玛湖油田岩石水力压裂模拟

一、    背景概况

玛湖10亿吨级特大油田是近年来我国最大的油气勘探成果，成为当前国内最现实的增储上产接替区。根据中国石油新疆油田公司规划，2019至2025年玛湖油田将年均新建产能165万吨，2026至2030年年均新建产能110万吨，2025年玛湖油田年产量将达到500万吨，并稳产6年。

但在在物性上，砂岩细小，砾岩粗大。这种岩性差别决定了常规砂岩油藏开发技术用于砾岩，效果不理想。更何况，玛湖凹陷区含油层埋深较大，物性变差，孔隙度一般小于12%，渗透率小于5毫达西，加上大小砾岩混杂，非均质性极强。必须基于对地下储层的精细认识，找到有针对性的开发技术路线：水力压裂。

二、    Cohesive element原理

ABAQUSd提供一种粘结单元（cohesive element），用以模拟两个部分之间的粘性连接，一般来说，它要求粘结材料尺寸和强度都小于粘结部分（比如多层复合材料的胶粘层），进而可以利用cohesive element模拟材料的断裂。从本质上讲，利用cohesive element模拟材料的断裂其实是单元删除方法的一种。

Cohesive element的中面虽然能够承受拉伸和剪切的应变，但并不能产生任何应力，因此，cohesive element 只能支持垂直于上下表面的牵引-分离破坏准则（Traction-separation laws）。

图1  黏聚力模型示意图

图2  双线性型黏聚力模型

ABAQUS中的Cohesive element 方法可应用于水力压裂技术。其计算流程如下：

1.对预知的裂缝路径（区域）进行细化分割。

2.在mesh的时候在裂缝区域赋予cohesive element。

3.设置合适的断裂准则（Traction-separation laws）。

4.在输出中设置不显示破坏的单元。

5.加载，后处理。

三、模型设置

首先用python全局随机设置随机大小、形状、性质的砾石；其次，采用插件全局插入内聚力单元；最后设置网格、增量步、时间、提交job。

图3  裂缝穿过砾石

图4  裂缝沿砾石表面扩展

图5  裂缝穿过大砾石扩展

五、结论：

1.  总体上，裂缝沿最大主应力方向扩展；

2.  裂缝扩展方式与砾石的角度有关系；

3.  裂缝扩展扩展与砾石力学性质有关。

参考文献：

[1] li Xuejiao A hybrid experimental and numerical technique to extract cohesive fracture properties for mode-I fracture of quasi-brittle materials.

[2] 玛湖油田12.4亿吨储量遭质疑 中国石油新疆油田回应．中新网.

[3] ABAQUS官方指导手册.