页岩气藏水平井分段多簇压裂与流动数值模拟

为探究页岩气藏水平井压裂参数对产气量的影响,开展了分段多簇压裂与流动的数值模拟研究。裂缝扩展模型考虑应力阴影作用,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量。耦合井筒和裂缝中流体流动,并采用牛顿迭代法求解;考虑页岩气的黏性流、Knudsen扩散和吸附解吸,采用离散裂缝模型对压裂后页岩气的流动进行了求解。模拟结果表明:多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,两侧裂缝偏离最大水平主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;随着水平井压裂段数增加,累积产气量增加,但增加幅度逐步降低;至于压裂段,三簇压裂比两簇压裂累积产气量高;裂缝间距越大时,累积产气量越高。     

水平井多段分簇压裂裂缝扩展形态数值模拟

水平井多段分簇压裂技术已成为低渗透油气增产的关键技术,能够大幅度增加储层的泄油面积,最大限度地提高采收率,而射孔簇间的应力干扰是影响水平井多段分簇压裂的关键因素。为了提高储层改造体积,研究簇间裂缝扩展的规律,根据流-固耦合及岩石断裂力学理论,利用ABAQUS扩展有限元法建立水平井多段分簇水力压裂二维模型,并利用数值模拟结果对现场2口井的压裂参数进行优化。数值模拟结果表明:水力裂缝长度、簇间距、水平应力差、压裂次序对水力裂缝形态影响显著;裂缝诱导应力场对裂缝形态影响程度随裂缝长度增加逐渐增强,随簇间距和水平应力差的增大逐渐降低;水力压裂次序可以明显改变诱导应力场分布,合理利用能增加有效裂缝长度。现场压裂参数优化后的2口井产能得到明显提高,证明了数值模型的可行性。     

缝面位移控制压裂裂缝同步扩展数值模拟

分段多簇压裂是非常规油气藏有效动用的重要工艺，压裂裂缝的复杂程度是提高单井产量和控制储量的基础，储层裂缝的扩展形态受地层物性，压裂工艺参数影响较为复杂。因此，为探索压裂裂缝同步扩展的形态特征及影响因素，建立了分段压裂缝面位移参数控制裂缝扩展数学模型，通过典型井取心岩心力学实验和数值模拟，结果表明：分段压裂簇裂缝的同步扩展形态与井斜角密切相关。井斜角在90°减小至0°时，裂缝扩展形态特征由双翼对称向双翼非对称转变，90°时簇裂缝向外侧发生偏转，且在裂缝尖端和应力阴影区，最大、最小主应力方向均发生转向，更利于复杂缝网的形成；小于90°时，裂缝向内侧发生偏转。分段压裂簇间的应力干扰作用强度与压裂排量值正相关、与簇间距离值负相关。压裂排量大小对提高裂缝的缝长和缝宽的扩展距离作用明显，能有效提高单井控制储量范围，但缝宽的扩展存在上限；簇间距10 m时，每孔排量不低于0.12 m³/min才能有效形成簇间应力干扰；排量0.18 m³/min,簇间距离小于20 m时，裂缝间的应力干扰显著，最大与最小主应力方向均发生转向，更好形成复杂缝网，簇间距离大于20 ...     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。     

坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律分析

为探究不同因素对水力裂缝扩展行为的影响,以塔山煤矿坚硬顶板砂岩为研究对象,采用扩展有限元法模拟裂缝扩展过程,分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展行为的影响。结果表明：单裂缝扩展时,应力比和泊松比越大,抗拉强度越小,越有利于裂缝延伸,且稳定扩展压力越小;应力比和泊松比越小,抗拉强度越大,越有利于裂缝张开;注液间隔时间对裂缝扩展影响较小。双裂缝扩展时,注液速率和裂缝间距越大,越有利于裂缝延伸;注液速率越大和裂缝间距越小,越有利于裂缝张开;注液速率减小,裂缝间距增大,稳定扩展压力减小。针对坚硬顶板砂岩的水力压裂,此研究可为煤矿现场设计与施工提供参考和借鉴。     

致密油藏水平井体积压裂裂缝扩展及产能模拟

阐述了地质因素和工程因素对体积压裂裂缝形态的影响;利用数值模拟方法,模拟了不同储层条件下水平井体积压裂裂缝扩展情况,分析了不同裂缝参数下水平井产能变化规律。结果表明:1对于高水平主应力差且天然裂缝欠发育储层,增加射孔簇数有利于提高裂缝复杂性;对于低水平主应力差且天然裂缝较发育储层,适当减少射孔簇数有利于增强体积压裂效果。2水平井体积压裂后产能比常规压裂有大幅增加,改造体积越大、导流能力越高,则产能越大;当地层渗透率从0.1×10-3μm2降低至0.001×10-3μm2时,次裂缝对产能的贡献程度从近1/6增加至近1/3。3当储层渗透率大于0.01×10-3μm2时,较大的簇间距(30 m)能减弱缝间压力干扰,保持较高产能;当储层渗透率小于0.01×10-3μm2时,压力传播速度慢,压力干扰相对较弱,较小的簇间距(15 m)有利于获得较高产能。     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

