大庆油田致密油水平井缝间距优化研究

杨勇 段彦清

（大庆油田井下作业分公司工程地质技术大队，黑龙江 大庆 163000）

0 引言

近几年，随着常规储层可采储量的减少，利用水平井分段分簇压裂开发致密油储层接替常规储层产量越来越重要，簇间距设计大小对于提高压裂改造效率和降低储层动用成本起着至关重要的作用。常规直井压裂主要是对称双翼裂缝扩展，而水平井分段多簇压裂主要是几条裂缝产生的应力作用。胡文瑞［1］通过有限差分法对多裂缝产生的应力作用进行了研究；徐加祥等［2］采用位移不连续法对分段多簇压裂伴随的裂缝应力作用、压裂的初始压力和产生的缝宽进行探索，并找到了解决的方法；王发现［3］根据弹性力学的原理，开展了裂缝间产生的应力进行模型建立分析，对水平井分段压裂的影响因素进行分析，主要是分析裂缝间应力作用的原因，因此，对裂缝间应力干扰机理进行了相关研究；王昕等［4］采用有限元分析方法，通过对水平井水力压裂产生的裂缝延展规律进行建模分析，找到了解决缝间距优化的方法。

然而上述研究主要存在2 个有待解决的问题：①针对裂缝延伸的模拟都是通过预置裂缝走向及位置，无法准确描述应力干扰下的裂缝形态；②对于缝间天然裂缝或弱结构面在应力干扰下的形态研究较少。本研究利用abaqus 软件以及python 二次开发，对比分析了不同缝间距条件下的裂缝形态，对水平井缝间距的优化具有一定的参考价值。

1 模拟压裂的原理分析

1.1 储层有效应力机理

Terzaghi 最先提出的有效应力，是指多孔介质骨架承受的应力，即为有效应力［5］，当多孔介质处于完全饱和状态时，岩石骨架产生的有效应力σ*加上孔隙内流体压力pw等于上覆岩层重力产生的垂向地应力σ［6］。由于多孔介质骨架应力会受孔隙流体压力变化的影响而改变，从而导致渗透率及孔隙度发生改变，由此引起孔隙内流体流动，使得孔隙内压力重新分布，所以，通常将有效应力原理用于储层渗流流固耦合相互作用的桥梁。具体机理见图1。

图1 有效应力概念图

如图1 所示，总应力σ即储层岩石中的一点所承受的应力，主要由岩石孔隙中润湿流体的压力pw［7］、非湿润流体的平均压应力pa和有效应力σ*组成，表达式如式（1）。

式中：I为单位矩阵；χ为一个受饱和度影响的因子，当χ为1.0 时岩石完全饱和，当χ小于1 时岩石处于非饱和状态。

1.2 储层的流固耦合原理

传统的流固耦合模拟中，孔隙度和渗透率是保持不变的，而在实际的渗流过程中，由于孔隙流体压力的变化，一方面要引起多孔介质骨架有效应力变化，由此导致渗透率、孔隙度等参数的变化，另一方面，这些变化又反作用于孔隙流体的流动和压力分布，见图2。因此，需要考虑孔隙流体在多孔介质中的流动规律及其对储层本身的变形或者强度造成的影响。

图2 储层流固耦合的作用关系

1.3 孔压黏聚单元损伤机理

二维孔压黏聚单元如图3 所示，其在四边形单元的短边中点处插入孔隙压力节点A 和B，该类型节点只有孔压自由度，不具有位移应变的自由度，目前已广泛应用于水力压裂。孔压黏聚单元遵从面分离准则，其损伤模式以其承受的应力或应变作为损伤判断准则。当黏聚单元法相面应力小于tn时，应力与位移成正比，当应力达到tn时，黏聚单元出现损伤，其所能承受的应力随位移的增大而逐渐减小，当位移达到dn时，其强度降为零，即认为黏聚单元发生损伤。

图3 二维孔压黏聚单元

从图3 和图4 机理图可以看出，切向方向相同，其受到的损伤模式一样。当法向损伤位移达到时，其远大于上下表面所能承受的法向应力，随着法向位移增大，上下表面所能承受的法向应力也增大，黏聚单元呈弹性变化；当应力达到时，黏聚单元出现损伤，上下表面所能承受的法向应力随位移的增大而逐渐减小，随着位移的继续增大，达到应力最大破坏位移时，上下表面之间的拉应力消失，抗拉强度为0，黏聚单元会出现损伤，完全失效。

图4 黏聚单元损伤的应力—位移准则

2 数值模拟条件及结果对比分析

基于流固耦合理论以及损伤力学机理建立了二维储层平面几何模型，批量插入孔压黏聚单元，利用二次开发Dflow 子程序获取每一个计算增量步结束时射孔处的压力，并以此为依据，施加下一个增量步开始时射孔处的压裂液排量。储层物性参数见表1。

表1 储层物性参数

2.1 单一裂缝的应力作用研究

图5 为单一裂缝延展最小主应力大小及方向变化。从图5 中可以看出，裂缝主要是受最大水平主应力作用，与最大水平主应力延展方向一致。但是当裂缝受到液体压力干扰时，水平主应力都有所增大，在裂缝两侧最小水平主应力方向发生反转，对裂缝末端水平主应力没有干扰作用，使得裂缝延展端的方向不变。

图5 最小主应力大小及方向

2.2 两条裂缝的应力干扰分析

为了研究2 条裂缝同时起裂的情况，模拟缝间隔为20 m 的2 条射孔段作为起始裂缝，图6 为两条对称裂缝在应力作用下同时起裂的裂缝形态。从图6 中可以看出，两条裂缝之间有干扰作用，呈排斥性向裂缝外侧移动，且在裂缝两侧最小水平主应力方向呈弧状发生反转，当裂缝延伸方向垂直于弧形切线方向时，在水平主应力干扰下裂缝末端延伸方向会发生改变。

图6 两条对称裂缝同时起裂的裂缝形态

3 结论

①经过模拟压裂的原理分析得到，裂缝走向及位置是在应力作用下产生的裂缝形态变化，在有效应力作用下，裂缝以缝长的1/2 为短半轴、缝长的3/2 为长半轴呈椭圆形发生偏转，裂缝延伸方向的改变主要由原始地应力和诱导应力的双重作用或转向造成的。

②两条对称裂缝在应力作用下同时起裂时，2条裂缝间距对裂缝的延伸方向会产生影响，2 条裂缝呈排斥性向裂缝外侧移动，且在裂缝两侧最小水平主应力方向呈弧状发生反转，且裂缝偏转角度随着裂缝间距的缩小而增大，裂缝延伸的尖端也会受裂缝间应力作用而发生改变。