超临界CO2压裂起裂压力模型与参数敏感性研究

超临界CO2流体具有低黏度、无表面张力的特性,若应用于非常规油气储层压裂可望实现一种无污染的新型无水压裂方法。通过建立流体在井筒内的增压速率模型,得到了考虑超临界CO2流体黏度、压缩性及增压速率的裂缝起裂压力预测模型,并与水力压裂、液态CO2压裂起裂压力进行了对比分析。结果表明,超临界CO2流体的起裂压力比液态CO2流体低20.5 %,比常规水力压裂起裂压力低75.5%;超临界CO2流体的黏度、压缩性及增压速率对裂缝起裂压力影响显著。模型与文献中试验数据对比,误差在3%以内,可为超临界CO2压裂起裂压力预测提供指导。     

超临界二氧化碳压裂技术研究进展

对于低渗透油页岩矿藏的开发,超临界二氧化碳（SC—CO2）压裂技术有效规避了水力压裂会引起的地层伤害、诱发地震和环境污染等问题,且由于其在起裂压力、沟通微裂缝、形成复杂缝网上的优势,是目前一项热门的无水压裂技术。本文详细介绍了SC—CO2压裂技术的技术特点和近年来SC—CO2压裂的实验与数学模型研究。从裂缝扩展规律性实验、在SC—CO2作用下的岩性变化实验、SC—CO2压裂液体系的研制以及SC—CO2流体携砂流动、井内温度场、裂缝起裂扩展数学模型的相关研究中,探讨目前SC—CO2压裂技术的研究进展与不足,并在增粘剂的设计、裂缝有效性的评价、填砂裂缝网络提高油页岩储集层传热和渗流能力等方面的研究提出了建议,对SC—CO2压裂技术的未来发展具有参考意义。     

多级循环泵注水力压裂模拟实验研究

超深储层地层起裂压力较高,水力压裂受现场泵注设备的限制严重,文中重点研究了大尺度水力压裂物模实验水泥样品尺寸（762 mm×762 mm×914 mm）在循环和常规两种泵注条件下的起裂扩展和声发射规律。实验结果显示,（1）相对于普通泵注,采用循环泵注方式进行水力压裂可以有效降低起裂压力,类似于单轴和三轴循环加载岩石力学行为,都是由于循环加载引起疲劳损伤;（2）对于螺旋射孔完井方式,水力压裂裂缝只从最薄弱射孔处起裂,一旦起裂后其他射孔孔眼很难再开启,水力压裂现场应合理选择分段距离和簇间距,实现储层改造效率最优化;（3）循环泵注水力压裂存在Kaiser效应（当加载应力到前次加载最高应力值时出现的声发射信息）。因孔隙流体扩散到岩石并导致孔隙压力的局部上升,破坏模式仍然可以由摩尔圆表示。研究成果对循环泵注条件的裂缝扩展规律研究以及发展新型压裂改造技术具有重要意义。     

砂砾岩液态CO2破裂机制试验研究

砂砾岩储层一般较为致密,且非均匀性强,常规压裂方法压裂效果不理想。液态CO2（L-CO2）压裂是近年来提出的一种压裂增产手段,压裂效果上具有明显的优势。采用井底岩芯开展不同围压下清水和L-CO2压裂试验,并结合?CT扫描和核磁共振试验,比较两种压裂方式在破裂压力、破裂特征和裂缝分布的差异,深入分析砂砾岩L-CO2压裂的破裂机制。发现相同围压下L-CO2可大幅度降低破裂压力,且增大围压,L-CO2和清水压裂的破裂压力相差越大;?CT扫描显示,L-CO2压裂形成的是不规则的多分支裂缝,与主裂缝共同构成复杂裂缝网络,L-CO2压裂的裂缝体积是远大于清水压裂。核磁共振（NMR）结果发现,L-CO2压裂中破裂以贯通砾石颗粒界面微裂纹的方式为主,剪切激活机制占主导作用,而清水压裂以形成张拉的单一裂缝方式为主。L-CO2压裂获得更好的裂缝网络主要与砂砾岩中砾石颗粒造成的非均匀性有关,并影响着裂缝网络的复杂性。相关的研究成果可为砂砾岩储层改造和增产增效工艺优化提供指导。     

考虑裂缝特性指标的煤层气“垂直井”起裂压力计算方法

为探究碎裂煤储层中裂缝特性指标对垂直井起裂压力的影响规律,解决垂直井起裂压力的理论计算问题,首先基于断裂力学和弹性力学原理,考虑原生裂缝特性和压裂液渗透特性,建立了垂直井起裂压力模型。其次定量化分析原生裂缝特性对起裂压力的影响,提出了"裂缝特性指标T"的概念,并推导出T的数学表达式。最后对起裂压力做了原生裂缝特性参数敏感度分析,得出影响起裂压力的最敏感性因素为裂缝宽度b,且当b在100~700μm区间内时地层的裂缝特性指标对起裂压力有实际意义,解决了压裂目标层的选择问题。研究结果表明,垂直井起裂压力的影响因素不仅与储层岩石力学性质、应力场、压裂液性质、井孔尺寸有关,还与原生裂缝的宽度、长度、密度以及裂缝面的粗糙度有关,尤其是裂缝宽度的小范围波动都会引起垂直井起裂压力较大的变化。根据焦作矿区恩村5口试验井田实际地质勘查资料和压裂施工资料,对垂直井起裂压力进行了计算和验证,发现实际起裂压力与大部分计算结果较为吻合,且与井筒埋深的变化趋势一致,表明该理论模型对于垂直井起裂压力的实际控制具有一定的指导意义。     

