致密油多级压裂水平井流-固全耦合产能数值模拟研究
时间：2023-06-02 14:10:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
鲍 伟
（延长油田股份有限公司井下作业工程公司，陕西延安 716001）
在油气资源当中，致密油的资源十分丰富，开发潜力非常大，但是致密油储集层的有效应力会进行状态的改变，当出现这种状况时，就会产生一定的流-固耦合效应[1]。借助传统的多孔介质弹性理论进行模型的构建，但是其中产生的耦合作用必须要引起重视，只有这样才能准确地对致密油的集层进行动态的开发。相关研究对流-固的耦合效应展开过研究，从而为流-固的耦合作用奠定了良好的理论基础。
借助多孔介质弹性理论与流体、固体的耦合机理，对致密油储集层当中的天然裂缝、人工裂缝、基质系统的关系和耦合作用展开研究。本次模型的建立中，有以下几个模型建立的假设条件：①致密油的储集层包含了天然裂缝系统和基质系统，两者之间有着稳态窜流的关系；
②对于多孔介质来说，会将其分为完全饱和以及同性的线弹性体；
③在储集层当中，大多为弹性变形；
④单向流体的温渗流，可以忽视重力对其产生的影响，遵循达西定律；
⑤致密油的流向是从基质系统流向天然裂缝系统，流向裂缝和井简。
1.1 致密油储集层岩体的变形模型
把岩体当作岩石骨架以及流-固偶尔效应的变形介质，在假设条件之下，可以将致密油储集层的力学进行控制，具体如式（1）所示。
当岩体当中骨架传了变形，一般是通过有效应力对其进行控制，在假设的条件之下，可以通过式（2）进行表示。
因为弹性假设是基于同性的，所以在线弹性出现了变形之后，就可以得到储集层弹性的本构方程，具体如式（3）所示。
在变形的假设条件之下，可以得到储集层的应变分量以及位移之间的关系，具体的关系如式（4）所示。
1.2 初始及边界条件
初始和边界的条件主要包括了应力-位移条件、流动封闭边界条件以及初始边界条件。如式（5）~式（7）所示。
2.1 模型验证
为了能够对流-固耦合模型的正确性进行验证，对致密油储集层的多级压裂水平进行模型验证，其中的模型验证参数见表1。
表1 模型的基本参数
通过数值程序进行计算，主要是借助Eclipse对其进行有限差分模型的耦合模型模拟结果，将其与积累出来的产油量对比，如图1所示。通过结果可以看出，两者之间的耦合模型模拟结果具有较高的吻合性，且在二维的空间之下，均质、线性弹性以及不渗透的岩石当中，受压的裂缝比较平均，且沿着长度的方向进行展开，满足解析解。
图1 耦合模型与Eclipse模型对比
2.2 模型的对比
在模型的对比中，将模型进行了分类，将全耦合模型当作模型1，基质系统与天然裂缝系统的集合作为模型2，将人工裂缝刚性模型作为模型3，将全刚性模型作为模型4，分别对其中的模型模拟结果进行计算。具体如图2所示。
将全耦合模型的累计产能作为基础，分别对其他的模型误差进行计算。计算结果如表2所示。
表2 基于模型不同的产能误差
也就是说，流-固的耦合作用对于致密油的产能有着较大影响，对于未耦合的模型来说，多级压裂水平井的产能会偏高，对于耦合模型产能的预测比较准确。且人工裂缝的物性也是产能预测的重要指标，要根据实际情况选取模型进行预测。
在模型验证的过程中，使用数值模型可以对致密油储集层中的多级压裂水平的预测值进行预测。在具体的生产过程中，渗透率的分布也是非常重要的。当基质系统以及天然裂缝系统流入到井简之后，人工裂缝当中的导流能力比较大，且流动阻力降低，所以液体压力梯度非常高。基质系统的渗透率也降到了0.117×10-3μm2，天然裂缝系统的渗透率也降到了1.070×10-3μm2。在两个系统当中，基质系统的变化幅度较小，是因为基质系统更加致密。
在生产了2 000d之后，人工裂缝的开度也有所降低。处于开发前期时，人工裂缝当中的流体会被清除，增加了附近的压力，造成了较大的裂缝开度损失和导流能力损失。在开发了500d之后，人工裂缝的开度损失幅度上涨到40.37%，导流能力损失幅度上涨到了78.80%。随着开发的不断进行，损失幅度也在增加，如图3所示。
图3 基于开发力度不同的倒流能力和人工裂缝开度损失曲线
4.1 参数的敏感性
首先，对参数的敏感性进行研究，设计了9个案例，并对其进行编号，基于案例的不同，对多级压裂水平井的产能进行模拟计算。将案例1的累计产能当作基本数值，对其他的案例产能和相对误差进行计算。具体数据如表3所示。
表3 基于不同敏感性参数对产能的影响
4.2 裂缝参数的优化
在人工裂缝的集合分布当中，对于致密油的储集层产能会产生较大的影响。将压裂裂缝数量以及裂缝长度保持不变，设计11个案例，基于裂缝参数不同对多级压裂水平的井产量进行产能模拟数值计算，并将案例10当作基础数值进行相对误差计算。具体结果如表4所示。
表4 基于裂缝参数不同对产能的影响
在本文的致密油储集层多级压裂水平关于流-固耦合模型的研究中，借助多孔介质弹性理论以及其中的耦合机理展开具体的研究。在模型中，以基质系统、人工裂缝的变形、天然裂缝系统以及流体渗流的规律作为基础，对于产能数值的模拟数值预估产能。研究结果表明，随着储集层物性的变化，人工裂缝的开度和导流能力会有所损失，且损失幅度逐步增加。在流-固的耦合机理下，对致密油的产能有着较大的影响，模拟了储集层当中生产到了3 000d之后，全耦合模型和未耦合模型的相对误差较大，达到了38.35%。在参数敏感性的研究中，最为敏感的是启动压力梯度。所以在对致密油储集层施工设计时，要注意导流能力、裂缝数量、裂缝长度对其产生的影响，从而提高产能。
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