基于多目标约束优化方法的页岩气储层微裂缝分析及压裂缝网扩展机理研究

Connecting natural fractures with induced hydraulic fractures to make complex fractures network could increase dramatically stimulated reservoir volume, and then increase shale gas production. Firstly, according to fractured well and logging data,the inversion model of stress field for shale reservoirs is established by using multi-objective constrained optimization method. Then the distribution of stress field is obtained. Secondly, using energy principle and rock failure criterion, the spatial distribution of micro-fracture and geometric parameters of natural fractures in shale gas reservoirs are determined. The complex fractures network model of horizontal well is established by using composite fracture mechanic method, and the propagation mechanism of hydraulic fractures encountered natural fractures is revealed. Finally, a numerical simulation on the dynamic propagation of hydraulic fractures is implemented by using acoustic finite element method, and the corresponding numerical solution is formed based on finite element method and micro-seismic method used to monitor induced hydraulic fractures. Combined all the above studies and the field applications, the propagation mechanism of complex fractures network and natural micro-fracture recognition of shale gas reservoirs are proposed. This project has significant influence on increasing the inversion accuracy of stress field, determining the natural fracture distribution, understanding the propagation mechanism of complex fracture network and optimizing fracture design of shale gas reservoir.

沟通天然裂缝与压裂裂缝形成复杂缝网可以大幅增大储层改造体积，进而提高页岩气单井产量。基于此，本课题拟首先依据压裂井资料和测井信息，采用多目标约束优化方法建立页岩气储层地应力场精细反演模型，准确获取储层地应力场分布。然后利用能量平衡原理及岩石破裂准则，确定页岩气储层天然微裂缝的空间分布，得到天然微裂缝的几何参数。在此基础上采用复合断裂力学模型，建立水平井同步压裂裂缝网络扩展模型，重点揭示压裂裂缝在遭遇天然裂缝后的扩展机理。最后，采用声波有限元方法对水力压裂裂缝的动态扩展响应数值模拟，研究基于声波有限元方法与压裂裂缝微地震监测相结合的数值解法，以验证微地震数据与声波有限元求解结果的一致性。通过以上研究，结合现场应用形成相对完善的页岩气储层天然微裂缝识别及复杂压裂缝网扩展机理研究方法。该研究对提高页岩气储层地应力场反演精度，获取储层微裂缝分布，认识压裂缝网扩展机理及优化压裂设计具有重要意义。

近年来页岩气、煤层气等成为非常规油气开发中的重要关注研究热点。本课题研究对提高页岩气储层地应力场反演精度，获取储层微裂缝分布，完善页岩气水平井多井同步压裂复杂网状裂缝分析技术，认识压裂缝网扩展机理及优化压裂设计具有重要意义。沟通天然裂缝与压裂裂缝形成复杂缝网可以大幅增大储层改造体积，进而提高页岩气单井产量是本课题研究的主要目的。. 首先依据压裂井资料和测井信息，建立页岩气储层地应力场的精细描述反演模型。其次利用能量平衡原理及岩石破裂准则，确定页岩气储层天然微裂缝的空间分布，得到天然微裂缝的几何参数。在此基础上采用复合断裂力学模型，建立了水平井同步压裂裂缝网络扩展模型，揭示了压裂裂缝在遭遇天然裂缝后的扩展机理。最后采用声波有限元方法对水力压裂裂缝的动态扩展响应数值模拟，研究基于声波有限元方法与压裂裂缝微地震监测相结合的数值解法，形成基于声波有限元与微地震数据相结合的分析方法；以验证微地震数据与声波有限元求解结果的一致性。. 通过以上研究，获得的主要创新成果有：（1）基于概率统计分析法的页岩力学物理特性参数研究，获得了不同岩性的力学物理参数概率统计分布规律，依据声波测井信息和压裂井信息分析得到目的区块三个主应力的分布规律曲线和回归方程。（2）基于多井约束的地用力精细描述方法研究；采用多目标约束优化方法建立了页岩气储层地应力场精细反演模型，准确获取了研究区块平面内储层地应力场和微裂缝分布特征。（3）建立了基于能量原理和复合断裂力学模型的压裂井裂缝延伸扩展模型，本别考虑固体项和流体项对裂缝扩展的影响规律，开发出水平井双井同步压裂和多级压裂优化设计软件，基于体积改造原理结合现场应用形成相对完善的页岩气储层天然微裂缝识别及复杂压裂缝网扩展机理研究方法。