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3.论应力阴影效应

导言

Kinetix(原名Mangrove)是斯伦贝谢自主研发的一体化压裂设计软件,打破了传统压裂软件与建模/数模软件之间的隔阂,依托Petrel平台,让压裂与物探地质、钻井、油藏和生产等多学科共享数据并无缝协助,建立了从完井压裂到产能预测的一体化工作流,以产能为导向,反馈优化压裂参数,甚至进而优化井位部署和钻完井生产过程中的井网井型、井距、水平箱体层位、生产制度、重复压裂和加密新井压裂设计等,真正实现了地质工程一体化研究与应用。


什么是应力阴影效应?

水力压裂过程中,在缝内净压力作用下,水力裂缝以张性破裂为主,对裂缝周围岩石施加与净压力成比例的应力影响,改变了裂缝周围应力场大小及方向,即应力阴影效应


应力阴影效应影响了什么?

早在1987年,Warpinski和Teufel就提出了基于简单假设条件(裂缝为2D垂直缝、等缝高、无限缝长)的应力阴影解析解。第1条裂缝形成过程中,对周围应力场产生影响,当第2条裂缝在第1条裂缝的“阴影区域”内(通常等于第1条裂缝缝高),则第2条裂缝所受的闭合应力会高于原始闭合应力,导致压裂施工压力升高,缝宽变窄。这种影响将随着裂缝之间的距离缩短而增强。


Kinetix应力阴影效应模拟

上述计算仅是针对单缝的理想假设,而真实情况却复杂的多:多条相邻裂缝同时起裂扩展时的应力阴影效应使得净压力难以量化;真实裂缝不能简单的假设为无限长裂缝;裂缝之间的相互作用除了改变应力大小,也可能导致应力方向偏转进而使得裂缝方向变化,产生弯曲缝。

Kinetix的非常规缝网模型UFM能够模拟多条相邻复杂缝网的应力阴影效应的影响,包括射孔簇之间(裂缝之间)、压裂段之间、井与井之间的应力阴影效应,并提供了2D应力阴影效应和3D应力阴影效应两种算法。

2D应力阴影效应计算适用于水平段深度变化不大的水平井压裂模拟,各裂缝的深度大约相同。采用了Crouch和Starfield (1983) 提出的2D displacement discontinuity method (DDM) 结合Olson (2008)的3D校正因子的算法。计算2D应力阴影效应时,首先检查裂缝网格的深度是否重叠,如果在深度上不重叠,则裂缝之间无应力阴影效应影响,只有当裂缝在深度上存在重叠,才会相互有应力阴影效应的影响。该算法的优势是速度快,但计算精度不适用于直井、斜井和水平段深度变化较大的水平井。

3D应力阴影效应计算适用于任意井型,尤其对直井、斜井和水平段深度变化较大的水平井,采用3D DDM算法能够准确计算在三维空间中应力阴影效应的影响,但其计算速度不如2D算法,应结合实际情况选择合适的算法


Kinetix应力阴影效应设置

方法一:通过Define stimulation case定义应力阴影效应计算:

1. 选择UFM模型;

2. 设置本压裂段施工起始时间(时间是计算应力阴影效应的重要参数);

3. 点击Stress shadow标签;

4. 选择应力阴影效应算法为2D或3D;

5. 应力阴影效应影响因子,默认且最大值为1,可以通过改小该值弱化应力阴影效应的影响;

6. 过滤筛选压裂井已完成的压裂段作为本段裂缝扩展模拟时的应力阴影效应输入:勾选需要考虑的压裂井,并设置以本段为中心的距离半径,点击Select stages within specified radius,筛选出来的压裂段将显示在下方表格中。亦可跳过本步骤操作使用软件默认设置,默认情况下本井前一压裂段会自动作为输入,如图中所示WellA的第1段的应力阴影效应 默认作为第2段压裂模拟的输入;

7. 设置压裂段之间的时间间隔,两种方式:

a) Stage start time:根据每个压裂段设置的压裂模拟起始时间,软件自动计算压裂段之间的时间间隔,用于应力阴影效应计算;

b) Shut-in time between stages:手动设置压裂段之间的绝对时间间隔,如图所示,第1段完成停泵后间隔240min开始压裂模拟第2段。

方法二:通过Muiltistage treatment plan (MSTP) 定义应力阴影效应计算:

1. 命名MSTP方案;

2. 选择参与计算的压裂井以及对应的压裂分段方案,可选择单井或多井;

3. 设置应力阴影效应计算参数:包括考虑的影响半径距离、选择2D或3D应力阴影效应模型、压裂段之间施工间隔时间;

4. 点击Generate,一键建立压裂段模拟次序;

5. 根据需要可对各井各段的泵注程序和裂缝算例进行选择与修改,可以通过向下或向上的蓝色箭头按钮实现不同压裂段之间的数据拷贝以及模拟起始时间的刷新等(详细请参考Kinetix功能与技巧:MSTP多井多级拉链式压裂快速设置与模拟);

6. 点击Apply保存,弹出窗口中显示了各压裂段之间的应力阴影效应设置,如图所示,WellB第3段压裂模拟时,WellA的第1~3段与WellB的第1~2段压裂产生的应力阴影效应会作为输入;

7. 点击Run即可开始计算。


最后啰嗦两句(重点来了!)

1. 压裂设计时,熟练使用MSTP进行快速设置能大幅提升工作流率,十分推荐;

2. 压后评估时,通常需要对每个压裂段进行施工压力/微地震数据的拟合,并非单次模拟计算能够完成,此时,建议通过Define stimulation case进行精细设置和参数调整

3. 如何输出显示应力阴影效应造成的应力场大小和方向的变化?UFM模型的应力阴影效应计算结果并不能直接输出显示,仅能作为裂缝模拟的内部输入,因为其采用的2D DDM或3D DDM算法仅计算了裂缝网格的诱导应力变化,若需要扩展计算到整个三维空间,则需要非常庞大的内存空间和极长的计算时间。不过不用担心,可以采用有限元法Kinetix-VISAGE四维地质力学耦合模拟压裂和生产过程中应力场的大小和方向的变化并输出显示结果(详细请参考《Kinetix功能与技巧:四维地质力学模拟》)。

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