页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究

为了给彭水地区页岩气开发提供技术支持,进行了页岩储层水力压裂物理模拟试验研究,建立了一套页岩储层水力压裂大型物理模拟试验方法。利用声发射监测系统实时监测了页岩压裂裂缝的产生与扩展演化过程,观察了水力压裂裂缝形态,并探讨了压裂液黏度、地应力差异系数、压裂液泵注排量等因素对水力裂缝形态及其扩展的影响。试验结果表明,随着压裂液黏度降低、地应力差异系数减小,水力裂缝沿着天然裂缝方向延伸,将原有天然裂缝沟通并形成网络裂缝。根据泵压曲线变化结果,提出在实际压裂施工过程中采用变排量的方式提高压裂改造体积,这可为页岩气压裂优化设计提供依据。      

储层改造三维物理模拟实验研究与应用

储层改造的影响因素分析,一直以来多以经验和理论为主,偶有开展的小尺寸岩样实验,结果亦不能反映储层改造的真实情况。为揭示施工参数对储层改造的影响规律,参照顺北油田典型高应力储层岩石力学参数制作了大尺度实验样品,采用水力压裂物理模拟系统开展了三维水力压裂实验,研究了泵注排量、液体黏度对水力压裂的影响,以及声音发射振幅与泵注压力的关系。结果表明:随着初期泵注排量的增加,储层改造所需的破裂压力逐渐增加,达到一定数值后排量对破裂压力影响较小;泵注排量对破裂瞬间裂缝尺度大小有影响,但对整个压裂过程的影响很小;施工初期采用低黏滑溜水可明显降低破裂净压力,有利于降低施工压力;声发射振幅与泵注净压力正相关,破裂净压力越大振幅越大。研究成果可为高应力超深井压裂施工参数优化设计提供参考。     

基于储层纵向非均质性的水力压裂裂缝三维扩展模拟

水力压裂技术是有效动用致密气、页岩气等非常规油气资源的主体储层改造技术。为解决储层纵向非均质性导致的水力压裂裂缝垂向过度延伸或延伸受限等问题,采用大尺度岩样（762 mm×762 mm×914 mm）水力压裂物理模拟实验,优化建立了基于离散格子理论的全三维水力压裂数值模型,分析了薄层致密砂岩、多层理页岩两类储层的水力裂缝扩展形态及其主控因素。研究结果表明：(1)鄂尔多斯盆地苏里格地区致密砂岩储层水力裂缝形态以径向缝、椭圆和长方形为主,层间水平应力差、储隔层厚度比是水力压裂裂缝形态的主控因素,通过控制排量、增加滑溜水注入比例方式可降低裂缝垂向过度延伸;(2)页岩储层由于层理面的存在,三维空间形态更为复杂,裂缝垂向扩展分别呈现“1”“丰”“T”“十”和“工”字形共5种形态;(3)对于走滑构造型页岩气藏压裂,层理面胶结强度是压裂裂缝展布形态主控因素,通过前期高黏液造主缝,后期低黏滑溜水沟通水平层理的“逆混合”改造技术模式可提升页岩储层三维空间有效改造范围。结论认为,开展现场尺度下水力裂缝空间三维扩展形态模拟及其影响因素分析,可为非常规油气提高储层高效体积改造工艺技术优化提供参考依据。     

排量对页岩裂缝扩展的影响实验研究

页岩气藏在增产改造过程中需要大规模的水力压裂,施工排量的选择对水力压裂效果非常关键。利用真三轴水力压裂实验设备,模拟了压裂过程中不同排量条件下水力裂缝的扩展以及与天然裂缝的沟通情况。通过分析压裂曲线可知:变排量压裂能够提升缝内净压力,诱导水力裂缝转向,开启更多的天然裂缝形成复杂裂缝网络;天然裂缝发育时,排量越大,泵压越大,泵压波动越大,越有利于沟通更多的节理缝。     

基于三维扫描技术的页岩暂堵压裂物理模拟实验

页岩水力裂缝扩展形态及表征方法是评价暂堵压裂效果的基础,常规裂缝形态监测手段(如示踪剂法、声发射法)难以准确反映水力裂缝的起裂与扩展规律。因此,文中结合三维扫描技术,开展真三轴暂堵压裂物理模拟实验,研究不同排量下页岩暂堵压裂水力裂缝的起裂与扩展规律;通过获取裂缝体积与面积等参数,定量表征页岩暂堵压裂的裂缝网络复杂程度,从而评价压裂改造效果。结果表明,暂堵剂可有效促进页岩水力裂缝转向、分叉,以及多裂缝的形成,水力裂缝面曲率变化反映不同注液阶段暂堵剂的累积作用效果。不同排量下,页岩暂堵压裂的裂缝形态和裂缝网络复杂程度不同:小排量条件下,暂堵剂封堵初次裂缝,形成平行于初次裂缝的简单缝;大排量条件下,暂堵剂封堵初次裂缝,形成平行于初次裂缝并伴随天然裂缝张开的复杂缝。现场可通过增大排量提高暂堵剂在裂缝中的运移距离和封堵程度,增加远端天然裂缝的激活概率。     

