摘要
天然气水合物作为一种高效清洁能源,广泛分布于我国南海海域的沉积地层中。我国先后于2017年和2020年成功开展了2次试开采,但由于海域天然气水合物特殊的赋存条件,单井水合物试采仍然面临着开采范围小、高产稳产时间短等问题。为了提高水合物的开采范围,基于cohesive单元进行了水合物储层二维水力压裂数值模型研究,比较了100 m×100 m和20 m×20 m两种模型的裂缝半长和宽度,得出了当注入压力为25 MPa时,压裂裂缝半长均为6 m,最大宽度分别为5.8、5.5 mm,构建尺寸较大的模型得出的实验结果更加准确。并且研究了裂缝宽度随注入时间的变化规律,随着注入压力和注入量的不断增加,初期裂缝宽度急速变大,后续在地应力和注入流体压力的共同作用下裂缝出现“阶梯式”的扩展规律。该研究在页岩气和煤层气等非常规能源储层水力压裂模型分析中得到了成功运用,为海域天然气水合物储层水力压裂提供一定的理论指导。
天然气水合物是由水和甲烷气体在低温高压条件下组成的结晶化合
与日本水合物试采区的砂质地层对比,我国南海海域水合物主要赋存于泥质粉砂地层中,其赋存环境更加复杂,泥质含量高导致渗透率低,严重制约了降压开采的效果,从而使得常规的降压开采难以获得理想的产气
在Abaqus软件中,通过在原始单元内插入cohesive单元,将其分为上下两面,其中上表面和下表面的节点距离表示裂缝宽度,中间面的节点表示压裂切向流动的状态,如
图1 cohesive单元示意
Fig.1 Schematic diagram of a cohesive unit
CHE
图2 牵引扩展定律
Fig.2 Law of traction propagation
在单一类型荷载下,GONG
(1) |
式中:k0——cohesive单元表面刚度;δ0、δf——分别为单元界面的初始形变和完全破坏的相对位移;D——截面破坏损伤因子,其取值在0和1之间,当D为0时,表示材料完好无损,当D为1时,表示材料已完全破坏。
应用二次应力准则则可以判断水力压裂裂缝是否开裂,即当cohesive网格单元任一方向的三向应力与其对应的强度极限之比等于1时,水合物储层开始破裂:
max= | (2) |
水合物储层在完全起裂后,牵引扩展定律中的损伤演化模型如下:
(3) |
式中:、、——分别为牵引扩展定律所计算cohesive网格单元未发生损伤时3个方向上的应力分量。
同时通过线性位移扩展准则,可以推出损伤因子D的公式:
(4) |
式中:——裂缝开裂的最大位移;——裂缝开裂时的位移(D=1);——裂缝损伤演化时的位移。
本文的研究对象为水合物储层,与常规油气储层相比岩性较软,其特殊的赋存形态形成了复杂的地层结构,加之不稳定性、沉积物和应力状态等多种因素影响,水力压裂过程极其复杂,目前相关的研究均处于起步阶段。因此,本文借助泥岩、页岩水力压裂相关模型基础,并只选取双向单缝为研究目标,简化模型。
Lijith
(8) |
式中:E——水合物储层弹性模量;——有效围压;——水合物饱和度;a——代表原始含天然气水合物沉积物的初始刚度的常数,大小取决于沉积物的组成及地层压力;b——代表受水合物形态、水合物形成条件及饱和度影响的常数。
WILLIAM
DAI
(9) |
式中:—水合物储层的渗透率;——水合物中沉积物的渗透率;——水合物饱和度。
为了更好地分析储层在水力压裂过程中的裂缝扩展及应力、应变变化规律,对二维水力压裂数值模拟做出如下假设:
(1)水合物储层为均质地层;
(2)孔隙压力为3.3 MPa;
(3)储层上下、左右边界固定,不产生位移。
