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    水平井水力压裂影响参数的数值模拟

    刘志帆 刘志强 施安峰 王晓宏 曾博 李雪丽

    刘志帆, 刘志强, 施安峰, 王晓宏, 曾博, 李雪丽, 2017. 水平井水力压裂影响参数的数值模拟. 地球科学, 42(8): 1394-1402. doi: 10.3799/dqkx.2017.106
    引用本文: 刘志帆, 刘志强, 施安峰, 王晓宏, 曾博, 李雪丽, 2017. 水平井水力压裂影响参数的数值模拟. 地球科学, 42(8): 1394-1402. doi: 10.3799/dqkx.2017.106
    Liu Zhifan, Liu Zhiqiang, Shi An'feng, Wang Xiaohong, Zeng Bo, Li Xueli, 2017. Numerical Simulation on Influence Parameters of Horizontal Well Hydraulic Fracturing. Earth Science, 42(8): 1394-1402. doi: 10.3799/dqkx.2017.106
    Citation: Liu Zhifan, Liu Zhiqiang, Shi An'feng, Wang Xiaohong, Zeng Bo, Li Xueli, 2017. Numerical Simulation on Influence Parameters of Horizontal Well Hydraulic Fracturing. Earth Science, 42(8): 1394-1402. doi: 10.3799/dqkx.2017.106

    水平井水力压裂影响参数的数值模拟

    doi: 10.3799/dqkx.2017.106
    基金项目: 

    中石油-中科院科技合作项目 2015A-4812

    详细信息
      作者简介:

      刘志帆(1982-), 男, 博士后, 主要从事渗流理论、油气藏数值模拟方面的研究

    • 中图分类号: P642

    Numerical Simulation on Influence Parameters of Horizontal Well Hydraulic Fracturing

    • 摘要: 水力压裂是低渗油气藏的主要开发手段,传统数值模型所得到的基质-裂缝窜流量以及断裂参数精度不足.为此以流固耦合理论与断裂力学相结合的压裂模型为基础,模拟了水力裂缝扩展过程.在模型中分别引入离散裂缝模型和广义J积分计算基质-裂缝流量交换和断裂参数,并采用动态网格技术对裂缝尖端进行局部加密,以提高模拟的效率和精度.模型计算结果显示,影响水力压裂过程的主要参数中:基质渗透率和压裂液粘度主要影响水力裂缝的最终形态;岩石弹性模量影响裂缝宽度.对压裂车而言,最高工作压力一般都能够满足压裂增产需求,其最大输出功率和最大输出流量是限制压裂能力的主要因素.

       

    • 图  1  水平井纵剖面网格示意

      Fig.  1.  Adaptive mesh refinement around the fracture tip

      图  2  求解区域示意

      Fig.  2.  Schematic of calculation domain

      图  3  本文模型与无穷大空间中径向裂缝理论解对比

      Fig.  3.  The comparison of the proposed model and radial fracture analytic solution

      图  4  基质渗透率对压裂设备工作参数的影响

      Fig.  4.  Influence of permeability on fracturing equipment working parameters

      图  5  基质渗透率对裂缝扩展的影响

      Fig.  5.  Influence of permeability on fracture propagation

      图  6  弹性模量对裂缝扩展的影响

      Fig.  6.  Influence of elasticity modulus on fracture propagation

      图  7  岩石弹性模量对压裂设备工作参数的影响

      Fig.  7.  Influence of elasticity modulus on fracturing equipment working parameters

      图  8  压裂液粘度对压裂设备工作参数的影响

      Fig.  8.  Influence of fracturing fluid viscosity on fracturing equipment working parameters

      图  9  弹性模量对裂缝扩展的影响

      Fig.  9.  Influence of elasticity modulus on fracture propagation

      图  10  压裂参数随裂缝半长的变化关系

      Fig.  10.  Relationship between equipment parameters and half-length of fracture

      表  1  算例2.1参数取值

      Table  1.   Parameters of example 2.1

      物性参数 取值
      流体密度(kg/m3) 982.600
      流体粘度(mPa·s) 0.456
      井半径(m) 0.070
      泊松比 0.220
      断裂韧度(MPa·m1/2) 2.000
      注入流量(m3/min) 0.500
      弹性模量(GPa) 35.000
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      表  2  2.2节中算例参数取值

      Table  2.   Parameters in section 2.2

      物性参数 取值
      基质渗透率(mD) 2.000
      流固耦合系数 0.890
      流体粘度(mPa·s) 0.456
      流体密度(kg/m3) 986.200
      弹性模量(GPa) 35.000
      泊松比 0.220
      断裂韧度(MPa·m1/2) 2.000
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      表  3  在不同渗透率下压裂设备工作参数达到上限时的裂缝尺寸

      Table  3.   Sizes of fracture for different permeability under rated working conditions

      渗透率
      (mD)
      压力达到上限 流量达到上限 功率达到上限
      缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm)
      1.5 - - - - - -
      2.0 - - 91.783 0.222 3 77.851 0.183 3
      2.5 95.318 0.233 9 71.749 0.169 0 60.878 0.142 7
      3.0 77.450 0.185 9 59.063 0.140 4 49.833 0.121 3
      注:表中“-”表示在本文计算的裂缝长度范围内,压力、流量或者功率未达到压裂设备参数的上限.
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      表  4  在不同弹性模量下压裂设备工作参数达到上限时的裂缝尺寸

      Table  4.   Sizes of fractures for different elasticity modulus under rated working conditions

      弹性模量
      (GPa)
      压力达到上限值 流量达到上限值 功率达到上限值
      缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm)
      20 - - 92.776 0.383 1 78.161 0.310 8
      25 - - 92.776 0.308 2 78.161 0.250 8
      30 - - 92.776 0.258 8 78.161 0.221 6
      35 - - 92.776 0.224 5 76.161 0.184 1
      40 - - 92.776 0.199 8 78.161 0.164 2
      注:表中“-”表示在本文计算的裂缝长度范围内,压力、流量或者功率未达到压裂设备参数的上限.
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      表  5  在不同粘度下压裂设备工作参数达到上限时的裂缝尺寸

      Table  5.   Sizes of fracture for different fracturing fluid viscosity under rated working conditions

      压裂液粘度
      (mPa·s)
      压力达到上限值 流量达到上限值 功率达到上限值
      缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm) 缝长(m) 最大缝宽(cm)
      0.356 94.841 0.231 2 70.151 0.162 9 60.134 0.138 6
      0.406 - - 81.564 0.193 5 68.963 0.159 9
      0.456 - - 92.366 0.223 7 77.834 0.183 1
      0.506 - - - - 87.258 0.209 3
      0.556 - - - - 96.597 0.235 3
      注:表中“-”表示在本文计算的裂缝长度范围内,压力、流量或者功率未达到压裂设备参数的上限.
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      表  6  压裂车主要参数

      Table  6.   Working parameters for fracturing equipment

      产品型号 三一重工SYN5450TYL1860(Y) 杰瑞能源YLC140-1860 山东科瑞KTYL2500-105
      设备编号 1 2 3
      最大工作压力(MPa) 125 140 105
      最大输出流量(m3/min) 1.90 2.17 2.46
      最大输出功率(kW) 1 860 1 860 1 836
      注:参数来源于三一重工、杰瑞能源和山东科瑞官网.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-04-30
    • 刊出日期:  2017-08-15

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