验证断裂的重新定位和分析多个压裂处理的影响因素

文摘

骨折将开始沿着最大水平应力方向和传播在压裂处理;裂缝刺激,然而,在新的断裂可能是沿着不同的方向从最初的发起和传播。这是定义为一个裂缝重新定位。很难预测裂缝重新定位由于长期生产后形成的变化特性。验证存在的裂缝重新定位在多个压裂处理并分析其影响因素,提出了实验和数值模拟。首先,多个压裂刺激是自组装大型真三轴仪,进行裂缝重新定位是成功地诱导通过改变注入压力和初始应力在多个压裂过程。然后,流体力学的数值耦合建模的实际领域生产和注入井模式执行。特别是应力反向区域,这表明断裂的距离重新定位,重新定位的影响因素进行了分析。实验室实验和数值模拟结果表明,断裂调整角度获得可以垂直于初始裂缝。应力场和地层压力是两个主要因素影响裂缝重新定位。 With higher pressure differences and lower initial horizontal stress differences, the area in which it is possible to initiate reoriented fracture will be larger. The fractures of wells in the early production stage are hard to reorient due to the high formation and borehole pressure difference, and the fracture reorientation area will be expanded until the pressure difference is low to a certain value. This research result can guide oilfield stimulation treatments.

1。介绍

非常规储层的形成被认为是较低的渗透率和孔隙度,和地下液体渗透在生产过程中是难以实现的。有利可图的生产力可以获得只有通过实现刺激治疗(1,2]。然而,在长期的生产、生产力与最初的压裂井处理将减少由于不当或小规模压裂处理,关闭初始裂缝,罚款堵塞,支撑剂的变形与开裂,井下污染(3,4]。在这种情况下,重复压裂井恢复治疗是一种有效的刺激方法的效率。初始裂缝将重新开放,表面清洗,或在多个压裂支撑剂填充治疗,流量就会恢复甚至提高通过扩展初始裂缝的几何。此外,通过应用适当的压裂材料和大规模压裂处理,将诱导裂缝重新定位和新骨折将发起和扩展方向不同于前一个。这是最好的场景在治疗领域,因为骨折会渗透的地区更残油和更高的压力。

断裂重新定位监控多个压裂刺激领域的治疗。许多研究人员研究了影响因素,导致裂缝重新定位。应力场的变化被认为是在重复压裂裂缝重新定位治疗的主要因素(5]。通过分析压力数据应用领域的情况下,这是表明应力场变化由于支持最初的骨折和枯竭的多孔压力是断裂的主要原因重新定位(6,7]。与理论分析,结果表明,地应力的领域将会改变在生产过程中从现有的初始裂缝,导致新的骨折,将启动和传播方向垂直于前一个8]。最初的储层应力场是之前稳定发展;然而,这种状态将改变钻井之后,压裂液体注入,撤军。区域应力场交替造成的应力反向观察直井和水平井(9,10]。对于复杂的模式,注入井和生产使应力场交替很难预测。指出裂缝重新定位总是在注水油藏注水后由于地层压力的变化(11]。很难评估应力场变化对于那些井复杂干扰由于动态孔隙压力变化在生产和注塑过程。压裂技术的发展,现场和实验室情况下的结果表明,断裂重新定位可以通过适当的诱导压裂技术和方法(12]。已经证实骨折再定位可以很容易地设置引起的穿孔的方向和控制水平应力差在完井和刺激的过程。可以做到这一点,而裂缝萌生和扩展可以人为地引导某些方向(13]。

断裂机制重新定位识别和分类,因为它已成为一个研究重点在引发刺激治疗。压裂井,生产和注入液体会导致地层压力变化,然后,将改变应力场由于孔隙压力的增加或减少。与此同时,它已被证明通过数值模型的应力场是一个重要因素影响压力和生产性能(14]。最初的最小和最大水平应力都将被改变在某种程度上,最低可以超过最大的一个。诱导应力变化最终将形成一个区域初始应力的方向完全相反。这个区域被定义为断裂的应力反向区域重新定位将存在。新的骨折将启动方向垂直于初始骨折逆转地区(15]。基本理论和模型应用于确定骨折的机制和影响因素重新定位在多个压裂治疗。

