天然裂缝分布的角度通常是一致的,即:,the inclination angle and approximation angle are generally distributed within a certain range of the main direction [30.]。因此,它是假定近似角和倾角的纯天然骨折模型是一致的。在这个模型中,骨折连续体方法。麦凯纳和里夫斯提出的用于描述自然骨折的特点。元素的渗透网格的特征是自然裂缝倾角,近似角,张角,裂缝间距(31日]。这种方法的优点是,天然裂缝网格不能单独处理,结果条件下,元素是足够小,以满足精度要求3,32]。基于先前的研究[3),天然裂缝渗透率是分散的连续单元。天然裂缝渗透率张量定义了每个网格单元的渗透率模型中的域。一组裂缝的渗透率张量可以表示如下: 在哪里 是渗透率张量; , , 单位正常的裂缝面吗 , , 分别为方向;和 天然裂缝的渗透率。此外, , , 可以表示如下: 在哪里 使用方程(1)和(2),渗透率张量可以用来代表自然骨折造成的异质性。这种异质性是由开幕式、间距、倾角、接近角自然骨折。模型中,流固耦合损耗的考虑和储层的应力分布变化对时间,从而导致天然裂缝渗透率的变化。天然裂缝渗透率主要取决于骨折开放如下(3]: 在哪里 是骨折复位孔(裂缝关闭)和 裂缝间距。

准确地描述了天然裂缝渗透率作为时间的函数,一个天然裂缝张开度和有效应力的耦合模型。Bandis等人评价裂缝打开和有效正应力,然后提出了一种半对数关系(33]: 在哪里 裂纹表面的法向应力和吗 表示常量在半对数裂缝闭合/压力的关系。

有效正应力作用于裂缝表面可以表示如下: 在哪里 之间的夹角是正常骨折和 方向和 ,分别代表了有效有效最大主应力和最小主应力,MPa。

结合方程(4)和(5),获得了以下(4]: 在哪里 是有效应力比,它可以表示为

2.2。流固耦合力学机制
2.2.1。有效应力原理

岩石是组成的多孔介质固体骨架和毛孔。此外,还有流体(油、气、水)存储在骨架的孔隙中。岩石中的流体压力能承受或转让,这被定义为孔隙压力。此外,压力通过岩石颗粒之间的接触表面传播的有效压力。毕奥有效应力可以表示如下(34,35]: 在哪里 有效应力, 是总压力, 克罗内克符号, 代表了毕奥常数,可以定义如下(36]: 在哪里 代表岩石的体积压缩模量和压缩模量的固体颗粒,分别。此外, 通常是接近1;因此, 是使用。

2.2.2。应力平衡方程

饱和-非饱和渗流理论评估两种或更多的流体的运动通过毛孔。本研究解决单相流体在多孔介质的流动。基于虚功原理,可以知道,在某个时刻,的岩体单元的虚功等于虚功产生的力量作用于单元(物理力和表面力);因此, 在哪里 表面力, 是体力, 分别是虚拟应变和虚拟位移。

用增量形式的本构关系 在哪里 弹塑性矩阵和吗 是粒子压缩由于孔隙流体压力,它只在正方向没有剪切变形的方向。具体表达式如下: 在哪里

公式(7)可以表示如下:

,结合公式(12)和求和公式(9)可以表示如下:

鉴于渗流连续性方程包含一个与时间相关的术语,几个应力与渗流,虚功方程的时间导数(13)是必需的。具体表达式如下:

2.2.3。连续性方程

由达西定律结合流体质量守恒,可以建立一个矩阵流模型描述多孔介质的流动。的液体流入本卷 应该等于其内部水的增加存储空间。通过推导,渗流的连续性方程可以得到如下: 在哪里 重力加速度是矢量, 是液体的压缩性, 基质孔隙度。

石油和天然气发展的过程中,水力压裂通常用于生成水力压裂提高生产排水面积。图中所示1水力压裂是位于 - - - - - - 部分。因此,连续性方程可以表示如下: 在哪里 代表断裂之间的交换术语和矩阵。

