基于应力-渗流-损伤多场耦合的清水压裂机理及储层筛选研究

Waterfrac is vast applied in low permeability oil-gas and shale gas filed exploiting and development, and gained extremely economic benefit. But owing to the limit of the reservoir stress, permeability and intensity of the rock, not all low permeability reservoirs and hale gas filed are suitable for waterfrac. Now, the reservoirs are screened by actual fracturing operation data, which can not completely reflect the influence of each factor rule and weight, leading to the failure or little effective of many waterfrac. For this problem, the stress-seepage-damage coupling model is established. The damage evolution, open crack mechanism, extension mechanism and deformation character in non-heterogeneity, anisotropy and with weak structural surface formation are simulated, then the fracture network form mechanism is revealed. The waterfrac self-supporting fracture surface combination is prepared by splitting the core, the flow conductivity of the different permeability and the different strength core under different confining pressures is tested, the formation conditions of the residual fracture width are determined. Through introducing the fractal theory, the different roughness coefficient cracks wall combination is established. The crack wall stress distribution and deformation when relief pressure process is simulated, the residual fracture width is calculated. Finally, a set of flow conductivity and productivity prediction method, reservoir screening method, the effects of increasing evaluation method will be provided, it can guide the construction parameters design. It is more targeted and stronger reliability than statistics method.

清水压裂在低渗透油田增产措施和页岩气开采中广泛应用,并获得了极大经济效益，由于受到储层地应力、岩石强度等地层条件的限制，并不是所有低渗透和页岩气都适合清水压裂，目前国内外都是以实际压裂施工数据统计进行地层筛选，而统计法不能完全反映各因素的影响规律和权重，导致许多清水压裂施工失败或见效甚微。针对该问题，将理论分析、室内和现场试验相结合，建立岩石应力-渗流-损伤多场耦合作用的本构模型，模拟非均质性、各向异性和含有软弱结构面地层压裂过程中地层岩石的损伤演化过程及裂缝开裂、扩展规律和位移情况，揭示缝网形成机制；将岩心劈裂造缝，实测不同渗透率和不同强度岩心在不同围压下的导流能力，确定地层岩石残余裂缝宽度形成条件；用分形方法描述压裂裂缝壁面的粗糙度，模拟计算泄压后残余裂缝宽度。最终将给出一套导流能力和产能预测方法、储层筛选方法、增产效果评价方法并指导施工参数设计。该方法与统计法相比针对性和可靠性更强。

由于传统冻胶压裂具有成本高、二次伤害大等缺点，达不到预期的压裂改造效果，近年来出现了清水压裂技术，利用用在清水中加入降阻剂、活性剂、防膨剂或线性胶作为压裂工作液来进行压裂作业，在部分储层取得了较好的应用效果，但并不是所有低渗透地层都适合，一些井压裂施工失败或见效甚微。由于清水压裂工艺技术的特殊性，压裂过程中裂缝的起裂、延伸和闭合机理与常规加砂压裂有较大的区别，深入的认识自支撑压裂机理，建立相应的储层筛选方法，是促进自支撑压裂推广应用的前提。基于该问题，项目以大庆油田外围低渗透储层为研究对象，开展了以下工作。.（1）对大庆外围古708-68-70、朝103和杏11-51-丙242等井开展了三轴应力、巴西劈裂、断裂韧性和电镜扫描实验，获得了岩石弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、断裂韧性等力学指标，并绘制了莫尔强度包络线，计算了内聚力和内摩擦角，获得了岩石的宏、细、微观结构，建立了数学表征和数值重构方法。.（2）建立了清水压裂应力-渗流-损伤多场耦合作用的本构模型和裂缝起裂、扩展判别准则，并利用有限元方法，模拟了自支撑压裂的裂缝起裂、转向和扩展过程。清水压裂自支撑裂缝同时存在拉伸和剪切两种断裂形态，裂缝转向角和滑移距离由储层非均质性、地应力偏差及裂缝方向与主应力夹角等因素共同影响，缝网的形成主要受到天然裂缝系统和地应力差值控制。.（3）揭示了自支撑压裂泄压返排过程中自支撑裂缝闭合机制。利用分形插值方法，构建了自支撑压裂裂缝壁面，并引入数值模拟，获得了返排闭合过程中不同粗糙度的自支撑裂缝壁面在啮合和错动状态下的接触应力云图、应变云图和闭合残留宽度，确定了自支撑压裂裂缝残余裂缝宽度形成机理。.（4）建立了自支撑裂缝导流能力测试及储层筛选方法。通过对岩石试样劈裂、错动，制备符合自支撑裂缝闭合形态的试件，建立了自支撑裂缝导流能力的测试方法，并以增产倍数和无因次导流能力为评价指标，形成了自支撑压裂储层筛选方法和评价标准，并应用于大庆外围低渗透储层，指导了清水压裂施工参数设计和现场施工。.上述研究成果深入认识了大庆外围低渗透储层的基本物理力学特性和地应力特性，揭示了清水压裂裂缝扩展机制、闭合机制、导流特性及储层筛选方法，为清水压裂推广应用，提供了支撑。