不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验,得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律.研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低,抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当.     

裂缝性致密储层待破裂区影响的压裂物模实验研究

在水力压裂过程中,天然裂缝尖端附近会发育许多待破裂区,在宏观裂缝形成前产生微裂隙,最终影响水力裂缝的扩展规模。为有效增加裂缝性致密储层的缝网规模,针对待破裂区开展真三轴水力压裂模拟实验,探究待破裂区域的影响机制。选取致密灰岩露头,精细刻画了裂缝性致密储层露头压前压后裂缝形态,分析了天然裂缝形态、待破裂区域以及泵注参数对裂缝性致密储层改造效果的影响,结果表明:待破裂区,即断裂过程区,主要发育在井筒周围;声发射监测结果显示,在注入压力达到破裂压裂前,岩石内部已经发育大量待破区,决定了裂缝的起裂位置和初始扩展路径,压裂过程中排量的突然提高会使待破裂区迅速沟通形成裂缝,随后逐渐扩展。当水力裂缝延伸到层理面后,随排量阶梯式增加,泵压提高,会使层理面附近发育新的待破裂区,进而影响到水力裂缝的转向、分叉或是否穿透天然裂缝。     

煤层气井真三轴压裂实验

 为进一步认识煤层气井压裂裂缝起裂和扩展机制,利用真三轴大尺寸水力压裂实验系统,采用取自矿区原煤煤块制作的试样,通过真三轴压裂实验,研究了不同围压组合条件下煤层压裂裂缝的起裂和扩展特征.研究表明:地应力状态和煤层中发育的天然裂隙对压裂裂缝的起裂和扩展有着直接影响.小规模天然裂隙的存在使得裂缝扩展压力出现频繁小幅波动,压裂裂缝在扩展过程中多见路径转向,压裂过程中煤层天然裂隙的大量开启造成压裂液大量滤失直接损耗压裂时的水力载荷,不利于压裂形成高导流能力的水力裂缝.当三向主应力差较小时,煤层压裂产生的裂缝宏观形态更为复杂,可能会同时产生垂直缝和水平缝.     

页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探

水力压裂模拟实验中,对水力裂缝的监测和识别是研究储层裂缝形态的基础。利用室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟装置对300 mm×300 mm×300 mm立方体页岩试样开展体积压裂实验,建立多通道声发射实验监测系统,在试样两个对称侧面布置声发射探头,采集实验过程中裂缝破裂时的声波信号,对裂缝缝网形成过程进行三维动态实时跟踪,可以明确水力裂缝起裂和裂缝扩展形态;再结合声发射计数曲线和泵压曲线可以实时监测水力裂缝不同扩展阶段,判别水力裂缝与天然裂缝相互沟通过程。监测过程发现,声发射累积次数最高点先于破裂压力点出现,水力裂缝扩展接收的声发射信号多于天然裂缝开启过程,地层破裂后泵压曲线的波动可以识别裂缝之间的沟通程度,打开试样观察示踪剂的分布特征进一步验证了声发射监测结果。     

水平井压裂多裂缝同步扩展数值模拟

采用有限单元法对水平井压裂多裂缝同步扩展问题进行数值分析。考虑压裂过程中高压流体、岩层变形/破裂与裂缝扩展之间的多物理场耦合响应,建立多裂缝同步扩展力学模型;采用裂缝单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径。应用有限元方法求解耦合模型并编制计算程序,模拟水平井多裂缝同步起裂、扩展和转向过程。研究结果表明:水平井多裂缝同步压裂,起裂压力相差较小;延伸压力受缝间应力干扰影响,中间裂缝处压力高于两侧裂缝;随裂缝扩展,多裂缝之间应力干扰效应提高,主应力方向偏转范围增大,促使复杂裂缝的形成;通过优化射孔簇间距与数量可增强裂缝间应力干扰效应,增加水平井多裂缝扩展的复杂性。     

高压水载荷下煤体裂缝的起裂判据及延展规律

为对水力压裂煤体裂缝的起裂判据作定量计算,根据弹性力学理论,分析了注水钻孔周围的应力状态,给出了水平和垂直裂缝产生时注水压力的计算模型;探讨了裂缝扩展的方向以及其扩展所需要的泵注压力;采用自制的高水载荷下煤体裂隙生成及延展模拟装置在实验室模拟了不同围压和轴压加载下条件下煤体起裂的临界注水压力及裂隙生成和延展的方向.实验研究表明:泵注压力克服最小主应力与煤体的抗拉强度之和时,煤体开始破裂;裂隙总是沿着最大主应力的方向发展.实验模拟结果和理论分析相吻合.     