1995年,骨折再定位引起的应力场变化引起的生产首次提出并解释了基于poroelasticity理论(16]。自那时以来,许多模型深入研究了断裂重新定位的机制和影响因素。分析和数值模型建立计算应力变化从井压裂后治疗,然后,讨论了裂缝长度的影响因素在裂缝处理17]。验证,存在应力逆转加密井周边地区研究注水引起的压力变化后井(18]。耦合模型构建和地应力变化由于生产调查,和模型应用于确定裂缝的正确的时间治疗。同时,影响骨折的存在因素重新定位进行了分析(19]。异构、二维耦合模型研究了应力场变化由于生产和地质参数,讨论了影响应力反向(20.]。数值模型来验证提出了断裂的可能性,重新定位,和采油与断裂的关系重新定位区域也讨论了本尼迪克特和维格纳21]。

基于文献回顾,许多理论研究和现场试验来研究在重复压裂裂缝重新定位治疗的机制。然而,由于很难恢复储层条件和模拟多个压裂处理的复杂过程,很少有研究在实验室物理模拟实现裂缝延伸。因此,重复压裂裂缝延伸的治疗只能通过间接的方式被监控现场测试,很难直观地观察。

本文完成多个压裂处理的整个过程的自组装真三轴仪上可以应用三个独立封闭压力,直接和断裂的样品切片观察复杂的裂缝延伸。然后,数值hydraulic-mechanic耦合建模对于生产和注入井模式模拟基于poroelasticity和多孔内侧流体理论。断裂的主要因素影响再定位进一步研究基于数值模型。研究成果可以指导现场工程师在预测骨折前重新定位操作领域治疗的可能性。

2。在实验室测试中断裂重新定位

实验在实验室里使用一个真正的三轴仪,和多个压裂处理完成在三个独立封闭压力应用于模拟现实的地下条件。通过应用不同的围岩压力和注入压裂液在不同压力、裂缝重新定位是成功地诱导,可以直接观察到切片完成实验后测试样品。

2.1。测试样品和设备

2.1.1。测试样品

的 立方样本制成的人造砂岩防缩灌浆/水泥和沙子,通过# 40或0.42毫米开网。水泥和沙子在混凝土搅拌与水混合,放置在一个立方模具治愈和干燥。两个体积样品准备和采用水力压裂法在不同阶段。人造砂岩的属性如表所示1,在那里是样本密度,孔隙度,渗透率,UCS无侧限抗压强度,BTS是巴西的抗拉强度,然后呢是杨氏模量。自来水和水合物泵油作为压裂液。

2.1.2。测试设备

真三轴仪器使用在实验室模拟裂缝体积样品中重新定位设计和制造在科罗拉多矿业学院的专门为压裂模拟研究。仪器由五部分组成,即真正的三轴细胞,液压泵应用三个主要的压力,数字数据采集系统,声发射监测系统和微型钻井平台。主要部分是真正的三轴细胞由一个刚性圆柱坐标系与刚性板顶部和底部的盖子。通过三个骨头应用围压扁千斤顶液压加压通过手动泵和抵制三刚性板块的对立扁千斤顶。压裂诱导是通过小型套管井底那部分未完成。压裂压力由两个Isco届应用在串联工作。图1显示了一个示意图组装的真三轴压裂系统与多个位置。详细信息真三轴系统的设计和运行中可以找到陆et al。22和垃圾等。23]。

2.2。实验程序

实验过程来模拟岩石的断裂重新定位包括四个主要步骤为一个模拟阶段:(1)样品制备和设备装配,(2)模拟储层条件通过应用围压力的三个样本的脸,(3)模拟压裂处理的越来越大的压力在注入井使用Isco泵,和(4)期末测验分析样品切成薄的切割和成像诱导骨折(年代)。骨折引发和传播过程实时监控喷射泵的压力,通过声发射传感器。初始应力应用于样品和声学传感器的位置如图所示2。年代₁~年代₆六个AE传感器; , ,和最小水平应力、最大水平应力和垂直应力,分别。

五个水井钻探在示例1以下测试过程:(1)垂直,最大水平,和最小水平应力将16日12日分别和8 MPa。然后,中间是骨折与水的流量0.5 mL / min。注射泵停止观察压降时,这表明骨折已经启动,或当声学排放表示开始破裂。(2)流量增加到30 mL / min术是样本。(3)压裂液注入恒定井底压力的四个边缘井井防止裂缝扩展到角落。然后注入一个稠油中间,和泵一直运行,直到断裂传播接近样品的边缘。(4)主要和次要的水平应力旋转90°,和中间注射流率增加到20毫升/分钟。图3显示了在三级压裂过程中压力随时间变化。

