鄂西渝东东岳庙段页岩储层水力裂缝扩展形态与影响因素研究

页岩储层压裂的核心是形成复杂缝网,因此,水力裂缝的起裂、扩展及各工程条件等对压裂缝网的形成都有着重要的影响。对建南气田页岩天然露头展开真三轴物模实验,并对试验结果进行定量分析与表征。分析认为:东岳庙段页岩储层可压性较好,通过水力压裂能形成复杂裂缝系统;东岳庙段页岩储层存在3种裂缝延伸模型,并以模型Ⅲ为最主要的裂缝延伸扩展模型;高角度缝、压裂液粘度和排量是决定压后裂缝形态的主要因素。     

页岩储层可压性评价关键指标体系

从美国的页岩压裂作业经验看,压裂后产能高的气井并非压裂过程复杂、破裂压力高的地层,而是可压裂性好的地层。借鉴美国典型页岩气田的成功压裂经验,从地质评价指标、页岩体积压裂评价指标和工程技术评价指标三方面探索国内页岩可压性评价体系,对页岩气储层的地质特点进行评价,确定总地质储量、地质"甜点"区、成熟度等;获得储层岩石的脆性参数、天然裂缝、地层倾角、地应力等数据,对储层形成体积裂缝的可行性进行评价;探讨压裂增产的方式、射孔方式、压裂液性能等工程技术指标。从中优选影响储层可压性的主导因素,挑选出最能直接反应页岩地质力学可压性的指标,建立一套适合国内复杂地质和工程条件下的页岩气储层可压裂性评价指标体系,为构建页岩可压性评价模型与风险控制方法提供参考指标。     

清水压裂多场耦合下裂缝扩展规律数值模拟分析

利用室内实验测试研究层段页岩储层的物性参数、岩石力学参数和天然裂缝分布特征参数,建立了清水压裂过程中缺陷性岩体应力场—损伤场—渗流场耦合本构模型和破坏准则。通过Comsol软件进行有限元数值模拟,分析地层分别在拉伸和压剪应力下裂缝的扩展规律,天然裂缝系统开启时,页岩储层水力压裂可以形成人工裂缝网络。当水力裂缝扩展至天然裂缝时,裂缝的宽度有明显的增加,且水力裂缝方向发生改变,沿天然裂缝两翼的其中一翼扩展,另外的一翼并没有扩展。天然裂缝间存在着明显的互相干扰。多裂缝产生的过程是从多个小裂缝向少数大裂缝发展的过程,最终的裂缝条数取决于裂缝之间的连接性;地应力、天然裂缝、射孔井段、射孔方式、地层倾角、施工排量与液体黏度等,是影响多裂缝形成的主要因素。     

页岩暂堵转向压裂水力裂缝扩展物模试验研究

暂堵转向压裂是提高页岩储层重复压裂缝网改造效果的重要手段，然而该压裂工艺对页岩水力裂缝扩展规律的影响机理尚不明确。因此，基于室内真三轴压裂物模试验，研究页岩暂堵转向压裂裂缝起裂与扩展规律，分析地应力及注入速率等因素对水力裂缝延伸行为的影响，并通过油藏改造面积(SRA)定量表征暂堵转向压裂缝网改造效果。结果表明，暂堵剂可有效封堵初始裂缝，憋压促使水力裂缝发生缝内转向或激活原生天然裂缝系统，提高页岩缝网复杂程度；根据最终水力裂缝形态展，可划分为4种基本类型，包括台阶状缝、激活天然弱面的横切缝、简单多裂缝以及复杂多裂缝网络；不同地应力差异条件下暂堵机理及裂缝延伸规律不同，当水平应力差小于12 MPa时，暂堵剂通过封堵近井筒初始张开的原生层理或天然裂缝，诱导产生与天然裂缝斜交的二次裂缝，当应力差高于15 MPa时，近井筒天然弱面难以激活，暂堵剂通过封堵垂直井筒的初始横切裂缝，诱发形成平行多横切裂缝；增大注液排量可以提高多裂缝形成几率及裂缝沟通面积。     