裂缝性地层中水平井压裂裂缝起裂新模型

对裂缝性地层中的水平井进行水力压裂时,井筒附近的天然裂缝会对压裂产生影响。现有压裂裂缝起裂压力计算模型所考虑的影响因素各有侧重,且尚未考虑井筒附近天然裂缝产生的诱导应力场对起裂压力造成的影响。本文基于弹性力学及岩石力学理论,综合考虑了井筒周围天然裂缝的诱导应力、压裂液渗滤效应、岩石温度变化、封隔器影响等因素,建立了一个适用于裂缝性地层中的水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,且计算简便便于推广。本文根据实例计算分析了天然裂缝影响起裂压力的各个因素,并进行了对比。计算结果表明,一定条件下井筒周围天然裂缝对起裂压力影响明显,采用以前的起裂压力计算模型误差较大。     

水平多裂缝交错扩展及其诱导应力干扰研究

QA油田X储层埋深较浅,高角度天然裂缝发育,水力压裂后形成的水力裂缝形态较为复杂,压后效果时好时坏,给压裂设计及施工带来诸多困难,急需弄清该储层水力裂缝的形态,以确定合理的压裂施工方案。首先,采用三轴岩石力学测试系统对X储层岩石力学特征进行测试,观察天然裂缝形态。其次,建立砂泥岩相间的二维平面渗流-应力-损伤耦合有限元模型,采用二次应力起裂准则作为水力裂缝是否起裂的判断依据,以幂律流来表征流体在Cohesive单元内的流动。模拟了X储层水力压裂多裂缝交错延伸的裂缝形态,探究了水力裂缝几何形态及压裂液排量、地应力、压裂液黏度对缝间应力干扰的影响,揭示了复杂多裂缝交错扩展的干扰机理,发现该储层具有形成复杂裂缝的力学和工程地质条件,为该区域的压裂改造提供理论指导。     

裂隙性储层压裂缝延伸机理及防治水意义

针对由水力裂缝触发的裂隙性储层涌水、突水等地质问题，首先根据弹性力学原理和断裂力学强度准则，基于储层原生裂缝几何特性和压裂液渗流规律，建立了垂直井工况下的起裂压力计算模型;其次考虑煤储层的损伤本构关系，将Dougill损伤因子与起裂压力公式相结合，进一步建立了延伸压力的计算模型;应用经典的PKN模型以及裂缝内净压力的非线性压降规律，建立了改进的压裂缝扩展延伸模型.该模型揭示了裂缝性储层压裂长度L与压裂时间t之间的非线性关系，显示出压裂缝的延伸距离随时间的增加而增长，但前期增长较快，后期基本趋于稳定.豫北焦作恩村区块三口试验井的计算结果，与邻区位村区块微地震实测资料契合度较高，从而验证了理论模型的正确性，为现场压裂参数控制以及防治压裂缝突水提供了可靠的技术支撑.     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

纤维暂堵人工裂缝附加压差影响因素分析

 地层温度条件下自动可降解纤维能有效暂堵已形成的人工裂缝或天然裂缝,大幅提高缝内净压力,从而迫使人工裂缝发生转向,从其他方向启裂与扩展,增加油气藏改造体积。此时纤维在裂缝内形成滤饼填充带,形成一附加压差。理解纤维暂堵人工裂缝附加压差的影响因素,是优化纤维暂堵转向压裂设计关键参数的基础。由于缝内纤维滤饼引起附加压差影响因素众多,纤维转向压裂关键参数优化难度较大,本研究以纤维暂堵人工裂缝的物理模型为基础,利用经典水力压裂理论,推导并求解纤维滤饼附加压差的数学模型,模拟计算其影响因素的变化规律。模拟结果表明,较低排量、较小裂缝宽度和较高黏度有利于增大附加压差,加强纤维封堵裂缝的效果。结合裂缝延伸准则,得出井底压力增量与附加纤维滤饼长度两者成线性增加关系。     

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明：弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。     

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析

为了更好地处理天然裂缝影响下水力裂缝的扩展模拟问题,提出了区域置换与破损单元的概念和方法,在此基础上建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程,运用图形建模数值方法,分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响:天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式;位于水力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝,因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力,造成水力裂缝内有效驱动压力耗散,影响了水力裂缝的扩展。裂缝监测报告与数值分析结果一致,验证了数值分析的方法和结果。     

滑套固井压裂起裂压力及影响因素

起裂压力高是滑套固井压裂面临的主要问题。根据滑套固井压裂的特征,建立地应力条件下滑套固井压裂计算模型,运用有限元法及岩石抗拉强度准则计算起裂压力,通过长庆油田桃X井的实例进行验证。结果表明:水平地应力差及端口方位角是滑套固井压裂起裂压力的主要影响因素,随着水平地应力差的增大,起裂压力降低,端口方位角增大时,起裂压力增大;地层岩石的弹性模量对起裂压力有较大影响,随着地层岩石弹性模量的增大,起裂压力增大;水泥环厚度对起裂压力的影响规律与水泥环和地层的弹性模量有关,当地层弹性模量大于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而减小,当地层弹性模量小于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而增大。     