弱面理论在吉木萨尔页岩体积改造中的应用

针对吉木萨尔油页岩缝网压裂裂缝形态认识不清的问题,从页岩储层改造特征出发,结合弱面强度理论,研究吉木萨尔页岩储层水力压裂缝网形成机理,定量化改进水力裂缝与天然裂缝、层理面相交作用准则,分析缝网扩展延伸规律,确定体积改造的工程可控参数。研究表明,排量为12 m~3/min、净液量为2 596 m~3、砂比为0. 1～0. 2可有效增大体积压裂裂缝改造效果,增大泄油面积。该研究为吉木萨尔页岩体积改造设计提供了理论依据和参数指导。     

基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究

针对页岩压裂属于脆性材料的裂缝扩展问题,从线弹性断裂力学理论出发,建立了水力裂缝与天然裂缝干扰判据以及新裂缝起裂角计算模型,并在此基础上编写了裂缝扩展计算程序,从地质和工程2个方面分析了页岩储层缝网延伸形态的受控因素。研究表明:在低水平主应力差和低逼近角的情况下,天然裂缝易发生剪切破坏,迫使水力裂缝发生转向形成复杂裂缝网络;新裂缝起裂角与天然裂缝倾角、水平应力差以及缝内净压力密切相关;天然裂缝展布(倾角、距离)对缝口净压力、交会点处裂缝缝宽有重要影响;低黏度压裂液有利于增大天然裂缝的极限延伸距离,而较高的施工排量可以增大交会点处天然裂缝宽度,利于支撑剂通过弯曲段,减小桥堵现象的发生。研究成果对页岩储层压裂设计具有重要的理论参考价值。     

东营凹陷页岩油储层层间干扰及裂缝扩展规律研究

东营凹陷页岩油储量丰富,但储层物性差,纵向含油层系多而薄,多为灰泥岩互层。为了准确描述东营凹陷页岩油储层层间应力干扰机理及水力压裂裂缝的扩展规律,利用非线性有限元法建立了基于渗流–应力–损伤耦合的多薄互层分层压裂模型,模拟分析了不同排量、压裂液黏度及不同上、下隔层厚度下的裂缝扩展形态、规律和诱导应力场,研究了裂缝扩展形态与诱导应力场的关系,并对压裂施工参数进行了优化。模拟结果表明:随着水力裂缝扩展,应力干扰区域越来越大;当排量为9～12 m3/min、黏度为20 mPa?s时,裂缝尖端诱导应力大,易连通天然裂缝,压裂改造效果明显;上部隔层厚度大于2.50 m、下部隔层厚度大于4.50 m时,极少出现穿层现象。研究结果可为东营凹陷页岩油储层后续的水力压裂施工提供理论支撑。      

裂缝性页岩储层水力裂缝非平面扩展实验

开发页岩气藏通常需要采用大规模的水力压裂工艺技术,而页岩储层中的天然裂缝、层理面对水力裂缝的扩展路径又有着非常重要的影响。研究天然裂缝对水力裂缝扩展的影响可为现场预测水力裂缝扩展方向以及实施缝网压裂提供技术支撑。为此,选取4块尺寸为400mm×400mm×400mm的下志留统龙马溪组页岩露头标本,来进行真三轴水力压裂实验和声发射监测,以便研究水力裂缝与天然裂缝的沟通行为。实验结果表明:水力裂缝遇到天然裂缝时可发生转向或者穿透天然裂缝,形成一种空间非平面裂缝网络;大开度、低胶结强度的天然裂缝容易导致水力裂缝转向,难以形成新的主水力裂缝面;水力裂缝穿透层理面时,流入到层理面上的压裂液呈椭圆状分布;水力裂缝从岩石本体起裂的方向上声发射点较集中,沿着天然裂缝扩展的方向上声发射点少。结论认为:1水力裂缝能否穿透天然裂缝与天然裂缝的开度、胶结强度有关;2裂缝性页岩储层水力压裂易形成空间非平面网状裂缝;3与主裂缝面相比,压裂液进入到层理面的体积较少。     

