一種水平井層內爆炸裂縫體建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)領域中的頁巖氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣藏儲層改造技 術，尤其涉及一種用于研究分析儲層起裂網絡的水平井層內爆炸裂縫體建模方法。
【背景技術】
[0002] 長期W來，在開發(fā)頁巖氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣藏儲層時大多采用裸眼水平 井不動管柱分段壓裂技術制造地層裂縫網絡，W提高儲層的油氣產能。送種水力壓裂技術 存在例如形成的裂縫網絡不均勻，單井增產能力有限等缺點。因此，有關技術人員提出了一 種層內爆炸技術，將液體炸藥擠入水力裂縫或泉入水平井筒中引爆，利用炸藥爆燃的能量 使地層形成立體縫網，最大限度地提高儲層的滲流能力，提高油氣井產能。與傳統的水力壓 裂技術相比，層內爆炸技術更容易使地層形成均勻的立體縫網，在低滲透尤其是非常規(guī)油 氣田開發(fā)中具有潛在的應用前景。例如在上世紀70-90年代，美國、加拿大等已在油氣田進 行了層內爆炸現場試驗，油井產量增加1. 5~7. 0倍，氣井產量增加1. 5~14倍。
[0003] 盡管如此，層內爆炸技術到目前為止還是面臨許多問題和諸多挑戰(zhàn)。國內外對于 層內爆炸技術的研究大多集中于液體炸藥配方及其性能評價測試、點火及傳輸工藝方法、 小型層內爆炸實驗裝置W及巖石開裂模擬裝置研制等方面，缺乏關于層內爆炸形成的裂縫 體及相應的裂縫擴展機理數值模擬方面的研究，因此無法系統地掌握水平井筒層內爆炸形 成裂縫體的規(guī)律，也就無法有目的性地指導和規(guī)劃層內爆炸壓裂施工設計。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明提出了一種能夠用于研究分析層內爆炸特點的水平井層內 爆炸裂縫體建模方法。
[0005] -種水平井層內爆炸裂縫體建模方法，其包括W下步驟：
[0006]S100、確定平面應力模型的應用范圍；
[0007]S200、設定平面應力模型的遠場邊界條件；
[0008]S300、進行初始地應力平衡；
[0009]S400、建立水平井筒內瞬時爆炸載荷特征函數；
[0010] S500、選擇模擬計算單元的類型及尺寸；
[0011] S600、基于有限元分析方法中的單元消除技術，采用線彈性斷裂力學理論中平面 應力-位移關系方程W及最大拉應力脆性斷裂準側方程，建立描述水平井層內爆炸裂縫體 的平面應力模型。
[0012] 上述水平井層內爆炸裂縫體建模方法還包括：
[0013] 模擬應力波在巖石中傳播的阻尼影響。
[0014] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟Sioo中，平面應力模型的應用范圍的選取應當滿 足避免震動反射波的影響并為裂縫擴展留有足夠空間的條件。
[0015] 根據本發(fā)明的實施例，上述平面應力模型的應用范圍的半徑優(yōu)選為井筒半徑的 400 倍。
[0016] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟S200中，所述遠場邊界為漉軸邊界。
[0017] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟S400中，首先確定井眼爆炸峰值壓力值和若干不 同時間下對應的壓力值；然后利用直線依次連接送些壓力值，所建立的壓力-時間衰減函 數作為所述水平井筒內瞬時爆炸載荷特征函數。
[0018] 根據本發(fā)明的實施例，上述若干不同時間下對應的壓力值分別為所述峰值壓力值 的 10%、1%和 0. 1%。
[0019] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟S500中，所述模擬計算單元為一階H角形平面應 力單元。
[0020] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟S500中，隨著與井筒距離的增大，所述模擬計算 單元的尺寸逐漸變大。
[0021] 根據本發(fā)明的實施例，上述步驟S300中，采用ABA卵S/Standard靜態(tài)方法進行初 始地應力平衡。
[0022] 與現有技術相比，本發(fā)明的一個或多個實施例可W具有如下優(yōu)點：
[0023] 該方法無需事先設定裂縫起裂擴展方向，基于有限元分析方法中的單元消除技 術，應用線彈性斷裂力學理論中平面應力-位移關系方程及最大拉應力脆性斷裂準側方 程，建立了適用于模擬水平井層內爆炸裂縫體的數學模型并進行求解。求解得到的數值模 擬結果能夠直觀、形象地反映一定條件下水平井筒層內爆炸產生的裂縫體的幾何形態(tài)和幾 何尺寸，掲示了裂縫形成的主控因素，有利于認識各參數對層內爆炸壓裂效果的影響，進而 為提高爆炸能量利用率，W及對現場施工方案優(yōu)化設計和效果分析提供客觀的理論依據。
[0024] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且部分地從說明書中變得 顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權利要 求書W及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【附圖說明】
