基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。文章利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10 000 m3。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.     

预制裂缝角度对页岩水力压裂效果影响分析

水力压裂是页岩气储层增透开采核心技术,预制裂缝是提高水力压裂效果的主要手段.为了分析不同预制裂缝角度对水力压裂效果影响规律,建立页岩气水平井预制裂缝二维力学模型,考虑水力压裂压强、气藏埋深及侧压比因素,提出了最佳预制裂缝角度区间概念.以水力压裂有效影响面积为指标,确定了最佳预制裂缝角度区间.结果表明:水力压裂压强、侧压比、不同气藏深度下水力压裂有效影响面积均随预制裂缝角度而变化,且变化规律具有一致性.最佳预制裂缝角度区间为55°~65°,水力压裂效果最好;预制裂缝角度为90°时,水力压裂效果次之;预制裂缝角度40°、70°时,对压裂效果影响面积最小,水力压裂效果最差.随水力压裂压强增大,有效压裂影响面积增大,但压裂影响的增加幅度逐渐减小.     

间接压裂技术提高煤层气采收率的探讨

探讨提高煤层气采收率的间接压裂新方法。根据煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,以及常规水力压裂又很难适应煤层的特殊地质特性,提出在煤层相邻的砂岩部位进行压裂构想。其机理是煤岩的裂缝传导率差,易被压碎产生煤粉且有突出的各项异性、应力集中的特点,煤层中的面割理垂直于煤层,垂向渗透率通常高于水平渗透率,面割理的方向性使煤层与间接压裂诱导水力裂缝自动沟通,形成高传导渗流通道,从而促进煤层气的解吸和渗流。     

改进的PFC流固耦合模型及其储层页岩渗透破坏模拟研究

深入研究储层页岩的裂缝扩展及其渗透性演化过程是有效确定储层页岩气采收率的关键.基于颗粒流离散元法(PFC)软件,针对PFC经典流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形替换接触定义流体流动管道的流固耦合分析方法,解决经典算法中因为接触破坏而导致流动管道失效的问题,能更真实地描述页岩破坏后的裂缝优先流效应.建立基于改进流固耦合算法的层理页岩颗粒流模型,分析荷载作用下页岩渗流过程中的孔隙压力和流量演化规律,对比试验结果以验证其算法的合理性.进一步研究了不同围压组合渗透压的页岩渗透特性,其结果表明：层理倾角对页岩初始渗透率的影响显著,围压一定时,其初始渗透率随层理倾角增加而增大,围压越小则影响程度越大;渗透压一定时,初始渗透率随围压增大而减小.最后,深入研究了不同围压组合渗透压的页岩破坏模式,显示不同荷载组合下的裂缝形态差异显著,高围压高渗透压下的页岩破坏微裂缝多,以X型剪切破坏或拉-剪混合破坏为主,而低围压低渗透压下的页岩破坏大多沿层理面形成剪切破坏.以上成果可为水力压裂诱发储层页岩损伤破裂的渗流通道形成及其渗透性演化提供科学依据和技术支持.     

定向射孔水力压裂多裂缝形态实验研究

采用大型(试件尺寸：300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。研究结果表明：定向射孔方位角和水平地应力差对定向射孔水力压裂人工水力裂缝的起裂和形态影响巨大。定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝;在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝。提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,改进压裂增产效果。     

体积压裂致密油藏注水吞吐产能影响因素

致密油藏储层致密,地层压力系数一般较低,开发非常困难,而注水吞吐对补充油层压力和实现稳产具有明显优势.针对体积压裂致密油藏,采用嵌入式离散裂缝模型描述复杂体积压裂缝网,建立考虑应力敏感和启动压力梯度的致密油藏油水两相渗流模型,并采用有限体积法建立相应的数值求解方法.通过数值模拟方法模拟了12个吞吐轮次下单个压裂段致密油藏的开采过程,分析了基质和裂缝性质对致密油藏注水吞吐开发产能的影响.研究结果表明:当基质渗透率、微裂缝渗透率和微裂缝密度升高时,基质中含水饱和度波及范围变大,累积采油量显著升高;水力裂缝渗透率升高对基质含水饱和度分布影响不大,但累积采油量明显上升,而当水力裂缝上升到一定程度时,累积采油量上升幅度变小.可见基质和裂缝性质对致密油藏注水吞吐开发效果均有显著的影响.     

页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键。试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响。通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态。实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性。试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝。另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝。     

煤层层理对瓦斯渗流影响理论分析与实验研究

为了探讨原煤层理对瓦斯渗流的影响,先从理论上分析瓦斯沿平行和垂直煤层层理面这2种极端情况的渗流特性,经对渗透系数比较分析,得到平行煤层层理面瓦斯渗透系数大于垂直煤层层理面瓦斯渗透系数.再对原煤进行实验室实验,通过对实验数据分析,得到沿煤层层理方向瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲线近似光滑曲线,而垂直煤层层理面瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲呈突变曲折曲线;垂直原煤层理方向瓦斯渗流速度增长趋势大于平行煤层层理方向,但平行原煤层理方向瓦斯渗流速度明显大于垂直原煤层理方向,这一结果与理论分析结果相吻合.     