提高深层页岩裂缝扩展复杂程度的工艺参数优化

埋深大于3 500 m的深层页岩储层具有高水平主应力差、发育层理裂缝、低脆性指数等特点,在压裂改造时难以形成复杂裂缝。为了充分认识其水力裂缝扩展规律,采用三维离散格子方法对四川盆地下志留统龙马溪组深层层理性页岩12 MPa水平主应力差下的真三轴压裂物理模拟实验结果开展了离散元数值模拟分析,其结果与发育单一层理的页岩露头室内压裂物理模拟的裂缝扩展规律相吻合;进而对发育多层理的深层页岩储层开展排量、压裂液黏度、层理强度和压裂液交替注入等影响下的裂缝扩展规律数值模拟。研究结果表明:①高排量注入和提高压裂液黏度能够增强深层页岩储层裂缝深穿透改造能力,当排量达到90 mL/min或压裂液黏度达到60 mPa·s时,水力裂缝可连续穿过4条层理并贯穿整个试样;②在高水平主应力差下,低黏度压裂液倾向于激活水平层理,而高黏度压裂液则倾向于直接穿过层理形成垂直主缝。结论认为:①采用前置高黏度/后置低黏度压裂液交替注入压裂工艺可以最大限度地提高深层页岩储层压裂裂缝复杂程度;②当井筒附近存在薄弱层理时,应及时调整压裂工艺和压裂参数,比如尽可能地增加施工排量、采用瓜胶压裂液等,以使水力裂缝突破近井薄弱层理抑制进而实现深穿透改造。     

页岩压裂裂缝网络预测方法及应用

页岩储层天然裂缝发育,加上水力压裂所形成的复杂裂缝网络,可以为油气流动提供有效通道,然而复杂裂缝网络扩展对压裂裂缝识别与优化设计也提出了新的技术挑战。为此,综合考虑天然裂缝与水力裂缝相互作用、缝间“应力阴影”等影响,应用流体力学与断裂力学理论,建立了裂缝网络扩展模型（FNPM）,实现了不同力学参数、不同天然裂缝等条件下裂缝扩展方位、几何尺寸、支撑裂缝面积等多指标预测。理论模拟和现场实例应用结果表明：①改造裂缝网络扩展受控因素多,地应力差、簇间距及净压力等参数决定了“应力阴影”效应的强弱,天然裂缝与水力裂缝之间的相互作用机理决定了改造裂缝网络的复杂程度;②地应力差相同时,簇间距越小,“应力阴影”效应越强,水力裂缝扩展偏离主应力方向,裂缝宽度减小,不利于加砂;③天然裂缝内摩擦系数、天然裂缝与水力裂缝夹角越小,净压力越高,天然裂缝越容易开启或剪切,增加了改造裂缝的复杂性;④裂缝扩展方向、裂缝长度二者预测具有较好的一致性,但受天然裂缝发育差异的影响,局部压裂段有一定的差异性。所提出的裂缝预测方法为页岩改造裂缝识别与后期压裂设计提供了技术支撑。     

复杂水力裂缝网络延伸规律研究进展

随着天然裂缝性储层、煤层气、页岩气、致密砂岩气、致密油和复杂岩性低渗透油气藏勘探开发进程的加快,大规模体积压裂实践及微地震裂缝实时监测技术对水力裂缝延伸模拟提出了巨大挑战。复杂网络裂缝延伸受储层岩性、岩石力学性质、地质力学和天然裂缝特征等影响,文中综述了天然裂缝对水力诱导裂缝延伸影响的国内外研究进展。水力诱导裂缝与天然裂缝相交前、相交时和相交后的复杂力学行为决定了水力诱导裂缝的复杂延伸规律：水力裂缝尖端逼近时,诱导应力场会导致胶结天然裂缝张性或剪性脱粘;相交时,天然裂缝可能出现剪切破裂导致压裂液大量滤失、或水力裂缝穿过天然裂缝沿原方向延伸、或转向沿天然裂缝延伸并在其端部或弱结构点起裂;相交后,可能出现多个裂缝尖端同时延伸的情况,形成复杂网络裂缝。真三轴压裂测试系统结合工业CT扫描、声发射装置、X-衍射等是研究复杂网络裂缝形成机理的主要试验手段;而非常规裂缝模型和扩展有限元方法（XFEM）是模拟复杂网络裂缝延伸的主要数值手段。XFEM是处理含裂纹等不连续问题的最有效方法,并具有有限元方法的所有优点,考虑到裂缝内流体压力是水力裂缝延伸的驱动力,故基于XFEM的渗流-应力-裂缝延伸全耦合研究是未来体积压裂复杂网络裂缝延伸模拟的重要发展方向。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统对页岩露头开展了水力压裂裂缝扩展模拟试验,并利用高能CT扫描观测压后岩心内部裂缝形态,研究了多种因素对页岩水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验条件下的研究结果表明：排量对裂缝复杂度的影响存在一定的范围;当水平地应力差小于9 MPa时,水力裂缝易沿天然裂缝转向,形成网状缝。随着应力差的增加,主裂缝（横切缝）的产生有利于沟通更多的天然裂缝,形成相对更复杂的裂缝;相同水平应力差条件下,水平应力差系数大于0.25时,有明显形成单一主裂缝的趋势;排量和压裂液黏度对水力裂缝几何形状的影响可用参数qμ表达,该值较低或较高都不利于缝网的产生;页岩层理的发育和胶结强度严重影响压裂缝网的复杂度。     