三个钻孔钻在示例2中使用以下过程:(1)三个主要强调将示例1中的大小一样。然后,角落里的井被加压以恒定流量0.5毫升/分钟。泵一直运行直到骨折完全传播。(2)高粘度流体注入流体被改变。中间断裂了恒流率高的30毫升/分钟,和泵停止尽快开始破裂发生根据压降或声学排放;然后,油井压力被释放了。(3)压裂液注入中间好保持恒定井底压力恒定压力,然后,另一个角落是断裂的。图4显示了多个压裂过程中压力随时间变化。

2.3。实验结果和分析

压裂测试后,样品被切成薄的水平部分约2.75厘米厚度直接观察诱导骨折。切部分显示骨折的直接证据改变初始应力场引起的重新定位和注射压力。示例1,骨折发起第一次压裂处理,然后在二级传播压裂治疗。通过旋转方向的初始水平压力,第二个骨折发起的方向垂直于初始裂缝,然后传播,如图5。裂缝延伸也坐落于声发射三维散点图所示,它显示了一个高对应的AE信号orthogonal-induced骨折。不同颜色的斑点显示每个压裂的裂缝位置的治疗。反压力应用到角落井井表明断裂分割的角落。

断裂位置的声发射事件样本在多个压裂表明裂缝萌生和扩展,每个压裂处理,同意切片的观察样本。

如图6,发起多个微小骨折在中间,和这些骨折的启动方向是压裂复杂的高流量。观察骨折,骨折后压力释放后尽快启动,避免主裂缝相交的微小骨折。裂缝延伸通过声发射显示的三维散点图。同样的应力场,2之前骨折1,沿着最初的最大水平应力断裂传播。然而,1是不同的裂缝延伸与应用反压力的2因为1和改变应力场。这是一个复杂的过程,因为骨折发起和传播方向可以受到很多因素的影响。

2.4。骨折再定位机理分析

可以从实验验证,断裂重新定位的过程发生在重复压裂操作,和新的骨折可以启动角度不同于最初的一个。在裂缝处理、注射压力、井底压力分布和干扰都是重要的因素,确定了新的骨折的方向。在应用过程中,孔隙压力在底部也将大幅增加高压液体注入。然而,由于初始裂缝的存在,在平行方向的孔隙压力与初始裂缝增加超过在垂直方向,导致不平衡的最小和最大水平应力增加。如图7,内部的应力反向区域形成决定了断裂的起始方向重新定位。

然而,这是不够的领域应用才有新的骨折发起和调整。重要的是骨折必须传播和扩展到远场远离底部。骨折的传播距离重新定位是由周围的应力场和远离底部。这个应力反向区域由应力场决定远离井井底液生产和注入引起的,和外椭圆应力反向区域决定了裂缝的扩展距离重新定位,如图7。

基于上述实验结果的解释和断裂重新定位机制,它可以表明,将启动新的骨折周围油井井底裂缝处理过程中。通过应用高流量的原位注射液体和改变应力场在一个小规模的样品在实验室的测试中,更容易创造新的调整骨折。面向穿孔是一种常见的技术在治疗领域,但很难模拟小规模立方样品在实验室里,特别是在重复压裂的治疗。然而,它可以推断出,与定向射孔技术在现场治疗,骨折将在启蒙时期很容易调整。正如上面分析的,如果外应力反向区域很小甚至不存在,新的骨折将沿原方向传播。为了识别的距离调整骨折,有必要研究遥远的应力场分布将不同由于长期生产和注入,这是被称为多孔弹性效应引起的应力变化。因为它是不可能模拟样本足够大的多孔弹性效应的研究中,数值模拟中使用以下扩展实验结果。

3所示。流体力学的耦合建模

正如上面提到的,液体撤军的形成和注射会导致压力变化,将导致应力场的变化;地层应力场决定了重复压裂裂缝萌生和扩展的治疗方向。同时,扭转应力区域的面积确定裂缝延伸的距离。因此,研究应力场引起的孔隙压力是一个重要的任务在多个压裂治疗。后引起的应力分布进行了较深入的研究最初的压裂处理,数值耦合流体力学的模型的生产和注入井模式模拟研究相关因素的影响,应力反向区域。

3.1。多孔弹性模型

的变形多孔介质饱和液体由应用有效应力控制。应变张量之间的关系和多孔介质的体积应变可表示为: 在哪里是多孔介质的应变张量,多孔介质的位移,多孔介质的体积应变,应变张量的跟踪吗 。