3所示。模型计算和验证

3.1。有限元离散

形状函数可以定义如下: 在哪里 表示位移的形状函数, 孔隙压力的形状函数, 是节点位移, 元素节点的孔隙压力。

用方程(17)方程(15),固相有限元公式可以简化后,得到如下: 在哪里

在渗流场的分析,有两种类型的边界条件。第一个是流边界条件,第二个是孔隙压力边界条件。流动边界条件可以表示如下: 在哪里 是正常的流动单元边界。这种边界条件可以用作外边界条件。当有生产骨折后的储层压裂、流动边界条件也可以被认为是内部边界条件或断裂边界条件。

孔隙压力边界条件可以表示如下: 在哪里 孔隙压力值是已知的边界。

可以使用金法,可以表示如下: 在哪里 是任意的函数, 是控制方程, 通过边界连续性方程。

用方程(15), ,方程(20.), ,和正式的函数表达式(17)方程(22),通过设置 ,简化后,可以获得如下: 在哪里

结合方程(18)和方程(23),geomechanic-seepage耦合方程可以表示如下:

3.2。模型验证
3.2.1之上。单相流解算器

验证油水流动模型中,建立了单裂隙渗流模型(如图1)和相同的模型建立了Eclipse的软件模拟比较。渗透率、孔隙度和储层模型的厚度是5 md, 0.1, 50米,分别。模型的边界是封闭的;因此,储备模型常数。其他主要参数表中所示的相同1。在提出的模型中,建立了流模型没有考虑天然裂缝。流固耦合不被认为是在Eclipse的软件。日产量和累积获得的石油生产后一年的生产采用定压生产的方法,如图2。该模型的结果与Eclipse大约一致。由于不同的因素考虑的模型,这种变化过程略有不同。因此,本文展示了一种高精度的模型。


参数 价值 单位

杨氏模量 35.5 平均绩点
泊松比 0.2 - - - - - -
毕奥系数 1 - - - - - -
初始孔隙度 0.25 - - - - - -
流体压缩系数 MPa1
流体的粘滞性 1.1 MPa年代
的主应力 - - - - - -方向 50 MPa
的主应力 - - - - - -方向 54 MPa
的主应力 - - - - - -方向 57 MPa
初始孔隙压力 30. MPa
最初的天然裂缝 0.2 毫米
平均天然裂缝间距 20.
天然裂缝倾角 80年 °
天然裂缝罢工 40 °
好半径 0.0762

4所示。案例研究

4.1。基本参数

如在这一节中所讨论的,一个三维储层物理模型建立了评价各向异性的影响由于自然骨折在石油和天然气储层压力的发展。充分展现自然骨折的重要影响的一代诱导压力,建立了一个模型,不考虑的影响 , , 然而,在主方向渗透率的影响被认为是进行比较。如图3长度,宽度,和模型的高度是400米,400米,100米,分别与液压骨折是位于的横截面 - - - - - - 设在。域离散50个节点细胞 - - - - - - - - - - - -方向和20节点细胞 - - - - - -方向。治疗水库的边界,左右表面上的节点模型的自由移动的 - - - - - -轴而不是 - - - - - -轴。顶部和底部的所有节点外表面自由移动的 - - - - - -轴而不是 - - - - - -轴。所有节点的垂直位移在顶部和底部的外表面可以实现。此外,六个边界nonflow边界,即。,the pore pressure in the reservoir was continuously reduced in the process of production. In all the calculations below, the downhole flow velocity was calculated using the Peaceman equation [37]。其他参数的计算如表所示1。数据4(一)和4(b)单一骨折的位置和空间的骨折的三个集群,分别。

4.2。单一裂缝研究

基于建立的模型和物理参数4.1在本节中,重点是天然裂缝的应力分布的影响,指导生产中的单个断裂的过程 - - - - - - 部分。充分反映了天然裂缝对压力的影响,建立了传统模型没有考虑天然裂缝的影响,进行比较。与模型中的边界条件相比,计算参数与模型一致。

