致密储层井工厂压裂应力场演化机理及调控方法

The well plant fracturing has been carried out a large number of pilot tests in tight oil and gas reservoir, which confirmed the high efficiency and intensive. Owing to the cross scale random cracks, the reservoir well plant fracturing stress field and fracture network evolution mechanism are more complex, which limit the application of the technology. For this problem, laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation methods are adopted. Firstly, researching of the mathematical description and numerical reconstruction is developed. The matrix-random crack symbiosis three-dimensional geological model is built. Secondly, the evolution process of in-situ stress field and the induced stress field is simulated which considering dual medium, seepage-temperature-stress field coupling and multi borehole-natural fractures-artificial fractures interaction. The evolution mechanism and interference methods about local stress field are determined. Evenly, the evolution and dynamic extension process of each scale random crack is studied by fracturing simulation experiment and extended finite element method. It reveals the control mechanism of crack propagation and fracture volume formation in stress field. Finally, the local stress field regulation theory of improving transformation efficiency is obtained. It will lay a theoretical foundation for matching reservoir types, well types and artificial fracture parameters, and coupling regulation technology.

井工厂压裂在我国致密岩储层进行了大量先导性试验，证实了高效性和集约性。由于跨尺度随机裂缝的发育，造成该类储层井工厂压裂应力场和缝网演化机理复杂和认识不清，限制了该技术推广应用。针对该问题，拟采用室内实验、理论分析和数值模拟手段，首先开展致密储层宏观到细观跨尺度随机裂缝观测、数学描述和数值重构研究，建立基质-随机裂缝共生的三维地质模型，然后以地质模型为基础，考虑双重介质、渗流-温度-应力耦合及多井眼-天然裂缝-人工裂缝协同扰动，数值模拟原地应力场和诱导应力场演变过程，确定局部应力场演化机理和干扰方法，最后利用大型压裂模拟试验和扩展有限元方法，研究不同应力场下各尺度随机裂缝演进和动态扩展过程，揭示井工厂压裂应力场对裂缝扩展和体积裂缝形成控制机理，建立以提高体积改造效率为目标的井工厂压裂局部应力场调控方法。研究成果为井工厂压裂储层类型、井型与人工裂缝匹配设计和耦合调控等关键技术进步奠定理论基础。

井工厂压裂是改造开发致密岩储层的主要手段之一，证实了高效性和集约性，其目标是形成复杂缝网，实现体积改造最大化。井工厂压裂过程中应力场演化机理和调控方法是裂缝起裂、扩展和缝网形成的关键，本文针对该问题进行了深入的研究。首先对松辽盆地致密储层，开展了三轴应力实验、矿物组分实验和孔隙结构特征实验和天然裂缝发育特征评价，获得了致密岩储层的基本物理力学特征、断裂机制和随机裂缝展布规律，引入Markov Chain Monte Carlo （MCMC）方法随机抽样，实现了随机裂缝的数学描述和数值重构，建立了基质-随机裂缝共生的三维地质模型。然后考虑双重介质、渗流-温度-应力耦合及井眼和裂缝协同扰动作用，建立了井工厂压裂扰动应力场计算模型和数值模拟方法，并模拟了不同地层参数、裂缝参数以及压裂布井方式影响下的单井单缝、单井多缝以及多井多缝之间的应力场分布情况，其中地层参数包括水平主应力差值及地层泊松比，裂缝参数包括裂缝净压力、裂缝长度、裂缝间距、裂缝条数，压裂布井方式则包括两口井并排同步压裂、错位交替压裂、拉链式压裂以及改进的拉链式压裂，通过分析不同方案下的应力场扰动情况，确定了各主控因素对应力场的扰动规律。最后利用大型压裂模拟试验和扩展有限元方法，研究了不同应力场下随机裂缝演进和动态扩展过程，揭示井工厂压裂应力场对裂缝扩展和体积裂缝形成控制机理，建立了以提高体积改造效率为目标的井工厂压裂局部应力场调控方法。研究成果更加清楚地认识了井工厂压裂局部应力场的演化规律，为井工厂压裂储层类型、井型与人工裂缝匹配设计和耦合调控等关键技术进步奠定理论基础