煤层气井压裂引起的渗透率损伤研究

由于煤层的应力敏感性,在煤层气井的压裂过程中,随着高压流体的持续注入,压裂裂缝的产生势必会对附近的煤层渗透率产生影响。针对煤层气井压裂引起的渗透率损伤问题,通过理论计算的方法,建立了压裂引起的诱导应力与渗透率之间的关系式,通过计算实例,分析了压裂引起的渗透率的损伤特征。研究认为:压裂产生的诱导应力和引起的渗透率损伤均在裂缝两侧呈对称性分布;压裂对裂缝附近煤层渗透率会产生直接的影响,渗透率损伤现象明显;压裂引起的渗透率损伤可能是某些已压裂的煤层气井增产效果不明显的原因之一。     

考虑层理效应的页岩压裂模拟全耦合黏结单元法

页岩水力压裂技术是目前最常用的储层改造技术。页岩中存在具有方向性的不连续结构面,使其具有较为明显的层理效应,主要体现为页岩的横观各向同性。为了在水力压裂中反映层理效应,在考虑层理效应的粘结单元方法(CFEM)基础上,考虑了力学场和渗流场的相互作用,推导了界面单元全流固耦合方程。最后,通过水力压裂试验结果与模拟计算结果的对比,展现在不同地应力条件下页岩层理性对水力裂纹扩展的影响作用。在应用该方法时可以根据给定层理方向,模型自动将与层理平行(或近于平行)的粘结面转化为层面界面,而且在整个模拟过程中,不需要引入额外断裂准则,也不需要网格修正,为页岩水压致裂问题的数值模拟提供了新途径。     

基于瓦斯渗透异性的煤层抽采钻孔合理布置

基于煤层瓦斯渗透各向异性特征,在九里山煤矿煤层进行了180d井下瓦斯抽采有效影响半径测试,同时,建立煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了抽采钻孔的合理布置方式。研究结果表明:煤层平行层理方向的渗透率是垂直层理方向的渗透率的2.6倍左右。煤层钻孔不同方向有效抽采半径均随抽采时间增加而增大,且与预抽时间满足幂指数关系,数值模拟结果与井下现场测量一致。有效抽采距离在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,有效抽采区域为椭圆形。据此确定了不同预抽时间煤层抽采钻孔的合理间距,并针对九里山煤矿二1煤层计算分析了预抽时间与百米钻孔数的关系。     

水力压裂切割煤层顶板力学机理及参数优化

煤层开采中,上顶板难以断裂,易形成大面积悬顶结构,进而诱发严重的冲击地压等灾害,不利于矿井的安全高效生产。针对利用水力压裂技术解决煤层上悬顶的工程问题,采用地质-工程一体化模拟技术,考虑岩层纵向分层属性,建立了大尺度水平井段内多簇压裂精细模型,开展了水力压裂切割煤层厚顶板力学机理和施工参数优化研究。研究结果表明：(1)水平井多级压裂能够充分切割上顶板,产生密切割缝网结构,附加诱导应力值增大10%,能够有效解决悬顶卸压问题;(2)高粘滑溜水+交联冻胶压裂液体系形成的裂缝体积高于低粘滑溜水体系约40%;(3)影响裂缝扩展的主控因素从强到弱依次为：压裂液类型、地层物性、液量、排量、段长。本文耦合地质建模-裂缝扩展-应力计算,深入研究了水力压裂裂缝扩展规模及其对厚层顶板弱化改造程度,研究成果将指导含厚层顶板煤层安全高效开发。     

伊拉克S油田碳酸盐岩油藏裂缝封堵

伊拉克S油田主力开发层系为中高孔、中低渗的孔隙-裂缝型碳酸盐岩油藏,酸化压裂是该碳酸盐岩储层改造的主要技术手段之一。由于储层裂缝溶洞发育,非均质强,酸液滤失量大,作用距离有限,需要结合裂缝暂堵技术,实现对非均质储层的均匀改造。根据该油田储层地质油藏资料,对裂缝尺寸进行分析,并将储层裂缝划分为微缝和常规缝。实验通过巴西劈裂,对储层标准岩心进行劈裂造缝,模拟了真实粗糙微缝(0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm),然后采用3D打印岩板模拟了常规粗糙裂缝(1 mm、2 mm、3 mm),最后将粉末、纤维、颗粒合理配比作为暂堵剂对裂缝进行封堵,优选了裂缝封堵配方。实验结果表明：针对微缝,纤维和粉末均能有效封堵裂缝,纤维相比粉末更易封堵微缝,封堵后承压均超过30 MPa;针对常规缝,采用纤维或纤维与颗粒组合可有效堵裂缝,封堵后承压均超过30 MPa。通过裂缝封堵实验,探索了碳酸盐岩缝内封堵规律,优选了暂堵剂配方,可为现场裂缝封堵施工提供理论依据。