[0025] 附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實 施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0026] 圖1是本發(fā)明實施例采用的水平井層內爆炸裂縫體建模方法的流程圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明實施例中平面應力模型的應用范圍的示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明實施例中采用不同的壓力時間關系描述瞬時爆炸載荷特征的示意 圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明實施例中的常應力單元的示意圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明實施例中根據建模方法獲得的層內爆炸裂縫體形態(tài)的示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細地描述。本領域的技術人員 應當理解，為了簡化描述過程W及使本發(fā)明的技術方案清楚地呈現，W下僅W中石化華北 分公司DP12水平井進行層內爆炸模擬為例進行說明，但是該實施例的方案描述同樣適用 于其它類型的頁巖氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣藏儲層。
[0032] 實施例一
[0033] 中石化華北分公司DP12水平井段長844.67m，儲層巖石楊氏模量20GPa，泊松 比，0. 25,主應力取值55MPa和45MPa，抗拉強度lOMPa，應用本發(fā)明提出的水平井層內爆炸 裂縫體建模方法可對裂縫體的范圍進行計算。圖1顯示了該方法的一種實施方式。
[0034]S100、確定平面應力模型的應用范圍。
[0035] -般而言，在儲層中鉆設水平井會對井筒周圍的地應力分布產生W下兩種影響： 一種是使垂直于水平井趾端自由面上的應力為零，然后隨著與自由面的距離的增大，應力 逐漸變?yōu)樵妓降貞Γ涣硪环N是使平行于水平井自由面上主應力最大，然后隨著與自 由面的距離的增大，應力逐漸也變?yōu)樵妓降貞?。由于送種H維應力情況的載荷及變 形主要發(fā)生在平面內，符合平面應力計算特征，因此本方法將其理想化為二維平面應力情 況來模擬爆炸壓裂，既可W合理簡化計算過程而又不會影響模擬結果。但是需要注意的是， 不要為簡化計算而采用對稱的二維平面模型，因為裂縫起裂后整個模擬平面不呈軸向對 稱。
[0036] 此外，在確定模型應用的范圍時需要考慮W下兩點；1)防止邊界波反射及其對計 算結果產生的不利影響；2)為裂縫動態(tài)擴展提供足夠的空間。一般而言，水平井筒的靜 態(tài)彈性力學解的應力影響范圍是一個半徑約為6倍井筒半徑的區(qū)域的bertand Dnvall, 1967)。當超出該區(qū)域時，應力會回歸到原始地應力狀態(tài)。因此理論上，模型應用的平面范 圍可W是半徑為10倍井筒半徑的區(qū)域。但是在爆炸壓裂的動態(tài)情況下，考慮到爆炸過程 涉及到應力波的傳播和反射，模型應用的平面范圍最好擴大至半徑為400倍井筒半徑的區(qū) 域。如圖2所示，在本實施例中，考慮到波最大的傳播速度為5166m/sW及所用炸藥的持壓 時間，對于114mm直徑的井眼，優(yōu)選從井眼中必到邊界50m距離的區(qū)域為模型應用的范圍。 相應得，8ms的分析時間也確保有足夠的空間模擬爆炸過程中震動波的傳播和裂縫的擴展 情況。
[0037]S200、設定平面應力模型的遠場邊界條件。
[0038] -般而言，井眼爆炸載荷對于地層巖石會產生兩種作用；一種是在巖石周圍形成 破碎區(qū)和裂縫網絡，并因此消耗一定的爆炸能；另一種是巖石本身會作為一個無限大的介 質吸收大部分剩余能量，例如自由面的反射波和噪音等。
[0039]由于針對動態(tài)載荷的模擬都是選用彈性材料模型，因此，從數值計算的角度需要 主要考慮W下兩個方面；一是遠場邊界條件的合理設置；二是巖石對能量波的空間阻尼作 用。
[0040]由于本發(fā)明主要是針對爆炸后在井眼周圍形成不連續(xù)裂縫體進行離散模擬，因此 送意味著模型本身要吸收爆炸后產生的大部分能量。所W，本發(fā)明采用漉軸邊界來描述爆 炸壓裂模型的遠場邊界情況。同時，送種邊界必須足夠大，從而避免震動反射波影響W及為 裂縫擴展留有足夠的空間。另外，為了限制數值震蕩和增加物理阻尼，還可W優(yōu)選地在數學 模型方程中引入阻尼項。為此，ABA卵S(2009)提供了體積黏度的方法，且在分析過程中體 積粘度值保持不變，另外，選用剛度單元的做法也可W用來模擬阻尼過程。
[0041]ABA卵S(2009)認為，塑性材料對能量的吸收要遠高于阻尼效應對能量的吸收，因 此，在應用平面應力方法對爆炸壓裂裂縫擴展形態(tài)進行模擬時，可W忽略任何阻尼影響。根 據Rankline斷裂準則及單元消除技術，裂縫起裂及延伸時單元可被去除。所W，在考慮巖 石材料的塑性時，可W不考慮材料中任何的阻尼現象。
[0042]S300、進行初始地應力平衡。
[0043]由前述可知，本發(fā)明的目標是建立平面應力模型來描述水平井層內爆炸裂縫體， 其初始條件需要考慮原始地應力，并通過ABA卵S/Standard靜態(tài)方法進行初始地應力平 衡，送樣才能與位于深度幾千米的巖石儲層條件保持一致。送些初始地應力平衡計算結果 可W通過現有的有限元分析軟件ABA卵S的動態(tài)爆炸模擬求解模塊Explicit獲得。
[0044]S400、建立水平井筒內瞬時爆炸載荷特征函數；
[0045] 在建立水平井層內爆炸壓裂平面應力模型來描述情況