胶结型天然裂缝对水力裂缝影响的数值计算模型及机理

页岩等非常规储层中富含由矿物填充的胶结型天然裂缝,水力裂缝与胶结型天然裂缝间的相互作用机制是控制复杂裂缝网络形成的关键。基于流动-变形耦合的内聚力模型,采用断裂能参数对天然裂缝胶结强度进行简化表征,建立了水力裂缝与胶结型天然裂缝间相互作用的数值模型。通过与单条水力裂缝极限情况渐进解对比,验证了该方法的可行性。在此基础上,研究了地应力、逼近角、胶结强度比以及压裂液黏度和注入速率等因素对水力/天然裂缝相互作用的影响。研究结果表明：水平地应力差与最小水平地应力共同控制着水力裂缝的穿越行为;地应力差相同,最小水平地应力不同,水力裂缝最终几何形态及缝内压力分布可能不同;逼近角越小,水力裂缝越容易转向沿天然裂缝扩展;胶结强度比越大,水力裂缝越不容易转向沿天然裂缝扩展;忽略缝内流体滤失,相同的注入速率和流体黏度的乘积会导致相似的裂缝几何形状及注入点压力变化。裂缝尖端前缘区域形成低孔隙压力区与内聚力区大小有关：内聚力区越小,孔隙压力越低。     

胶结型天然裂缝对水力裂缝影响的数值计算模型及机理

页岩等非常规储层中富含由矿物填充的胶结型天然裂缝,水力裂缝与胶结型天然裂缝间的相互作用机制是控制复杂裂缝网络形成的关键。基于流动-变形耦合的内聚力模型,采用断裂能参数对天然裂缝胶结强度进行简化表征,建立了水力裂缝与胶结型天然裂缝间相互作用的数值模型。通过与单条水力裂缝极限情况渐进解对比,验证了该方法的可行性。在此基础上,研究了地应力、逼近角、胶结强度比以及压裂液黏度和注入速率等因素对水力/天然裂缝相互作用的影响。研究结果表明：水平地应力差与最小水平地应力共同控制着水力裂缝的穿越行为;地应力差相同,最小水平地应力不同,水力裂缝最终几何形态及缝内压力分布可能不同;逼近角越小,水力裂缝越容易转向沿天然裂缝扩展;胶结强度比越大,水力裂缝越不容易转向沿天然裂缝扩展;忽略缝内流体滤失,相同的注入速率和流体黏度的乘积会导致相似的裂缝几何形状及注入点压力变化。裂缝尖端前缘区域形成低孔隙压力区与内聚力区大小有关：内聚力区越小,孔隙压力越低。     

层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析

储隔层水平地应力差是水力裂缝高度延伸的主控因素,采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件,对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验,并实现对大尺度岩样内部裂缝扩展的全三维实时声波监测。通过声波监测结果与实际裂缝形态对比,讨论了层间应力差、施工参数(排量、黏度)、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。结果表明:缝高受层间应力差控制明显;同时施工参数也会影响裂缝的垂向延伸,高黏流体压裂有利于缝高延伸;对于均质致密砂岩岩样,实时声波监测技术能够对裂缝扩展动态进行有效监测。本研究为缝高延伸机理研究提供了实验手段,也为现场微地震监测提供参考。     

页岩气压裂数值模型分析

水力压裂和水平井开采是页岩气开发的主要技术,在我国尚处在工业试验阶段,存在很多技术瓶颈。在总结分析了页岩气压裂的特点基础上,探讨了网状裂缝形成的主控因素及裂缝扩展模型、产能预测模型的类型以及优缺点。结果认为,特殊的赋存生产机理、复杂的裂缝形态和多尺度的渗流模式是页岩气压裂的主要特点,其目的是形成网状裂缝,扩大储层改造体积;网状裂缝的形成主要受天然裂缝与人工裂缝的夹角、水平主应力差和岩石的脆性等因素的控制。页岩气压裂产能预测模型面临的主要问题是裂缝形态的模拟和气体流态的描述,主要有非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型等,这些模型和方法在一定程度上表征了页岩气压裂裂缝形态和渗流特点,但没有考虑不规则的裂缝形态等。