页岩气储层四维地应力演化及加密井复杂裂缝扩展研究进展

油气藏流体运移及地层岩石形变贯穿油气开发始终,是油气开发的核心科学问题。页岩储层天然裂缝发育、地层流体流动机理多样、岩石力学参数呈现非均质性和各向异性等特征,致使页岩气储层气藏渗流—地质力学耦合问题异常复杂。页岩气井生产过程中井筒周围储层产生不同程度的压降,扰动压降区的原地应力,储层应力随开采时间不断演化,即四维动态地应力。准确预测页岩气储层四维动态地应力场是页岩气加密井压裂和重复压裂设计的前提。因此,本文系统总结了油气藏渗流—地质力学耦合及加密井裂缝扩展的数值模拟方法,深入讨论了页岩气藏多场耦合模拟进展和最新研究成果。目前油气藏渗流—地质力学耦合模型多种多样,按照耦合求解形式可划分为全耦合、顺序耦合、单向耦合及拟耦合,通过一种或多种软件结合实现复杂的耦合计算,但各类计算方法的计算时效性及适用性存在差异。由于页岩储层地质特征复杂,目前四维地应力演化模型在传统模型基础上进行了改进,其主要为基于全耦合方法的连续介质模型和离散裂缝模型,以及迭代耦合模型。页岩气开发过程中,三向地应力随孔隙压力的减小而降低,应力方向也会随之发生偏转。相对于连续介质,裂缝会影响储层地应力分布规律和变化趋势。这种地应力状态演化会使加密井裂缝扩展发生偏转及产生"Frac-hit"现象,并引起"微地震屏障"效应。页岩气藏开发过程中的储层渗流—地质力学耦合及裂缝扩展研究是多物理场、多维度、多尺度的耦合问题,本文建议深入研究地质工程一体化的解决方案,开展四维地应力演化条件下页岩气藏水平井重复压裂及加密井压裂过程中复杂裂缝扩展机理研究、页岩气储层立体化开发复杂裂缝空间干扰机理研究、重复压裂及加密井压裂时间优化研究,以及水平井压裂套管损伤机理研究等,为我国页岩气藏的持续高效开发提供理论支撑。

致密砂岩气水两相流固耦合裂缝动态闭合分析半解析模型

在致密砂岩气井压裂液返排和早期生产阶段,由于支撑剂回流和储层压降易于造成裂缝不同程度的闭合,从而导致产能的部分损失。为了分析这一关键问题,提出了用于预测压裂液返排和致密气藏早期开发产能的渗流—地质力学方程组完全耦合的半解析数学模型及求解方法,该方法可用于捕捉裂缝的动态行为并获取相关重要参数,以优化致密气开发策略。其中,结合致密气井普遍产水的矿场实际,建立了裂缝系统气水两相渗流方程组;根据裂缝表面不同受力关系,分别建立了人工裂缝与天然裂缝的力学方程,采用了裂缝开度与作用于裂缝壁面的接触应力间的非线性关系描述裂缝闭合;以迭代耦合方式求解渗流—地质力学耦合系统,采用了有限差分法对裂缝内流动求取数值解,获取裂缝的传导率初始分布,通过位移不连续法计算裂缝开度变化,并在渗流方程组中更新迭代以得到气水两相的流体压力与饱和度分布。将该模型与经典解析解及商业模拟软件的计算结果进行对比,验证了解的准确性。将其应用于鄂尔多斯盆地东缘某致密气田的实例井分析,研究表明:在返排及开发早期阶段,裂缝开度随着缝内压力降低而逐渐减小,在井筒射孔点、裂缝相交处、裂缝尖端更容易趋于闭合;由于裂缝成因不同,人工裂缝与天然裂缝有着不同的闭合机制,受支撑剂作用的影响,人工裂缝闭合程度要明显小于天然裂缝;通过拟合实测生产历史数据,能有效评估裂缝的关键参数。该研究对于综合利用早期生产数据准确预测气井产能及控压生产理念的提出具有重要的理论和现实意义。