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本文通过对松辽盆地构造演化及构造变形特征、地应力场及与裂缝静动态特征关系研究、油层流-固耦合渗流机理模拟、应力场及裂缝分布特征数值模拟、水力裂缝压裂设计数值模拟、水力裂缝油藏模拟及水力压裂裂缝参数的确定的研究,取得的主要结论如下:
通过野外地质观察、构造分析和岩芯微细构造描述,特别是油田丰富的地质、地震、钻井资料分析,研究了松辽盆地大地构造背景、构造演化和构造变形特征。
以弹性理论为基础,结合测井资料,建立了一系列的剖面处理模型及校正模型,实现了利用测井数据来预测最大水平主应力方向(裂缝方位),建立了地应力剖面,在储层中上部发现一个高应力区可作为遮挡层。地应力场及与裂缝静动态特征研究表明,应力场中三维主应力的大小决定当时形成裂缝的密度;三维主应力的方向控制当时形成裂缝的方位和各期形成的全部裂缝的张开或错动程度,分析了天然微裂缝及水力多裂缝识别的G函数及净压力分析技术。
根据注水开发油田地应力与流体压力耦合效应,建立了油层岩石流-固耦合渗流数学模型,给出流-固耦合渗流模型的数值方法,探讨油层岩石破裂力学模型以及岩石裂缝的形成与分布模拟方法,编制了模型计算程序。
应用油层流-固耦合渗流模拟计算技术和油层岩石裂缝形成与分布的模拟方法,模拟了萨南地区,萨-组地层顶部应力场及裂缝分布特征,应力场模拟结果显示,在远离断层的稳定区,最小主应力近直立,约-20~-22MPa;中间主应力近水平,呈北北西-南南东向,约-21~-24MPa;最大主应力近水平,呈北东东-南西西东向,约-40~-41Mpa;裂缝模拟结果显示,在萨南地区,萨一组地层的顶部,新生的裂缝(或节理)趋向于在压裂井附近或远离断层发育,如东、西两侧、N6-4-35井东南等,走向约南东-北西向。裂缝指数在断层分布的大部分区域基本上都很大,约不小于16。在研究区边部不连续地分布着较大范围的低值区,尤其是东、西两侧,裂缝指数为2~4,即是裂缝发育区。
分析萨南地区水压裂缝形态判断依据与条件,探讨萨南地区裂缝形态及扰动地应力与水力压裂裂缝形态关系。模拟研究表明,在萨南地区油田范围内,水力压裂既可产生垂直缝,也可产生水平缝,而且两者比例大致相当。由于垂向主应力居中者略高,所以压裂产生的垂直缝也相对略高些。
建立了水平缝压裂设计模拟和垂直缝压裂设计模拟的数学模型,研制了模拟水力裂缝几何形态的计算程序,对喇12-P2955井水平缝压裂模拟结果显示,造缝半径36.5 m,最大造缝宽5.0 mm,平均支撑半径29.2 m,平均缝宽2.2 mm;对芳深701井垂直缝压裂全三维模拟结果显示,支撑缝长298.53m,支撑缝高35.78m。同时结合全三维温度场软件,计算出施工过程中裂缝内温度场变化规律,确实出不同温度段压裂液配方。
建立了水力压裂裂缝油藏模拟的数学模型,压裂水平裂缝油藏模拟结果表明,裂缝半径为井距的20%,裂缝导流能力为15-20d.cm,油层采出速度和采出程度提高最大:压裂垂直裂缝油藏模拟结果表明,采用五点法布井,水力裂缝方位与井排之间的夹角为零度时扫油效率最高,采用反九点法布井,裂缝方位与井排成45度夹角时扫油效率最高。在无水采油期和油井含水低于10%的油田开发初期,裂缝方位对采出程度没有影响或影响很小,随着开采时间的增加,裂缝处于不利方位时的油井见水明显提前,扫油效率大幅度降低,无水采收率下降的幅度很大,在给定的模拟条件下,裂缝处于不利方位时无水采收率只能达到20%左右,而裂缝处于有利方位时无水采收率可以达到46%左右。因而低渗透油田的开发效率,在很大程度上取决于无水采油期的长短和无水采收率的大小。