基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

储层非均质性对水力压裂的影响

从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。     

水力压裂扩展特性的数值模拟研究

采用ABAQUS建立了水力压裂计算模型,模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论：（1）在注入压力一定的情况下起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液黏度、最大水平地应力、弹性模量无关;（2）裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关;（3）水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。研究结论对于水力压裂作业优化具有参考价值。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

注CO2条件下花岗岩破裂特征的试验研究

CO2增强型采热系统（CO2-EGS）工程中CO2作用下岩石的水压破裂行为是目前亟需解决的一个关键科学问题。从福建漳州采取花岗岩露头,利用自主研制的厚壁圆筒式致裂仪进行了不同流体（CO2、水）的水压致裂试验,研究了CO2、水入渗致裂后花岗岩的破裂特征及破裂机制。研究表明：随着致裂液黏度的减小,试样破裂过程会形成更多且更曲折的微裂纹分支,这意味着,采用CO2压裂可能更有利于形成缝网,从而有助于提高增强型采热（EGS）工程中换热效率;试样的破裂压力随着致裂液黏度的减小而降低,而较低的破裂压有助于注入井的安全运行;试验结果可用从对流换热角度分析的流体岩石相互作用机制解释,进而验证了其准确性。     

薄互层水力裂缝垂向扩展控制因素试验研究

新疆油田某地区油藏的储隔层岩性组合复杂,呈现突出的薄互层产状特征,研究合、分压判断条件有利于提高压裂效率,增强储层动用程度与压后改造效果。水力裂缝在薄互层中的穿层与裂缝扩展行为受薄互层地质特征与压裂施工参数的影响。基于此,开展了薄互层物理模型压裂试验,研究界面胶结、岩层分布、岩层厚度、压裂液黏度与注液排量对薄互层中水力裂缝垂向扩展的影响分析。试验结果表明：薄互层的地层特征界面胶结与岩层分布是水力裂缝垂向扩展的主要控制因素,界面胶结强度对裂缝垂向扩展行为的影响强于岩层分布;由于弱胶结界面的存在,水力裂缝垂向扩展穿层时可发生方向偏转,抑制裂缝垂向扩展;提高压裂液黏度与注液排量有利于薄互层中水力裂缝的穿层垂向扩展。     

水平井多段压裂应力场计算新模型

为了准确认识水平井多段压裂过程中井筒周围应力场变化,指导裂缝起裂和延伸机制研究,综合考虑井筒内压、地应力、压裂液渗流、热应力、射孔和先压开裂缝等因素的影响,根据应力叠加原理,建立了水平井多段压裂应力场计算模型。该模型利用位移不连续法,重点考虑了先压开裂缝在水平井筒周围水平面上产生的诱导应力大小,克服了裂缝诱导应力解析模型只能计算裂缝高度平面诱导应力大小的局限。结果表明,通过应力场模型进行的破裂压力预测与实际破裂压力值吻合度较高,验证了建立模型的准确性;人工裂缝形成后会对水平井筒周围应力场造成很大影响,在裂缝尖端出现应力集中,造成应力分量降低,在裂缝周围一定区域造成应力分量有较大的升高;多段压裂压开人工裂缝越多,应力之间干扰越严重,水平井筒周围应力分布越复杂。该研究对认识多段压裂存在先压裂缝干扰下后续裂缝的起裂和延伸机制,指导压裂施工具有一定意义。     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。     

超临界CO2分段多簇压裂井间干扰规律研究

水平井分段多簇压裂是非常规油气藏开发的关键技术,在合理利用压裂诱导应力增大储层改造体积的同时,避免井间干扰所导致的裂缝砂堵和压裂窜扰,是压裂工艺优化中的关键科学问题。文章针对超临界CO₂分段多簇压裂的缝间干扰和井间干扰问题,采用流固耦合的扩展有限元方法研究单井及多井裂缝诱导应力演化特征,充分考虑裂缝内超临界CO₂流动和滤失,从非常规油气储层岩性特征、地应力场分布及施工工艺等多方面对压裂扰动应力进行系统研究,揭示单井分段多簇压裂缝扩展机制及应力扰动特征,在此基础上研究多井井间压裂缝干扰规律。结果表明：高水平应力差、高弹性模量的储层中压裂干扰界限较大,低水平应力差、低弹性模量地层需适度增大簇间距,减小簇间干扰;老井压裂后,其邻井压裂缝非对称系数随井间距呈先增大、后减小的趋势;当井间距等于压裂干扰界限时,非对称系数λ达到最大,且井周改造范围最大,但裂缝两翼的非对称性可能导致储层动用不充分。本研究为水平井细分切割压裂和立体式井网设计优化提供理论基础,在“双碳”战略背景下对非常规油气资源高效开发具有重要意义。