在生产过程中,孔隙压力不断降低,因为连续流体萃取和压力在断裂附近是最低的。图5比较了储层孔隙压力分布经过5年的生产和不考虑天然裂缝的影响。从图可以看出,由于天然裂缝的影响,流体流型的变化。与传统模型相比,孔隙压力消散面积更大,更容易减少孔隙压力沿天然裂缝的方向顺时针方向偏转压降漏斗的形成。因此,天然裂缝分布条件下,流体在右上角和左下角的角落可以很容易地提取,而流体在左上和右下角落不能容易提取。这可以作为一个基本加密井的设计指南。

根据有效应力原理,储层压力变化的影响下不断的孔隙压力消散。对于传统的模型,应力的分布 , , 在水库经过5年的生产数据所示6(一),6 (b),6 (c)。由于流体消费,储层应力分布表现出高的复杂性。此外,出现了下降 在裂纹附近的压力损耗,而 增加的左右部分领域支持的压力损耗 - - - - - -方向。此外,出现了下降 在裂纹附近的压力损耗,而 增加顶部和底部的部分领域支持的压力损耗 - - - - - -方向。此外, 主要表现出减少压力在中部地区的域。考虑天然裂缝的应力演化的影响,结果如图7(一),7 (b),7 (c)。与传统模型相比,该模型的应力分布是相似的传统模式。然而,考虑到压力张量的影响,提出了模型的耗散更快速和压力的变化更大。最重要的区别是,分布 , , 表现出一定程度的偏差。应力分布偏差被发现明显不同于骨折附近的应力分布在传统的模型中,这种差异有显著影响骨折断裂方向和引发裂缝的延伸。我们可以看到数据8(一个)8 (b)上的剪切应力的分布 - - - - - - 部分表现出顺时针方向偏转与传统模型相比,由于天然裂缝的影响。从对比数据9 (c)9 (d)和数字9(一个)9 (b)位移的分布,在一定程度上被发现偏转的影响下自然骨折。数据10 ()10 (b)A和B的位移概要文件路径,分别。在所有的数据,实线代表提出的模型和虚线代表传统的模型。两个模型的位移趋势是相似的。主要的区别是,有一个更重要的变化在位移的绝对值的影响自然骨折被认为是。

数据(11日),11 (b),11 (c)呈现出 , , 提出了模型的应力分布和传统模型经过5年的生产 - - - - - - 部分,分别。从图我们可以看到,传统模型的应力分布表现出对称分布。的总体趋势与传统模型相比,该模型的应力分布是在良好的协议。然而,应力分布是对称分布的影响下自然骨折,还有一个相对增加应力值的变化范围。

重要的注意力被指向周围的储层压力演化和排水过程中液体复苏,鉴于其意义后者裂缝和完成加密井。变化的方向水平主应力方向对重复压裂的设计有很大的影响。由于渗透率的异质性和天然裂缝,孔隙压力的异质性消费可能导致压力重新定位和变化水平最大主应力的方向。从数据可以看出12(一个)12 (b),一个区域应力差小于0附近观察骨折后一年的生产。此外,这个地区的压力是逆转。它也可以发现,应力差变化时最不是20年最长的生产生活但第十年。这是因为增加在生产生活中,最容易流动的流体区域的生产,而以前的流体相对noneasily流动区域逐渐产生。因此,减少孔隙压力的地区之间的差异,导致压力下降差异和影响范围的增加。数据12 (c)12 (d)A和b的剪切应力资料路径与传统模型相比,该模型的剪切应力绝对值的影响更重要的是通过自然裂缝。

裂缝是最有效的方法之一,后者油藏开发。生产后的储层压力的分布和水平最大主应力的方向是两个关键因素,确定断裂压力、裂缝起始方向,重复压裂的裂缝扩展轨迹。生产过程中的应力演化之前进行了分析。解决方案的最大水平主应力的重新定位的变化( ) - - - - - - 部分,垂直主应力的作用( )被忽视;因此,最初的最大水平主应力的方向图所示13(a)。经过5年和10年的生产,有显著变化的方向 在传统的模型中,改变区域的主应力方向垂直椭圆的形状,而改变的 方向提出的模型是一个斜椭圆的形状。倾斜的程度与天然裂缝的位置。该地区最大的再定位的变化 在水力压裂。与传统模型相比,重新定位的变化 提出了模型中的影响更重要的是通过自然骨折( , )。在传统的模型中,重新定位的变化 是90°(图(14日));然而,重新定位的变化 在该模型是110°的影响下自然裂缝(图14 (b))。类似于应力的变化差异,重新定位的变化是最大的10年,20年。此外,重新定位的范围区域生产时间成正比。

