基于“辩证”思路的水力压裂数值计算

摘要

在水力压裂作业中，为应对应力阴影效应及地应力梯度的不利作用，往往需施加较高的射孔摩阻。然而，该操作易导致井底压力异常升高，进而可能引发压裂施工失败。针对该问题，使用FrackOptima全三维水力压裂软件和前期研究提出的射孔冲蚀模型与滤失模型建立算例，采用综合性边界元法对网格进行离散化处理，并结合时间步长算法进行流固耦合数值仿真，定量研究了射孔数目分布对裂缝最终形态、压裂液分布以及井底压力的影响规律。研究结果表明，为了获得较均匀的多簇裂缝形态和压裂液分布，不需要使用射孔摩阻同时克服应力阴影效应和地应力梯度，而是辩证地将二者分别对待：在地应力较小的区域，主要影响因素是应力阴影效应，此时应设置较少的射孔数，提高射孔摩阻克服应力阴影效应；而在地应力较大的区域，主要影响因素是地应力梯度，此时应适当增加射孔数，确保足够的压裂液流体压力去克服地应力梯度。在本文算例参数条件下，4个射孔簇的孔眼数分别为12、14、16、24时，可以确保井底压力在实际压裂安全范围内，同时实现较均匀的多簇裂缝形态和压裂液分布。这一“辩证”思路能够为高效、安全的实际压裂方案设计提供理论指导。

关键词

水力压裂 / 应力阴影效应 / 地应力梯度 / 射孔数 / 数值计算

基金资助

湖北省自然科学基金（2019CFB103）; 湖北省教育厅重点项目（D20201505）