地下资源开采水力压裂仿真解决方案：Hydraulic Fracturing Simulator

水力压裂是低渗油气田、煤层气、页岩气开发的核心增产技术，即利用注入地下井的高压液体压裂岩体形成连通的渗透裂隙网络，使油气能够通畅流入井中。水力压裂已经成为页岩气开发的革命性增产措施，而且在地热能开发、煤矿瓦斯抽放等领域也发挥了很大的作用。

为了达到最佳的压裂效果，需要对水力压裂进行优化 ，使得改造体达到最佳经济产量的要求。目前的测量技术，如微地震监测，可以对水力压裂的效果进行监测，但这仅仅是一种后处理过程，无法进行预测和优化，因此水力压裂数值模拟是优选储层改造措施和优化产量的基本手段。 德国Dynardo公司开发Hydraulic Fracturing Simulator是目前唯一可以对三维节理岩体水力压裂过程进行仿真模拟并计算改造体，从而对水力压裂措施和储层产量进行优化与预测的软件技术。

Hydraulic Fracturing SImulator

唯一基于有限元的全三维水力压裂模拟技术

Hydraulic Fracturing Simulator水力压裂解决方案

Hydraulic Fracturing Simulator不仅可以对水力压裂过程进行模拟，而且针对地质参数与工程参数的不确定性，基于现场测量数据对模型参数进行反演分析，从而保证输入参数的有效性和输出结果的准确性，确保模型可以用于产量预测与优化。

Hydraulic Fracturing Simulator解决方案集成了如下核心技术：

1）ANSYS：世界领先的三维有限元分析软件，可真实模拟三维地质结构及其力学行为。

2）multiPLas：基于ANSYS开发的岩土非线性本构与算法库，实现了复杂三维节理岩体的断裂与扩展分析。

3）流固耦合分析：基于ANSYS开发的各向异性渗流分析与双向流固耦合技术，考虑渗流与裂隙扩展的交互影响，真实模拟水力压裂过程。

4）optiSLang：Dynardo开发的多参数、多目标优化分析软件，基于MOP技术提供了当今最高效的参数敏感性与优化分析功能，可以基于实测数据对数百个不确定性输入参数进行快速反演分析，并对压裂设计与产量进行优化。

参数反演针对某阶段压裂施工的初始地应力条件、灌注流量、井底压力、瞬时关井压力、微震监测数据等工程测量数据进行，其目标是确定合理的输入参数以保证仿真结果与实测数据一致。反演得到的有效预测模型可用于后续工程阶段或者同气藏其他气井的产量预测与优化。

Hydraulic Fracturing SImulator的水力压裂分析流程

Hydraulic Fracturing Simulator的优势与用户价值

1）Hydraulic Fracturing Simulator是目前唯一基于三维有限元技术的水力压裂模拟解决方案，可以真实模拟地质结构及其力学行为，并在模型中考虑所有工程参数，包括地质勘探、测井数据、压裂液参数、压裂设计参数等。

2）基于先进的力学模型，可以模拟复杂节理网络与完整岩体的断裂破坏，包括空间剪切破坏和拉伸破坏，是目前唯一可以真实反映节理发育岩体（如页岩）断裂机理的水力压裂解决方案。

压裂扩展过程裂隙张开度以及节理岩体渗透系数

3）瞬态渗流与应力分析的双向耦合，真实模拟水力压裂过程。

4）基于现场实测数据进行参数反演，有效地解决了参数不确定性问题，保证了模型的有效性。

用户通过Hydraulic Fracturing Simulator的仿真模拟，可以预测改造体和渗透率，对油气开发进行量化，评估经济效益与环境影响，并通过优化水力压裂措施，对改造体和渗透率进行优化，保证经济产量。

基于微震监测数据（左）与射孔井底压力（右）进行参数反演（红色点、线为监测数据）

改造体积发展历史以及破坏模式，图形显示某页岩气储层以节理的剪切破坏为主导模式

Hydraulic Fracture Simulator可用于水力压裂相关的各个领域，包括页岩气、页岩油、致密气、煤层气、石油开采、地热能、煤矿瓦斯抽放、核废料处理、工业排污等。

Hydraulic Fracturing Simulator工程应用实例

Hydraulic Fracturing Simulator在美国多个页岩气藏中得到了成功应用与验证。图示为德克萨斯州巴内特页岩气藏某气井的水力压裂计算有限元模型。该气藏包括7个岩层，每层包含4组节理。水力压裂设计包括5级压裂，每级的泵注时间为100~200分钟。

巴内特页岩气藏的岩层分布与水力压裂计算模型

基于小型挤注测试以及第1级压裂的微震监测数据对近200个物理输入参数进行反演分析获得了有效预测模型。

巴内特页岩气藏某气井第一级压裂计算的改造体

采用该预测模型对同一气井5级压裂后以及距离0.5英里外的相邻气井（6级压裂）的产量进行了预测，预测产量与实际产量非常接近。

巴内特页岩气藏6个月产气量对比（百万立方英尺）

基于该预测模型对水力压裂设计进行了优化，对该井的第一级水力压裂设计仅仅改进一个参数后，改造体积（代表了产气量）就提高了25%，由24.2´106立方英尺提高到了30.2´106立方英尺。

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