OptimizingFractureSpacingandSquencinginHorizontalwellFracturing选编.docx

水平井压裂裂缝间距和压裂顺序的优化 摘要 在非常规(低渗透率)气藏中,大部分都使用了经过多级压裂的水平井。射孔段位置以及横向裂缝的数量和方位对油井产量都有较大影响。 裂缝张开后将会导致地应力的重新分布。在这篇文章中，由于多条裂缝会产生应力干扰，利用3D数值模型计算了压裂水平井地应力反转程度和新的方位。计算结果已经用来分析其对多水平井进行同时压裂和顺序压裂的影响。 我们的结果表明，水平井的横向裂缝可能会在原先的压裂方向上有所偏转。我们也定量地分析了油藏的力学性质对地应力转向程度的影响。这篇文章也考虑了产油层的隔层，但产油层与隔层的力学性质都不尽相同。我们同样也观察了裂缝在隔层纵向上的延伸。 随着压裂裂缝数量的增加，应力之间的干扰和转向越来越剧烈，同样压裂顺序对其也有影响。我们在Barnett页岩区块进行了3条裂缝压裂顺序的研究：???a）顺序压裂，（b）交替压裂，（3）相邻井同步压裂。需要计算压裂裂缝的间距，来防止裂缝在延伸过程中出现偏转，对于三种不同顺序的压裂技术，交替压裂和拉链式压裂对提高水平井产量有着潜在的优势。 前言 在过去几年里，在Barnett以及其他页岩区块和致密气区块，新钻的井都是水平井。压裂这些井主要利用滑溜水进行压裂。水平井都需要从跟部到趾补进行多次压裂。现在，已经研发了新的压裂技术来有效的开发油气藏（Mayerhofer et al. 2010）。对多条平行的相邻水平井进行同时压裂（也叫同步压裂或拉链式压裂），目的是在油藏中形成更为复杂的缝网（Muta-lik and Gibson 2008; Waters et al. 2009）。 当在页岩区块中布置多条横向裂缝时，尽可能的减小裂缝间距对于尽快提高商业产量和充分开发油藏及其重要（Cipolla et al. 2009），但是射孔蔟的间距被已压开裂缝之间的应力干扰所限制着（Soliman and Boonen 1997）。由于力学干扰，裂缝的条数和间距极大地影响着裂缝的几何形状和宽度（Cheng 2009）。受最大应力干扰的中间裂缝，将会在导流能力和裂缝宽度上有所减小。我们应当充分了解应力分布和断裂力学来防止油井出砂、纵向裂缝的延伸和裂缝偏离原来的方位。天然裂缝的出现也影响着裂缝的延伸，从而将压裂裂缝的路线变得复杂，这取决于压裂裂缝的最优方向，以及净压力相对于水平主应力的重要性。 先前的论文对于诱导起裂的应力干扰的研究主要集中在单条裂缝的影响（Siebrits et al. 1998）。通过解析求解方法，Soliman和Adams（2004）计算了多条裂缝对于净压力和应力差的影响。随着顺序压裂裂缝数量的增加以及裂缝间距的减小，所有的数量都在增加。假设有一个均质的单一产层，而且假定隔层除了能够阻挡裂缝继续延伸外不起任何作用，基于位移不连续法计算了三条横向裂缝的水平面应力场和裂缝的几何形态（Cheng 2009）。微地震裂缝监测证明了多条裂缝之间存在应力干扰。这有时被称作为应力阴影效应（Fisher et al. 2004）。当多条裂缝同时延伸时，裂缝阴影将会限制井段中部裂缝的延伸，但是会促进井段跟部和端部裂缝的延伸。现场经验表明最佳的射孔蔟间距至少为裂缝高度的1.5到2倍，才能够限制裂缝之间的干扰（Ketter et al. 2008）。 支撑裂缝应力干扰的3D模型 我们将结果统一起来是为了说明我们已经掌握了模拟的基础理论。通过比较单一裂缝几何形状的现有分析模型（Sneddon and Elliot 1946），已经证实了数值模拟的有效性。现有模型的重要性在于能够评估隔层对裂缝宽度的影响，其最终也能影响由支撑裂缝而产生的应力干扰。已经被识别的无纲量参数是裂缝纵横比（hf/Lf）、产层的泊松比（Vp），裂缝穿透比（hp/hf）（产层半厚），以及杨氏模量（Eb/Ep）。在接下来的文章中将会讨论它们对应力差以及对应力反转区域大小的影响。 模型组成。模拟的裂缝的几何形状如图1所示。模型包括油藏隔层，以及由于油藏半厚小于裂缝半宽（hphf），并没有把所有的裂缝形态都包含在内。产油层的隔层所拥有的力学性质（Eb，Vb）和产层的力学性质（Ep，Vp）不同。 连续3D模型介质的力学特征由数学平衡方程（Eq.1），应变定义等式（Eq.2）以及结构方程（Eq.3）来描述。15个未知数（6个应力与6个应变，加上3个速度矢量V）利用15个节点的有限数值差分等式来算出。爱因斯坦求和约定适用于指数i、j和k，相应的值分别为1、2和3.： 图1—产层多条横向裂缝的3D模型 产层是均质的、各向同性的和纯弹性的。胡克定律关于应变和应力的等式为： 这里： 在裂缝表面有一个恒定应力，其值等于净压力Pnet加上地层最小水平应力Smin。值得注意的是，在裂缝表面的恒定应力和保持裂缝宽度的压力w0相等