致密砾岩水力裂缝扩展大型矿场实验

砾岩储层由于砾石的存在而具有极强的非均质性,砾岩压裂成缝机理复杂．受限于岩样尺寸和实验条件,室内压裂物理模拟受砾石尺寸效应影响显著,裂缝扩展时间尺度小．为真实记录裂缝动态扩展过程,反映现场实际工况条件下的压后裂缝宏观整体形态,搭建一套超大尺寸(2.0 m×2.0 m×1.0 m)真三轴水力压裂矿场实验平台,通过万吨级应力加载装置、真实管汇和压裂泵车,实现现场真实工况条件下的砾岩水力压裂模拟．基于该平台,分析了水平应力差、压裂液黏度和单孔进液速率对砾岩压裂裂缝动态扩展过程和压后裂缝宏观整体形态的影响规律．实验结果表明,砾岩压裂趋于在井筒处形成“纵向缝+横切缝”的复杂多裂缝形态,远离井筒后,横切主缝扩展优势逐步显现,局部遇砾形成分支缝;12 MPa高水平应力差条件下,压后近井区域形成多缝竞争扩展的复杂裂缝带,横切主缝向远端延伸优势减弱;压裂液黏度低于50 mPa·s时,压后横切主缝扩展优势显著,当压裂液黏度高于50 mPa·s时,近井区域形成复杂多裂缝形态;单孔进液速率超过0.3 m³/min后,井筒处趋于形成多条纵向缝,易导致段间压窜．研究成果有助于深化认识砾岩储层...     

基于双甜点的页岩储层可压性评价方法

页岩储层的甜点和可压性评价是页岩油气勘探开发的重要评价指标,现场往往对储层甜点和可压性分别进行评价,而页岩储层甜点和可压性的评价参数和数学方法存在相似性,易造成二者概念混淆、相互关系不清和重复评价等问题．为明确二者的联系性,建立一致性评价方法,系统调研了国内外常用的甜点和可压性评价方法,从概念和评价方法出发,厘清了地质甜点、工程甜点及可压性的关联性,并基于甜点综合分析提出可压性评价方法．该方法利用现场地质、工程参数计算地质和工程甜度指数,构建储层的可压性指数和区域可压性评价图版,可快捷、定量地评价单井及区块的可压性优劣．通过选用四川盆地威远区块10口页岩气井的地质和工程参数,应用所建方法计算了甜度及可压性,发现可压性指数等比例地正向反映了实际测试产气量．该方法能为优化井眼轨迹、提高优质储层钻遇率和优化储层压裂施工方案提供有效的科学指导．     

页岩水平井多级分段压裂物理模拟试验

为明确地应力差、排量以及压裂级数对页岩水平井分段压裂裂缝扩展的影响规律,基于真三轴水力压裂试验系统,以露头页岩试样(300 mm×300 mm×300 mm)为研究对象,结合分段压裂裂缝诱导应力检测和水力压裂试验后试件裂缝三维形态结构新方法,在最大水平应力>垂直应力>最小水平应力条件下,开展页岩露头水平井多级压裂试验研究,探究地应力差、泵注排量和压裂级数对页岩水平井分段多级压裂裂缝扩展的影响规律．研究表明：由于上覆应力低于最大水平主应力,且水平应力差（数值等于最大水平应力减去最小水平应力）不变,上覆应力的减小易导致层理缝的开启;水平应力差越大,产生的横切井筒水力裂缝扩展距离越远;小排量下净压力低,压裂液易滤失,不易产生深穿透的主裂缝;压裂级数少的缝间干扰弱,能够开启相应级数的水力裂缝;地应力状态影响着层理缝及岩样的压实,上覆应力低时,压裂液易渗入层理缝,诱导应力值较小,且较为波动．结合泵注压力曲线和诱导应力曲线能更准确地了解水力压裂裂缝扩展的过程,推进对水平井多级分段压裂裂缝扩展规律的深入研究．     

考虑天然裂缝条件下水平井压裂簇间距优化——以吉木萨尔页岩油为例

吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区位于中国准噶尔盆地东部,该示范区页岩油资源丰富,开发潜力巨大．大段多簇压裂试验中,为在密切割布缝设计工艺上优化簇间距,提高压裂改造体积,根据目标区块的地质资料和工程资料,采用水力压裂模拟和数值模拟的分析手段,建立一套考虑天然裂缝的簇间距优化方法,模拟密切割工艺下,不同簇间距和不同基质渗透率对改造效果和区域动用程度的影响．结果表明,通过缩小簇间距,可减缓井底压力下降幅度,在页岩油渗透率为1×10^-6～1×10^-5μm~2时,簇间距设计不超过20 m,才能延缓压力下降．研究结果可为该区块页岩油的簇间距设计提供理论参考．     