线性多孔弹性介质,基于有效应力原理,有效应变的关系,整体应力和孔隙压力可以表示为: 在哪里有效应力张量(MPa),总应力张量(MPa),多孔介质的孔隙压力(MPa),是毕奥多孔弹性常数,和是二阶单位矩阵。

弹性多孔介质的运动的动量方程可以得到平衡:

当岩石达到机械平衡的状态,质量点的速度为零,所以第一方程表达式为零。通过结合情商。3),上述方程可以表示为:

然后,将情商。1和情商。2与上述方程收益率): 在哪里多孔介质的剪切模量, (MPa),泊松比,是瘸子常数(MPa)定义为 。

3.2。流体在多孔介质模型

本文的水力响应储层建模为两阶段非混相流体流动。模型应用于揭示储层孔隙压力变化在流体注入和生产流程。考虑多孔介质的变形在注水过程中,多孔介质骨架的运动速度和实际速度的孔隙流体在多孔介质的流速和液体和多孔介质的变形速度。

在哪里是多孔介质中流体渗流速度(米/秒),是液体和多孔介质之间的相对速度(米/秒),是多孔介质的变形引起的速度(米/秒),是达西渗流流体的速度(米/秒),然后呢液体的饱和阶段吗 。

因此,液相的绝对速度在流体力学的耦合模型可以表示为:

根据质量守恒定律,两阶段油/水渗流的连续性方程可以表示为: 在哪里是液相的体积系数(在米³/ m³),的流量注射或产生液体在标准条件(m³/ d)。

结合情商。8和情商。9)收益率: 在哪里是液相的粘度(mPa·s)和是液相的流动(在10³μ米²/ (mPa·s))和被定义为 。

上述方程可以扩展为:

岩石孔隙体积压缩系数的因素,油和水,可以定义,分别为:

从多孔介质的连续性方程,可以获得应变和位移之间的关系为:

结合情商。11),情商。12),和情商。13)与情商。10),乘以液相饱和度方程 :

压力方程可以通过油相结合的情商。10)。

含油饱和度和含水饱和度的关系可以表现为:

上面所描述的的耦合流体力学的模型方程可以离散有限元方法解决。

3.3。模型和边界条件的耦合

3.3.1。的压力和渗流耦合人工裂缝区域

裂缝宽度和压力之间的关系可以表示为24]: 在哪里是人工裂缝的宽度(米)是初始人工裂缝宽度(米)是正常的人工裂缝刚度(MPa / m),然后呢在断裂表面有效正应力作用。

基于渗流模型的两个平面板、裂缝渗透率和裂缝宽度之间的关系可以表示通过使用平行板法:

无因次骨折电导率可以被定义为实时骨折电导率之比和初始裂缝传导性。

3.3.2。岩石的应力和渗流场的耦合矩阵

多孔介质的孔隙度定义为: 在哪里多孔介质的总量(m³),是多孔介质骨架体积(m³)。结合体积应变、动态孔隙度可以被定义为:

基于毛细管束模型,动态渗透率可以定义为:

3.3.3。边界条件

多孔弹性模型的边界条件包括位移边界条件和压力边界条件。位移边界条件的初始时间水库可以显示为:

应力边界条件的初始时间水库可以显示为: 在哪里压力在正常的方向, ,MPa。

基于渗流理论、渗流模型的边界条件包括初始条件和边界条件。渗流模型的初始时间条件可以显示为:

内部和外部边界条件包括狄利克雷和诺伊曼条件。狄利克雷边界条件下应用时,液体压力是已知的边界,和诺伊曼边界条件应用液体压力梯度的正常方向外边界。

3.4。模型实现和基本参数

模型假设包括多孔介质中的达西流,忽视了毛细力和重力,忽略了温度的变化,只有线性弹性变形的岩石和没有压裂在生产过程中发生。

COMSOL多重物理量为离散化和实现耦合流体力学的应用模式20.]。仿真中使用的所有数据收集从一个典型的低渗透储层,并在模型中使用的基本参数如表所示2。

菱形的反向名井网广泛应用于低渗透油藏的开发,为方便数值模拟和研究目标井的干扰,这种方法在选择井数值模拟,如图8。两个井不同位置设置为目标井的详细研究;P3是优势和P5角落。

