水平井压裂储层应力场研究进展及趋向

官 兵，陈双庆



水平井压裂储层应力场研究进展及趋向

官 兵，陈双庆

（东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318）

通过全面梳理相关领域的研究成果，厘清了水平井压裂过程中的主要应力计算模型，明确了扰动应力场的影响因素及其扰动机制，指出了水平井压裂应力场研究的未来发展方向，为后续水平井压裂应力场的深入研究提供了一定的参考和指导。

水平井压裂； 应力场； 计算模型； 影响因素； 扰动机制

十多年前，Maxwell[1]和Fisher[2]指出了裂缝缝网规模与压裂增产效果呈正相关关系。因而有效利用压裂应力场形成复杂缝网是提高水平井油气产能的重要途径。目前已有学者开展了一些相关研究，但研究内容和侧重各不相同。本文旨在通过对国内外水平井压裂应力场方面的研究成果进行归纳总结，了解水平井压裂应力场的研究进展，指出研究领域未来的发展方向，为后续水平井压裂应力场的深入研究提供了参考。

1 水平井压裂应力场计算模型研究

水平井压裂应力场是流-固-热多场共同作用的结果，其中包括原地应力、井筒内压、压裂液渗滤、裂缝诱导应力以及热效应等因素所引起的应力变化。针对这些作用应力的研究早已取得了一定的成果[3-5]，目前均已推导出了成熟并且广泛应用的计算模型。视储层岩石为多孔弹性介质，归纳水平井压裂后的应力场可分为近井筒应力集中效应、裂缝诱导应力场以及其他附加应力三个部分进行分析。

1.1 近井筒集中应力场计算模型

1.2 压裂裂缝诱导应力计算模型

图1 多裂缝诱导应力场分布示意图

2 水平井压裂应力场影响因素研究

水平井压裂过程受控于多种因素的共同影响，通过总结国内外学者[6-9]多年来的研究成果可以将其划分为三类：地层参数、裂缝参数以及施工参数。

2.1 地层参数

地层本身的矿物组成与内部结构特征是影响地下储层应力分布的基本因素，其对应力场扰动的具体影响特征可利用地层参数来表征，其中包括岩石的弹性模量、泊松比、原始水平主应力差以及天然裂缝、节理的分布等。

表1 地层参数应力扰动机制

注：其中以一条压裂人工裂缝的裂缝中心为参照原点。

2.2 裂缝参数

水平井压裂裂缝本身会产生应力影效应，应力影效应与原地应力场叠加，使水平井周围的应力场受到扰动，不同的裂缝参数所产生的扰动机制不同，其中包括裂缝净压力、裂缝长度、裂缝间距、裂缝条数以及裂缝形状等。此外裂缝走向与水平井筒间的夹角也是压裂应力场的扰动因素之一。

表2 裂缝参数应力扰动机制

注：其中以一条压裂人工裂缝的裂缝中心为参照原点。

2.3 施工参数

水平井压裂施工过程中，不同的压裂液类型及用量、支撑剂类型及浓度和泵的排量等施工参数会不同程度地影响井筒内液柱压力以及其向储层的渗滤情况，从而改变井筒内压和压裂液滤失所产生的附加应力。但是这些因素都是地面可控条件，通过室内试验和现场应用均已确定较优的控制范围。

目前水平井压裂应力场的研究重点仍然集中在储层岩石力学参数的测量计算以及井筒裂缝参数的优化配置方面。

3 水平井压裂应力场研究发展方向

水平井压裂应力场研究已经取得了众多研究成果，但仍可以在以下几方面进行理论创新。

（1）现有应力场计算模型对于近井周围应力场计算和裂缝诱导应力场计算的研究已经较为完善，但都是基于假设理想情况而言，在考虑多物理场间耦合作用的前提下，建立更加接近真实储层应力场的有效计算模型仍是未来的研究方向之一。

（2）地下储层应力分布受扰因素众多，而储层本身的多尺度构造影响效果更是显著，岩石内部的微观缺陷、节理、裂隙以及天然裂缝的描述表征对于还原真实储层环境，分析应力扰动变化规律具有重要意义。

（3）地下环境复杂，压裂裂缝形成的特征形态受控于多种复合作用，弄清各因素影响下的裂缝扩展规律对于研究水平井压裂增产改造至关重要。

［1］S.C.Maxwell, T.J.Urbancic, N.Steinsberger, et al. Microseismic imaging of hydraulic fracture complexity in the Barnett shale[C]. SPE77440, 2002.

［2］M.K.Fisher, J.R.Heinze, C.D.Harris, et al. Optimizing horizontal completion techniques in the Barnett shale using microseismic fracture mapping[C]. SPE90051, 2004.

［3］陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学基础［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［4］刘雨. 多级压裂诱导应力对天然裂缝开启影响研究[D].东北石油大学，2014.

［5］李士斌，官兵，张立刚，等. 水平井压裂裂缝局部应力场扰动规律[J]. 油气地质与采收率，2016,23(6):112-119.

［6］E.Siebrits, J.L.Elbel, E.Detournay, et al. Parameters affecting azimuth and length of a secondary fracture during a refracture treatment[C]. SPE48928, 1998.

［7］尹建, 郭建春, 曾凡辉. 水平井分段压裂射孔间距优化方法[J]. 石油钻探技术, 2012, 40(5): 67-71.

［8］郭天魁，张士斌，刘卫来，等. 页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力[J]. 天然气工业，2013,33(12):87-93.

［9］李士斌，官兵，张立刚，等. 水平井裂缝诱导应力场影响因素分析[J]. 中国煤炭地质，2016,28(5):24-28．

Research Progress and Tendency of Horizontal WellFracturing Reservoir Stress Field

,

（College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

Through combing the comprehensive research achievements in related fields, the main stress calculation model of horizontal well fracturing process was introduced, the disturbance mechanism of the influence factors to the stress field is clarified, and the future development direction of the fracture stress field was pointed out, which could provide some reference and guidance for the further study of horizontal wellfracturing reservoir stress field.

horizontal well fracturing; stress field; calculation model; influence factors; disturbance mechanism

TE 357

A

1004-0935（2017）03-0275-03

国家自然科学基金项目资助（51504067），东北石油大学研究生创新科研项目资助（YJSCX2015-017NEPU）。

2017-02-16

官兵（1990-），女，在读博士，黑龙江省哈尔滨市人，研究方向：从事非常规压裂裂缝应力场数值模拟分析的研究工作。