泥页岩气层脆性特征的地球物理测井研究方法

页岩气作为清洁能源在国际上勘探开发技术较成熟,研究手段也很丰富,页岩气层岩石物理特性研究就是其中的关键技术之一。就中国页岩气勘探区块而言,以中国石化焦石坝、高邮凹陷区块较为成功。笔者利用高邮凹陷区块泥页岩气层钻井获得的岩心,在实验室钻取直径2.5cm、长度4~6cm的样本。将饱和水岩样置入HR2500-2高速冷冻离心机,分8种转速脱水模拟岩样不同含水饱和度,再利用CTS-45型非金属超声波检测分析仪模拟地层条件测定泥页岩样的纵横波速度;并利用实验数据得到了泥页岩储层的泊松比、杨氏模量、脆性指数等参数。处理高邮凹陷区块5口井的测井资料,得到ElF4层位的脆性指数,结果发现:泥页岩的杨氏模量越高,泊松比越低;脆性越高,可压裂性越强。总结出E_lF_4层段各小层可压裂性级别,科学指导了该区压裂设计。     

考虑应力敏感的基岩气藏离散裂缝网络模型与数值模拟

为了准确模拟裂缝性基岩气藏产能,以柴达木盆地东坪区块为例,将区块内裂缝性基岩气藏视为离散裂缝与基质岩体介质,建立裂缝性基岩气藏产能有限元计算模型.在考虑水力压裂裂缝应力敏感性、气藏流体的高压物性非线性和随机分布天然裂缝基础上,采用Galerkin加权残值法将渗流方程进行空间离散,并通过Newton-Raphson迭代求解非线性方程组,实现裂缝型基岩气藏离散裂缝网络产能模拟,分析天然裂缝、人工裂缝对研究区块内水平井分段压裂后产能模拟结果的影响规律.结果表明:忽略应力敏感会过高估计产量,相比而言,考虑水力裂缝应力敏感性的产能拟合结果更符合实际;基岩气藏渗流压力场主要受主裂缝导流能力控制,离散分布的不连通天然裂缝对压力场的影响较弱;离散不连通的天然裂缝对增产作用效果不明显,水力压裂应重点提高人工裂缝导流能力或沟通天然裂缝;东坪区块基岩气藏最优导流和最优缝长分别为15 D·cm和200～250 m.     

基于均匀设计法的水压致裂模拟试验优化研究

水压致裂技术作为一种绝对应力测量方法广泛地运用在原地应力测量领域,在其测量过程中影响岩石破裂值的流体力学影响因素主要是压裂液的注液速率、黏度和密度等,因此应开展流体力学影响因素的室内模拟试验,定量分析各因素对于原地应力测量准确度的影响。由于因素数量较多且该试验对于岩芯试块为破坏性试验,因此试验设计较为复杂且次数较多,全面试验或正交试验方案将严重影响试验实际操作和试验效果。本文在理论分析流体力学因素对于裂缝扩展和破裂压力影响基础上,提出一种基于混合水平均匀设计方法的水压致裂模拟试验优化方案,根据压裂液的注液速率、黏度和密度等影响因素及其参数值（水平数）构建均匀试验设计方案,利用DPS数据处理软件获取最优混合水平的均匀设计表,然后根据最优均匀设计表选择不同流体力学参数的典型点进行试验。最后将试验结果与部分全面试验结果进行对比分析,证明优化试验的岩石破裂值均处于全面试验测量区间内,印证了不同流体力学因素对于岩石破裂值的影响效应。本文中优化算法试验方案通过较少的试验次数简化了试验流程,试验次数仅为正交试验的四分之一,因此显著提高了水压致裂多影响因素模拟试验效率,对于后续建立不同流体力学影响因素的破裂压力修正公式与补偿模型提供了一种快速有效的试验方法,对原地应力进一步精确测算具有一定的积极意义。     

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.     

井下低频脉动水力压裂技术参数优化及现场应用

对于地层压力高、岩石破裂压力大的储层,水力压裂施工面临井口泵压大、设备要求高的难题。井下低频脉动水力压裂技术通过在井底产生低频脉动,可以显著降低岩石起裂压力和延伸压力,提高压裂增产效果。通过室内实验以及理论计算,对低频脉动水力压裂技术的脉动频率及脉动压力幅值两个关键参数进行了优化。结果表明:当脉动频率为20 Hz时,岩石的破坏最为严重; 脉动频率越高,振幅衰减越快; 岩石的抗压强度与脉动压力幅值成反比,幅值越大,岩石的抗压强度越低。最后,在陕北地区低渗透油田进行了3口井的低频脉动水力压裂现场试验。试验结果表明,低频脉动水力压裂后的试验井与相邻常规压裂井相比,砂堵问题明显减少,且在降低施工压力方面具有显著效果。     

裂缝高度影响因素分析及控缝高对策技术研究

在水力压裂和酸压过程中,裂缝会沿着缝高方向延伸.当裂缝延伸超出产层进入上下隔层时,不仅造成压裂液资源的浪费,而且难以达到设计要求.研究压裂过程中控制裂缝在高度方向上延伸的诸因素,分析了单因素条件下的裂缝高度变化趋势.针对不同因素对裂缝高度的影响,调研了针对这些因素的控缝高压裂技术.     