4.3。非平面的Multifracture研究

实际分段multicluster压裂过程中,应力骨折当多个骨折之间的干扰同时扩展,导致案件在中间骨折是克制,双方的骨折是扩展空间的方式。因此,位移不连续法模拟三个集群的扩展轨迹的水力压裂50米的间距。三个液压骨折是骨折。假设这三个集群的骨折通过水库 - - - - - -方向。其他计算参数表中的相同1。在这个条件下,储层应力分布在1、5、10年的生产模拟。图15介绍了孔隙压力分布1后,5、10年的非平面的骨折使用传统的生产模式。域中的孔隙压力分布是轴对称的。然而,天然裂缝的影响下,有一个初始孔隙压力下降沿走向方向的自然骨折,和展览中心对称分布,而不是轴向对称(如图16)。左上角和右下角的域underexploited区域在这种储层地质条件和分布式骨折。

由于空间的裂缝几何形状的影响,生产后的应力分布表现出高的复杂性。不考虑天然裂缝的影响,传统的模型的应力分布是轴对称的。与单一骨折相比,有一个孔隙压力的增加率耗散和压力降低,影响范围的大小的增加,如图(17日),17 (b),17 (c)。压力( )左派和右派的域和压力( )顶部和底部的域支持中部地区的压力损耗的增加。当考虑天然裂缝的影响时,该模型的应力分布表现出很大程度的偏转,如图(18日),18 (b),18 (c)。的挠度应力分布证实了天然裂缝对储层流体流动产生重大影响和生产。

与单一裂缝相比,主应力的分布是更复杂的。重新定位的变化 , ,如图19。由于空间的裂缝几何形状的影响,最大主应力方向的旋转角的传统模型达到135°。在提出的模型中,主应力方向的旋转角附近的裂缝是集中在140°。重新定位地区受自然影响骨折比那些传统的模型。因此,空间的断裂几何和自然的作用下骨折,储层压力的发展往往是复杂的生产过程。从一个比较的数据20(一个)和图(18日),的形象重新定位的变化路径B被发现明显不同水力裂缝几何形状的影响。在生产的第一年,中部地区不转;然而,它将按照生产时间的增加。从一个比较的数据20.和图18有一个相似之处,最大的再定位的变化 发生在第十年,重新定位的变化是与油藏枯竭。

5。结论

完全耦合的三维孔隙弹性模型的基础上,开发了有限元分析的应力演化和压力重新定位在储层非均质多孔介质损耗的过程。在模型中,连续天然裂缝模型用于描述自然裂缝储层流体流动的影响。天然裂缝宽度和有效应力之间的关系被用来建立一个流体集群单一骨折模型和3个集群nonplane骨折模型为例分析。有一个好的协议解析解和数值结果。通过比较传统模型,证实了天然裂缝应力演化有重要影响,周围的排水,在重新定位,改变消耗过程。天然裂缝的影响下,流体在储层天然裂缝的方向更容易恢复,和地区垂直于自然断裂表面容易消费不足。此外,天然裂缝控制流模式下,该模型的应力分布是转移在一定程度上,特别是在非平面的骨折模型。由于天然裂缝的作用,绝对值的压力,位移,应力差模型中相对更大,最大主应力的重新定位的变化方向是明显不同的。考虑天然裂缝后,转向角和转向范围增加。此外,这直接导致显著差异在设计后期压裂的暂堵转向重复压裂技术对传统的水库。 The simulation results revealed that it is very important to consider the effects of natural fractures on the stress redistribution, surrounding drainage, and reorientation in production. The findings of this study can serve as a theoretical guide for the design of refracturing, temporary plugging steering, and infilling wells and help predict the direction of new fractures and the trajectory of fracture extensions.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作提出了中国石油天然气集团公司的主要项目(2016 e-01),国家科技重大特殊Project-Fu凌页岩气开发示范项目(2016 zx05060)和中国国家奖学金基金。

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