Abaqus三维岩石力学分析在Halliburton中国非常规油气开发实践中的应用研究实例.pdfVIP

2012 DS Simulia/Abaqus 中国区用户大会，10 月，2012，九寨沟，中国 Abaqus三维岩石力学分析在Halliburton中国 非常规油气开发实践中的应用实例 沈新普, Halliburton China 摘要 近年来，Halliburton China在大陆地区积极参与开展页岩气的开发工作。其中，三维岩石力学分析 是页岩气开发中主要的理论工具之一。本文将对去年以来我们完成的3例工程实例进行综述，其中 包括：1) 用粘结单元和损伤模型结合的方法，研究地层压裂的情况；2) 用损伤力学模型研究优化多 级压裂的段间距；3 ）压裂引起的套管完整性问题的力学机理和现象。 1. 引言 作为油层改造的主要手段之一，水力压裂自从 1950 年代就受到众多研究者的关注(Christianovich and Zheltov 1955, Cleary 1980). 近年来，随着能源需求迅猛增长及非常规资源开发的快速发展，对 于水力压裂的研究吸引了众多研究者的关注 (Soliman et al. 2004, Ehlig-Economides et al. 2006, Bahrami and Mortazavi 2008, and Bagherian et al. 2010). 一般地说，油层中裂纹的起始萌生及演化扩展的力学机理源于岩石在孔隙压力及地应力环境下 双重作用下的准脆性断裂。关于岩石材料与结构准脆性断裂的文献很多，如Hillorberg et al （1976)）、Bazant 和Cedolin (1991)、以及Cocchetti (1998)、Cocchetti et al. (2001),等。现有的基于 准脆性断裂的本构模型大致可以分为三类，第一类是张开型断裂模型，第二类为混合型断裂，第三 类为基于节理塑性的准脆性断裂模型。 本文将综述Halliburton 中国公司近年来在中国页岩气开采中，使用Abaqus有限元软件进行三维岩 石力学分析的几个例子。包括：1) 用粘结单元和损伤模型结合的方法，研究地层压裂的情况；2) 用 损伤力学模型研究优化多级压裂的段间距；3 ）压裂引起的套管完整性问题的力学机理和现象。其 中第三个例子为了计算速度，对套管轴向的模型进行了简化，采用了简化的平面应变模型。 2. 采用粘结单元与损伤模型模拟复杂裂纹体系 2.1 有限元模型 本次计算中，我们用粘性单元模拟主裂纹，用损伤模拟微裂纹，或者叫次级裂纹。这样形成的裂纹 为 3 维空间里的网状体积结构。关于粘结单元的细节可参考 Abaqus Manual (2011) 。关于损伤本构 的细节、以及损伤扩展与油层孔隙率的变化的关系，可参考Xinpu Shen et al (2011) 中的相关叙述。 2.1.1 模型网格 本次计算的目的之一是研究不同压裂段施工顺序对压裂扩展的影响。图1给出了一段压裂对应的网 格和几何尺寸。模型厚度10米，单段长度120米。中心截面位置设置了粘性单元。图中粗兰线表示 水平井段位置。 1 2012 DS Simulia/Abaqus 中国区用户大会，10 月，2012，九寨沟，中国 Horizontal well trajectory 图. 1—模型网格。 本次计算包含了3段压裂。网格见图2所示。图中的数字1、2 、3表示压裂施工的次序。压裂主裂 纹之间的间距即粘性单元的间距为120米。 1 2 3 Horizontal well trajectoryHorizontal well trajectory 图2—含有3个压裂井段的模型网格. 2.1.2 参数取值 本次计算选用的参数取值列于表一和表二当中。