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薄砂泥岩互层复杂裂缝扩展数值模拟——以胜利油田页岩油藏为例

ARMA21–1729

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作者：HaiyanZhu,ChuhaoHuang,XuanheTang

摘要：体积压裂已成为胜利油田页岩油藏开发的有效技术。对于含薄泥岩的多层致密砂岩储层，有效控制裂缝高度和利用应力干扰是形成复杂裂缝网络的关键。本文开发了一个二维裂缝传播模型。有限离散元法用于描述裂缝的传播。在该模型中，岩石基质单元被离散化以获得离散断裂网络（DFN）。DFN模型考虑了天然裂缝。然后，嵌入零厚度粘性元素来表征天然裂缝和水力裂缝。采用新的牵引分离定律来描述水力裂缝的损伤过程。莫尔-哥伦布破坏准则适用于天然裂缝。裂缝中的流体流动由润滑方程建模。最后，采用显式积分算法求解流动-应力-损伤耦合有限元方程。以胜利油田页岩油藏为例，研究裂缝扩展行为。

1前言

页岩油具有巨大的开发潜力，已成为中国非常规油气勘探开发的热点。许多页岩油藏出现在层状岩石和明显层面（BP）的地层中。此外，各层的应力、岩石性质和界面强度也不同。由于储层的地质力学特性，水力裂缝(HF)的传播机制十分复杂。现场压裂处理表明，即使注入速度很高，裂缝高度也很难达到预测值。水力压裂过程中的微地震监测也表明，高频波在高度方向上的传播并不理想。大量压裂处理案例表明，在富含层面的地层中，水力裂缝的渗透能力有限，这限制了页岩油开发的效果。

随着水平钻井和水力压裂技术的快速发展，水平井体积压裂正逐渐应用于致密油增产。但目前，高频波在水平井中的传播机制仍然难以捉摸。因此，研究薄夹层中裂缝的传播机制具有重要意义。

在过去的几年里，当裂缝遇到层面时，在现场观察到了一些典型的现象，包括拦截、穿越或跨过。此外，为了研究多层储层中的裂缝扩展行为，已经开发了一些数值方法，包括边界元法（BEM）、位移间断法（DDM）、有限元法（FEM）。

尽管对层状地层中的裂缝进行了广泛的研究，包括现场观测中的统计分析和许多数值方法，但很少有研究清楚地研究了薄砂页岩互层地层中裂缝的传播机制。此外，对于水平井的多簇压裂，处理参数，特别是簇间距，对裂缝扩展有很大影响，这有望在页岩油开采中得到研究

因此，本文基于有限离散元方法建立了二维裂缝扩展模型。该方法通过离散岩石基质元素，使水力裂缝能够在任意方向上传播。首先，在两个相邻的矩阵元素之间嵌入零厚度内聚元素来表示层面。然后，通过将线性和非线性塑性损伤演化相结合，使用新的牵引分离定律来描述高频的应力-应变关系。裂缝中的流体流动由润滑方程建模。最后，采用显式积分算法求解流动-应力-损伤耦合有限元方程。基于该方法，以胜利油田的一口典型页岩油井为研究对象，探讨了多簇条件下地层裂缝扩展问题。

2裂缝扩展模型

如图1所示，三角形固体单元用于表示岩石基质。假设岩石基质是不透水的弹性介质，流体只能在粘性单元中流动。水力压裂裂缝扩展模型主要包括以下三个部分：（1）层划分；（2）裂缝扩展；（3）流体压力引起的岩石基质变形；（4）裂缝内的流体流动。

图1二维有限差分电磁的基本理论

没有离散化的连续实体（具有共享节点）；（b）离散化后的实体元素（无共享节点）

岩石基质离散化

在有限离散元方法（FDEM）下，岩石基质单元离散化的主要过程如图2所示。首先，两个实体元素（E1和E2）在离散化之前有两个共享节点（N1和N2）（图2（a）），节点按逆时针方向编号。然后，节点N1和N2被复制以生成两个新节点（N3和N4）。这样，两个实体元素（E1和E2）用自己的节点分开，也就是说，它们现在没有共享节点（图2（b））。

接下来，将两个相邻的边（如边N1-N2和N3-N4）用作内聚元素的顶部和底部边（图2（c））。N1和N4的坐标平均值用于生成新节点N5（N6与N5相似）。最后，任意两个实体单元都完成了离散化，并生成了孔隙断裂单元（包括节点N1~N6）。需要注意的是，节点N1~N4仅涉及裂缝扩展的计算，节点N5~N6仅涉及压裂液流量的计算。

图2岩石基质单元的分散和孔隙断裂单元的插入

控制方程

（1）裂缝扩展

CZM由Dugdale（1960）和Barenblatt（1962）提出，以避免断裂尖端的奇异性。它假设断裂尖端包括几个断裂过程区（FPZ），并使用牵引分离定律（TSL）来描述断裂的应力和应变行为。牵引分离定律将断裂扩展过程分为三个阶段：（1）萌生和硬化；（2）进化与软化；（3