【摘 要】
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水力压裂作为油气田增产增注的主要储层改造措施,对于改善油气储层渗透性,提高油气井产量发挥着重要作用。传统水力压裂普遍采用恒流量注入方式,其在现场应用中面临施工压力过高、裂缝形态单一以及增产效果差等问题。相比之下,变流量水力压裂可以有效解决上述不足。尽管现阶段针对变流量水力压裂已进行了探索性的室内试验与现场测试,但尚无法系统解释该技术的压裂机理,其理论研究亟待开展。为此,分别建立了变流量注入条件下压
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水力压裂作为油气田增产增注的主要储层改造措施,对于改善油气储层渗透性,提高油气井产量发挥着重要作用。传统水力压裂普遍采用恒流量注入方式,其在现场应用中面临施工压力过高、裂缝形态单一以及增产效果差等问题。相比之下,变流量水力压裂可以有效解决上述不足。尽管现阶段针对变流量水力压裂已进行了探索性的室内试验与现场测试,但尚无法系统解释该技术的压裂机理,其理论研究亟待开展。为此,分别建立了变流量注入条件下压裂管柱内流体压力传递规律仿真模型、波动流体压力激励下储层应力响应规律仿真模型以及基于颗粒流程序的流-固-疲劳耦合水力压裂仿真模型,并在上述模型基础上建立了管柱流体流动与水力裂缝扩展耦合仿真模型。通过室内试验与现场测试,验证了仿真模型精度与实际工程意义。基于非定常流理论,分别建立了井底非渗流边界与渗流边界条件下压裂管柱内流体压力传递规律仿真模型;分析了井底非渗流边界与渗流边界对模型仿真结果的影响;研究了变流量注入方案中流量变化规律对于井底流体波动压力的影响。仿真结果表明:当储层渗透率大于1m D时,有必要考虑井底储层渗流的影响;变流量注入方案可以在井底形成较显著的流体波动压力。分别建立了均质连续储层与多孔介质储层在波动流体压力激励下的动应力数学模型,并基于交错网格有限差分法与解析法建立了储层动应力数值计算模型;比较了不同模型计算结果差异及适用条件,分析了流体压力波动参数对储层动应力响应特性的影响。仿真结果表明:对于高Biot系数或高渗透率储层,有必要采用多孔介质模型进行储层应力分析;储层在波动流体压力的激励下会产生动应力。考虑波动流体压力对储层造成的疲劳损伤作用,建立了基于耗散能的平行黏结疲劳损伤模型,将其嵌入到颗粒流程序,并对颗粒流程序进行二次开发,建立了流-固-疲劳耦合的水力压裂仿真模型。仿真结果表明:相比于常规恒流量注入方案,变流量注入方案可以有效降低储层的破裂压力,提高储层改造后裂缝的复杂程度。基于管柱内流体轴向流动模型与储层流-固-疲劳耦合模型,建立了管柱流体流动与水力裂缝扩展耦合仿真模型;通过对颗粒流程序进行二次开发,解决了耦合仿真的算法难题;分析了不同注入方案对管柱内流体压力以及水力裂缝扩展规律的影响。仿真结果表明:水力裂缝起裂前,采用单个矩形脉冲变流量注入方案可以有效降低最大施工压力;在水力裂缝扩展阶段,使用连续矩形脉冲变流量注入方案可以提高储层改造后的裂缝复杂程度。基于GCTS RTX-3000岩石三轴加载试验系统,进行了室内水力压裂试验,通过声发射技术对试样内部的裂缝起裂与扩展进行监测,证明了波动流体压力对于岩石试样的疲劳损伤作用;基于现场测试数据,验证了管柱流体流动与水力裂缝扩展耦合模型的仿真精度,并证明了变流量水力压裂的实际应用效果。
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