基于PFC-FLUENT联合开展岩体水力劈裂细观机理分析

为研究岩体水力劈裂的致灾过程,揭示水力劈裂细观机理,采用VB编译平台,实现PFC、SURFER、GAMBIT、FLUENT商业软件的调用,并依托FORTRAN编译子程序实现软件间数据信息交换及特定功能,完成岩体水力劈裂三维分析平台的构建。随后,利用该平台建立与文献中相同的岩体水力劈裂圆筒模型,并与试验结果比对,验证了该平台研究岩体水力劈裂的可行性。最终,以某一输水隧洞为例,依托该平台开展输水隧洞裂纹扩展研究,分析高内水压下围岩裂隙萌生、扩张、延伸、贯通的破坏过程。结果表明:该平台能较精细地揭示隧洞衬砌水力劈裂过程并动态获取相应裂隙流场分布特征,针对该隧洞模型,衬砌外围岩压力大于0.6 MPa时方能确保当前高压内水作用下隧洞衬砌安全。     

拖市天然裂缝型低渗透油田压裂工艺及机理研究

采用岩石力学试验,可以求取拖市油田产层、隔层的物性参数,为压裂设计掌握基础资料。在生产中,用Kaiser效应测量对应地层的地应力大小,计算地应力剖面,是为了给压裂设计提供基础数据。同时,还要计算受地应力影响的近井摩阻、压裂液效率、裂缝闭合压力。计算结果与实验结果表明,拖市油田的水力裂缝在近井地带发生偏转,在这种情况下,裂缝的动态缝宽较小,水力压裂应以低砂比、长时间注入为原则,以便降低砂堵风险。     

Weakening effects of hydraulic fracture in hard roof under the influence of stress arch

For the problem of hydraulic fracture propagation when weakening the hard roof in fully mechanized top-coal caving stope of ultra-thick coal seam, based on the stress arch theory and the fracture mechanics, a two-dimensional model for hydraulic fracture of the roof in the stope was established to investigate the propagation laws of hydraulic fracture. The result shows that, after mining, the principal stress direction of overlaying rock deflects to form the stress arch, whose arrow height and arch thickness increase with the increase of the mining width and the side pressure coefficient. Within the influence range of stress arch, the hydraulic fracture in hard roof deflects towards the stope direction in the course of propagation and forms the ‘‘arch" fracture, which cuts off the roof below the fracture in a laminated way. The deflection angle of hydraulic fracture increases with the increase of the mining width, but decreases with the increase of the side pressure coefficient and the fractured horizon. This research can provide theoretical basis for the application of hydraulic fracturing method in the stope roof weakening.     

Investigation on fracture models and ground pressure distribution of thick hard rock strata including weak interlayer

Dynamic disasters, such as rock burst due to the breaking of large area stiff roof strata, are known to occur in the hard rock strata of coal mines. In this paper, mechanical models of the fracturing processes of thick hard rock strata were established based on the thick plate theory and numerical simulations. The results demonstrated that, based on the fracture characteristics of the thick hard rock strata, four fracture models could be analyzed in detail, and the corresponding theoretical failure criteria were determined in detail. In addition, the influence of weak interlayer position on the fracture models and ground pressure of rock strata is deeply analyzed, and six numerical simulation schemes have been implemented. The results showed that the working face pressure caused by the independent movement of the lower layer is relatively low. The different fracture type of the thick hard rock strata had different demands on the working resistance of the hydraulic powered supports. The working resistance of the hydraulic powered supports required by the stratified movements was lower than that of the non-stratified movements.     

致密油藏直井多层缝网压裂产量递减分析

垂向多层发育的致密油藏常采用缝网压裂进行开采,从而改善储层渗透率,提高油井产量。为此建立直井多层缝网压裂不稳定渗流数学模型,压裂后各层划分为人工裂缝区、改造区和未改造区。绘制分析Blasingame产量递减典型曲线,曲线分为7个流动阶段,总裂缝长度一定时,裂缝半长短的储层流体渗流率先到达未改造区,流体渗流阻力大,Blasingame曲线靠下;总改造体积一定时,各层改造体积差异越大,Blasingame曲线越靠下。用所建立的模型,对实测生产资料进行解释,获得各层裂缝半长、改造区渗透率等相关地层参数,该模型对进行多层缝网压裂直井产量分析具有指导意义。