全三维水力裂缝在砂/泥岩界面上扩展特性研究

如何有效的开发薄差储层，是国内各大油田实现产量接替所面临的主要难题之一，而制约薄差储层开发的关键问题是水力裂缝在砂/泥岩界面上扩展特性认识不清，不能科学合理的制定压裂工艺。通过完成的流固-损伤多物理场全三维裂缝扩展形态的研究，发现了影响水力裂缝形态的主要因素为扩展过程中遭遇岩体力学性质的差异，而砂/泥岩界面恰恰是人们所忽略的重要结构，它是直接影响三维裂缝扩展的重要因素之一。本项目通过现场采样制作的砂/泥岩界面标本，采用光弹性实验，研究其界面力学性能及损伤破坏机理，建立其界面的损伤判据及损伤演化数学模型，编写界面单元并嵌入到全三维裂缝扩展模型中，再现全三维裂在砂/泥岩界面的扩展过程，发现砂/泥岩界面对裂缝扩展的影响机制，分析砂/泥岩界面力学性能与全三维裂缝扩展特性之间的关系，并科学合理的制定界面的遮挡条件，以对现场压裂井进行设计指导，提高储层的动用程度，解决困扰薄差储层有效开发的关键问题。

该课题是针对油田薄差储层水力压裂改造过程中水力裂缝在砂泥岩界面上扩展特性认识不清这一问题开展的，此类问题属于流固耦合状态下，水力裂缝在砂泥岩异弹性界面上扩展特性研究，国内外对这类研究问题很重视。本项目采用实验研究与理论分析相结合的方法，通过数字散斑技术，观测了裂缝扩展过程中界面应变及位移的变化过程及规律，发现砂泥岩界面产生的非对称剪切应变是引起裂缝扩展转向的重要因素，并建立了界面损伤机制；在此基础上，采用应变协调假设和强度等效假设，建立了描述砂泥岩界面的剪切损伤塑性本构模型，借助有限元二次程序开发功能，将界面剪切损伤塑性耦合模型植入到全三维水力裂缝扩展力学模型中，形成了含砂泥岩界面的全三维水力裂缝计算模型，并录取大庆现场井验证计算，与测试裂缝长度相比，平均误差为6.25%，证明了理论分析及计算方法的正确性；考虑到水力裂缝尺寸与砂泥岩界面的尺寸相差较大，采用子模型分析技术，依据裂缝扩展过程中界面最大主应力的变化规律，发现界面非均匀性、界面强度、砂泥岩力学性能差异是引起界面最大主应力分布不均匀的主要诱因，从而导致裂缝扩展转向，这与数字散斑实验结果相吻合，同时证明了界面模型的正确性；确定了砂泥岩界面的封隔条件，提出了砂泥岩储层的最小水平地应力差值、砂泥岩力学性能差、界面粘接强度、压裂液粘度及施工排量与时间是决定界面封隔效果的主要因素，通过理论分析及现场应用评价，针对大庆油田地质条件，提出了界面封隔的基本条件，当砂泥岩储层的自然伽马差值大于60API，地应力差值大于2.0MPa，隔层厚度大于2.0m，在适当的施工排量下，可实现有效的封隔，这为薄差储层的有效开发提供了有力的理论支撑，解决了困扰薄差储层有效开发的关键问题。