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。     

基于离散元方法的层理发育地层水力裂缝扩展规律

层理发育是页岩储层的典型特征,水力裂缝能否穿过层理面继续扩展决定了裂缝形态的复杂程度,其中层理强度是影响水力裂缝穿层行为的关键因素。为了探究层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,采用块体离散元方法,分别计算了层理面的抗剪强度(黏聚力)和抗拉强度对水力裂缝在层状地层内扩展行为的影响。结果表明,水力裂缝遇到水平层理后的形态可分为转向层理面扩展和继续竖向扩展两种类型。层理面强度对水力裂缝的穿层能力具有显著影响,当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较低时,水力裂缝的穿层能力差,水力裂缝不能穿过层理;当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较高时,水力裂缝的穿层能力增强,水力裂缝穿过层理面扩展;当层理面的某一个强度较低时(抗拉或抗剪),则低强度因素成为主控因素,另一强度参数的增加不会改变水力裂缝的穿层能力。厘清了层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,对层理发育地层的水力压裂施工具有重要的理论指导意义。     

基于孔隙弹性力学理论的致密油气藏储层改造体积预测方法

储层改造体积预测对于致密油气藏体积压裂改造效果评估和施工参数优化设计具有重要意义。基于孔隙弹性力学理论和半解析的三维位移不连续法，综合考虑水力裂缝诱导应力，压裂液滤失引起的地层孔隙压力变化及其诱发的孔隙弹性应力的耦合效应，建立水力裂缝干扰模型下的地应力场预测模型，采用最大张应力强度准则和莫尔-库伦强度准则表征天然裂缝的张开与剪切破裂行为，将天然裂缝张开、剪切破裂波及体视为储层改造体，提出了一种预测致密油气藏直井体积压裂储层改造体积的半解析方法。研究结果表明：水力裂缝诱导应力和压裂液滤失引起的孔隙压力和孔隙弹性应力变化导致水力裂缝附近区域内的原始三向地应力发生改变，变化区域呈现椭球状；岩石本体破裂行为仅发生在水力裂缝边缘处的小范围区域内，天然裂缝的张开、剪切破裂才是形成储层改造体积的关键；实际储层改造体积形状近似于椭球体，现阶段现场常用的长方体等效方法并不合理；实例井研究验证了本方法的准确性与工程应用价值，可为致密油气藏体积压裂施工参数优化设计和压后产量预测提供有利的参考。     

基于PHF-LSM模型岩石分段水力压裂应力阴影效应

采用PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture-level set method)水力压裂数值计算模型,模拟并分析了均质与分层岩石材料中分段压裂过程引起的应力阴影效应.通过与单一裂缝诱发应力理论解的对比,验证了PHF-LSM考虑应力阴影效应的可行性.以此模型为基础分析了单一裂缝发展过程中,岩石材料参数与初始应力条件对诱发应力场的影响,以及均质与分层岩石材料的多裂缝起裂过程中不同压裂间距与压裂顺序产生的应力阴影效应.数值计算结果表明:泊松比、抗拉强度与孔隙率的增加会增大裂缝引起的诱发应力与净压力比值的峰值,而弹性模量和水平主应力差的增大会减小该峰值;裂缝间距的扩大可以减弱裂缝间应力阴影效应;两步压裂与顺序压裂的裂缝总面积均大于同时压裂时的面积,但顺序压裂与两步压裂会带来更高的起裂压力;产层厚度与压裂间距的减小会增大应力阴影效应.     

碳酸盐岩构造裂缝特征与形成期次分析： 以阿姆河盆地右岸东部为例

碳酸盐岩裂缝对石油和天然气勘探开发具有重要意义,但碳酸盐岩构造裂缝特征描述、形成和影响因素一直是油气储层研究的重点。本文在岩心资料的基础上,综合利用测井解释和分析测试等资料,对阿姆河盆地右岸东部地区侏罗系卡洛夫-牛津阶碳酸盐岩储层内构造裂缝特征进行研究,划分构造裂缝类型及发育期次,明确影响构造裂缝发育的影响因素,分析多期次裂缝对天然气聚集的影响。结果表明：（1）构造裂缝是阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶储层中发育的主要裂缝类型,按照产状分为水平缝、低角度缝、高角度缝和垂直缝;卡洛夫-牛津阶储层构造裂缝总体上走向以NW-SE向为主,但不同裂缝的走向差异性较大,反映了裂缝具有多期发育的特点,不同类型的构造裂缝在产状、密度和规模存在差异,中下侏罗统的XVa1层中最发育,平均裂缝密度为1.48 条/m;构造裂缝的规模普遍较大,在上侏罗统的XVhp层裂缝宽度和裂缝高度最大,平均裂缝宽度约0.08 mm、平均裂缝高度67.1 cm,构造裂缝的倾角多介于40-70°之间;（2）阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶储层构造裂缝的发育程度存在较大的差异,这是由于裂缝的发育不仅受到岩性的控制,还受到多期构造运动的影响,亮晶砂屑灰岩和生物礁灰岩为构造裂缝发育的优势岩性;新近纪的挤压作用强烈,在侏罗系卡洛夫-牛津阶岩心中形成相互交错的网状裂缝,为裂缝期次划分提供有利证据;（3）阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶中构造裂缝形成于燕山晚期到喜山中期,其中晚期裂缝的形成不仅改善了储层物性,也促进天然气聚集和成藏。