能源——以压裂为目标的裂隙储层井眼轨迹优化.pdfVIP

2016 Simulia 中国区用户大会, 上海, 2016 11.1- 2 以压裂为目标的裂隙储层井眼轨迹优化 Guoyang Shen （沈国阳）, GTS, Houston, TX, USA; 沈新普, 北方工业大学 Drill-to-frac: Wellbore Trajectory Optimization for Tight Formation with Natural Fractures Guoyang Shen, GTS, Houston, TX, USA; Xinpu Shen, North China University of Technology 摘要： 要想成功取得理想的压裂效果，经过优化的合适的井眼轨迹是基础。本文介绍基于地质力学的水平井段井 眼轨迹优化。 基于地质力学的井眼轨迹优化使用地质力学的数值解来优选井眼轨迹。这里提出了 F-势函数的概念来表 达模型中各点位置上的应力状态指数，并以此为基础来进行井眼轨迹优选计算。 在最简单的情况下，如果不考虑天然裂隙，以压裂为目标的裂隙地层水平井段井眼轨迹最佳选择是沿着 最小水平主应力方向。这样压裂产生的裂隙将沿垂直于井轴的方向扩展，从而得到最大的压裂体积，压裂 效果最佳。 对于裂隙储层，天然裂隙的影响不可忽略。天然裂隙地层中井眼轨迹优化的任务主要是发现容易压裂的 天然裂隙区域的位置、让井眼轨迹穿过这些区域。这样得到的井眼轨迹设计将产生最佳压裂效果。容易压 裂的天然裂隙又称‘临界应力状态裂隙(CSF)’,这是说这些裂纹所在位置的应力分量和黏结强度、内摩擦 角形成的组合接近Mohr-Coulomb 塑性屈服条件。 文中详细介绍了选择优化井眼轨迹的工作流程。 1 引言 致密储层是指页岩油/气和致密砂岩油/气储层。水力压裂是保证这些致密储层能够生产的基本手段。井眼轨 迹优化选择是井眼设计的基本内容之一。尤其对于裂隙型的致密储层，井眼轨迹的优化选择就更重要了 (Bond et al. 2006; Manchanda et al. 2012; Himmerlberg and Eckert 2013) 。精心优选设计的井眼轨迹能够保证压 裂效果最佳。当井眼轨迹以合适的角度穿越储层甜点时，得到的储层压裂体积（SRV ）最大。 临界应力状态裂隙(CSF)是一个概念，它描述裂纹所在位置的应力分量和黏结强度、内摩擦角形成的组 合与Mohr-Coulomb 塑性屈服条件的接近程度(Franquet et al. 2008) 。临界应力状态裂隙容易被水力压裂施工 打开。因此，设计井位时要力争使井眼轨迹经过这些CSF 裂纹区域，这样压裂施工的效果最佳。 除了上述对 CSF 裂纹的考量之外，井眼轨迹优化还需要考虑另一个因素，这就是天然裂隙和地应力主应 力方向的夹角。当天然裂隙主方向和最大水平主应力方向的夹角为零时，裂纹按照最大水平主应力方向扩 展；当天然裂隙主方向和最大水平主应力方向的夹角非零时，裂纹扩展的方向受几个因素的影响，并不一 定沿最大水平主应力方向扩展。 下面第2 节将介绍根据 CSF 概念和地质力学数值解进行井眼轨迹优化的工作流程和计算步骤。之后的例 子中使用的数据仅供方法验证使用目的，是在已有工程数据基础上修改之后得到的，不是原值。 2 井眼轨迹优化的工作流程和计算步骤 这里的任务是根据CSF 概念和地应力的数值解进行井眼轨迹优化。下面的式(1) 根据Mohr-Coulomb 定律得 到的摩擦滑移条件。这个表达式也用于判断有限单元模型中一个点的应力状态是否进入塑性屈服。 = + (1) ( ) 式中τ 是摩擦滑动表面上的剪应力，c 是黏结强度， μ是材料的内摩擦系数，而且有μ = tan φ , φ 是材 料的内摩擦角。σn 是滑动面上的压应力。如果裂隙地层中的裂纹所在点上的应力分量接近式（1）表达的 关系，这个点的这种应力状态叫做临界应力，这个裂纹就称作临界应力裂纹CSF. 具有天然裂隙的致密储层井眼轨迹优化的任务是根