同时,分别选用20 m×20 m、100 m×100 m两种尺度的模型进行模拟,其中20 m×20 m仿真模型主要用于研究裂缝及周边的应力、应变,100 m×100 m模型主要用于研究裂缝扩展方向、延伸机理方面的研究。此外还设置了水平方向和竖直方向的最大地应力 MPa与最小地应力 MPa,模型中心位置设置为压裂液的注入点,cohesive预设单元为裂缝发展方向,对称分布在井筒两端,如
图4 二维水力压裂模拟示意
Fig.4 Schematic diagram of two‑dimensional hydraulic fracturing simulation
参 数 | 数 值 |
---|---|
模拟储层大小/m | 100×100 |
地应力分布/MPa | (4、5、5) |
孔压/MPa | 3.3 |
弹性模量Tmax/MPa | 7800 |
泊松比 | 0.317 |
抗拉强度/MPa | 1.5 |
孔隙比 | 0.595 |
渗透系数/(m∙ |
3.70×1 |
滤失系数/(m∙ |
1× |
压裂液排量/( | 0.0006 |
注液时长/s | 60 |
粘度/(mPa∙s) | 60 |
本文分别对20 m×20 m、100 m×100 m两个模型尺寸下的裂缝扩展进行了数值模拟,得出了水合物储层水力压力过程中裂缝扩展的最大半长及最大宽度,通过2种尺寸下应力、应变、孔压的分布状态分析最优模拟结果,最后对比不同时间段裂缝扩展的速率,得出最优压裂时长,为后续的水合物水力压裂模拟提供指导。
模拟结果,如
模型尺寸/m | 裂缝半长/m | 裂缝最大宽度/mm |
---|---|---|
20×20 | 6 | 5.5 |
100×100 | 6 | 5.8 |
模型建立的过程中,我们分别设立了(x,z)2个方向的边界值,即水平方向和竖直方向的最大地应力 MPa与最小地应力 MPa。在模拟的过程中,随着压裂液的不断注入,裂缝不断扩张的同时,其内部的压裂液沿法向切力的方向作用于裂缝内表面,并不断向外辐射。如果应力位移传递量设置过小,很容易导致应力不能有效传递,在边界位置产生变形,影响模拟结果的准确性。
图5 裂缝扩展模拟结果
Fig.5 Simulation results of crack propagation
图6 裂缝宽度随时间与压力的变化规律
Fig.6 Variation law of crack width vs time and injection pressure
本文通过利用abaqus软件建立基于cohesive单元的二维水力压裂数值模型,研究压裂过程中裂缝起裂和扩展、裂缝形态等参数,得出了水合物储层水力压裂裂缝扩展的最大半长及最大宽度。具体结论如下:
(1)采用100 m×100 m和20 m×20 m大、小两尺寸模型分别建立相同参数下的水合物二维水力压裂裂缝扩展模型,最终得出2组基本相同的数据结果:裂缝长度均为6 m,最大宽度分别为5.8、5.5 mm,论证了cohesive单元法分析水合物水力压裂方案的可行性。
(2)在二维水合物储层水力压裂模拟中,通过对2种尺寸模型数值模拟结果的分析,在利用cohesive单元法分析水合物水力压裂模型中应尽量构建尺寸较大的模型,这样更利于应力的传递及裂缝扩展的模拟,得出的实验结果更加准确。
(3)裂缝在扩展的过程中会伴随着阶梯性延展,一方面,由于刚开始注压时,较高的排量很容易在注入点附近形成憋压导致裂缝瞬间增大,并出现了短暂的波动。同时,随着预设单元扩展方向迅速裂开,此时裂缝中的压裂液内压会出现微降,在水平地应力的作用下,裂缝宽度出现短暂的收缩的现象,后续随着注入液的补充,开始逐步趋于缓慢的增长。这种急速扩张—收缩的现象形成了水合物储层“阶梯式”的水力压裂扩展规律。该研究能够为海域天然气水合物储层水力压裂提供一定的理论指导,提高水合物储层的渗流能力。
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