4所示。结果和参数分析

4.1。模型结果

研究断裂的地层压力变化在注水油藏直井,井网的模型模拟生产3000天。最大水平应力的变化,原岩应力,菌株在最初的最小和最大水平应力方向(和轴)分析了不同领域发展时期。图9显示了最大应力分布在不同的发展时期。图10显示了最小应力分布在不同的发展时期。图11显示了剪切应力分布在不同的发展时期。

通过分析不同位置的应力分布,发现应力变化主要是在油井和水井。压力小的区域周围形成破裂油井由于液体生产造成的压降,而高压地区水井周围形成是由于高压注水引起的。骨折周围的压力梯度高的油井和水井。通过分析应力分布在不同的发展时期,压力变化与发展,增加水井和减少周围油井。

在不同发展时期的最大应力方向如图所示12,最初的时候是沿着传播方向的断裂。在早期,在所有油井压力急剧变化的方向,改变方向的扭转应力是垂直于初始方向,应力方向是改变了井筒的径向方向。midperiod,应力反向区域扩张而中间的面积远远大于井。末时期,水井周围的应力变化主要和井筒的径向方向扩展,应力反向区域减少,然后得到稳定的井边,虽然增加,然后得到稳定的中产。

4.2。参数化分析

最初的原位应力的影响和流体压力,这被认为是主导因素,影响裂缝延伸和应力反向区域,本文将分别进行分析。

4.2.1。准备初始水平应力

调查强调骨折再定位的影响,模型与不同比例的最大和最小水平应力的1.02,1.04,1.06,和1.12模拟。摘要无因次裂缝重新定位因子( )被定义为等效半径的比值的逆转地区和半身的初始断裂。下图所示的结果。数据13和14显示无因次裂缝重新定位因素变化与不同初始水平应力比边缘和中间,分别。

可以看出,边缘井、无因次裂缝重新定位因素最大,然后随时间增加,而随初始水平应力比增加而减小。这意味着最初的水平应力比影响不大时应力反向地区变得稳定,而影响应力反向距离。中产,无因次裂缝重新定位的因素增加,然后降低随着时间的推移,它也随初始水平应力比增加而减小。小水平应力比更有利于骨折再定位。

4.2.2。流体压力

之间的压力差储层形成和油井底部是由注射压力和生产油井底部的压力。模拟执行,底部与注射压力设置为6 MPa的压力30日25日和20 MPa。另一组模拟进行使用注射30 MPa的压力和底部压力6、7和8 MPa。数据15和16显示无因次裂缝重新定位因素变化与不同生产压差对边缘和中间,分别。

中间,用同样的底部压力,无因次逆转距离与较高的注射压力增加,当压力低于25 MPa底部。储层压力耗尽,开发过程中压力梯度很小,导致无量纲逆转距离逐渐增加然后减少。边缘井、无因次逆转距离随时间增加然后减少。相同的参数与较高的注射压力增加,这意味着更高的生产压差、产量大,引起的压力变化和断裂重新定位更容易因高水平应力差。

相同的注射压力,中产,无量纲应力反向距离增加而高生产底压在同一发展时期。高底/ 8 MPa的压力,压力很难逆转发生在生产井由于低压差(9 MPa)的原始储层压力和应力反向地区扩展到900天的生产时间。的边缘,无量纲应力反向距离随时间增加然后减少。相同的参数增加而降低生产井的井底压力。与底/ 8 MPa的压力越高,压力很难逆转,直到生产时间为100天。结果表明,边缘的应力变化好快比中间。

5。结论

在重复压裂裂缝重新定位治疗的机制进行了研究,并提出两个应力反向区域的概念。物理实验室测试和数值模拟,验证了断裂重新定位是在底部,存在裂缝扩展影响距离和影响因素进行了分析。(1)两个应力反向区域影响压裂裂缝提出了治疗:治疗内一个深受压裂参数在应用过程中,外一个是影响水库的发展(2)骨折引起的重新定位是改变初始应力场和注射压力真三轴压裂系统在实验室测试。调整骨折可以达到的方向垂直于初始裂缝(3)在新骨折应用治疗,很容易发起和调整井底部通过控制压裂参数,验证了实验结果(4)的传播距离调整骨折是由多孔弹性效果,初始应力场与孔隙压力的变化会改变,和外应力反向地区形成决定了压裂裂缝调整距离治疗(5)产生的应力场和注射压力的主要因素是影响应力反向区域,和调整骨折的传播将不同由于不同的位置

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

作者声明没有相互竞争的利益。

确认

这项研究得到了国家重大科技项目(2017 zx05009 - 001, 2017年2017 zx05069 zx05072)。

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