吉木萨尔致密储层压裂多缝干扰产能分析

针对吉木萨尔区块致密油薄互层储层的细分切割多簇压裂改造工艺措施,使用斯伦贝谢地质工程一体化软件Mangrove进行了缝间干扰压裂模拟,探究了在两种不同工况条件下簇间距、单段射孔簇数及加砂强度对裂缝发育形态、储层改造效率、裂缝规模和施工压力的影响,并对各种施工方式的经济性进行了对比评价。研究发现,簇间距是影响缝间干扰的主要因素,单段射孔簇数的影响较弱。缝间干扰越严重,裂缝形态越复杂,施工压力越高,储层整体改造效果越好,但也有出现裂缝无法起裂的情况,具体施工设计要依据现场实际情况调整。     

水平井分段多簇压裂裂缝起裂和扩展影响因素分析

水平井分段多簇压裂工艺是目前较为先进的压裂工艺,该工艺利于增大储层改造体积、节约分段工具成本。虽然该工艺在现场已得到大规模应用,在现场施工方面取得了丰富的经验;但对于段内多簇裂缝的起裂和扩展机理仍然有待进一步认识。采用数值模拟的手段,研究段内多簇裂缝间的起裂和扩展规律;并计算分析了影响多簇裂缝起裂和扩展的5种因素。研究认为:多簇裂缝间的起裂和扩展存在竞争干扰机制,簇间距、施工排量、压裂液黏度、储层弹性模量和储层非均质性对多簇裂缝的起裂和扩展均有直接的影响,其中簇间距是最关键影响因素。     

考虑应力干扰的页岩储层裂缝穿透准则

 根据页岩储层多裂缝应力干扰效应形成机理,建立了考虑水平有效地应力、裂缝尖端集中应力以及多缝干扰应力影响的页岩储层裂缝穿透准则。模型分析表明:考虑多缝应力干扰效应影响,压裂缝穿过天然裂缝的能力减弱,分段多簇压裂更有利于在页岩储藏中形成复杂缝网结构。裂缝越长,裂缝间距越小,天然裂缝分布位置越靠近中间裂缝,缝内净压力越大,导致裂缝间的干扰应力越大。随着压裂缝与天然缝间逼近角的减小,在一定应力比和裂缝内摩擦系数范围内,压裂缝穿过天然裂缝能力减弱,超过一定范围后,压裂缝穿透天然裂缝的能力增强。高应力比条件,裂缝穿透能力基本不受逼近角影响。     

考虑应力干扰的多簇压裂水平井产能分布规律

为探究考虑应力干扰作用下多簇压裂水平井产能分布规律,有机结合多簇裂缝扩展与产能计算模型开展数值模拟研究。首先基于位移不连续法建立多簇裂缝同步扩展数学模型,采用牛顿迭代法构建求解算法;其次应用位势理论和叠加原理,通过划分裂缝单元的方法,考虑裂缝无限导流和有限导流能力两种情形,构建产能计算方法。结果表明:多簇裂缝同步扩展时,应力干扰作用不仅影响裂缝扩展路径,而且还影响裂缝几何参数,然而此应力干扰作用有利于提高井产量;产量与裂缝间距、半长有关,且裂缝间距对产量的影响程度高于裂缝半长的影响程度;考虑裂缝变导流能力时产量低于考虑裂缝恒定导流能力时产量;提出的计算方法可用于计算任意裂缝形态下产能分布,与实际情况更加相符。     

基于扩展有限元的页岩水平井压裂裂缝扩展模拟

考虑裂缝内流体流动和岩石受力变形,建立页岩水平井水力压裂裂缝扩展数学模型,采用扩展有限元方法求解该模型。分析水平主应力、岩石力学特征参数及注入速度对裂缝扩展长度的影响,并研究多条裂缝的扩展及转向规律。结果表明:岩石弹性模量越大,泊松比越小,形成的裂缝越长;最小主应力越小,压裂液注入速度越大,裂缝扩展长度越长。同时扩展的2条裂缝之间存在应力干扰使裂缝向外转,裂缝间距越近,转向越明显。3条裂缝同时扩展,中间裂缝受到左右两边裂缝的制约作用,起裂较晚,扩展受到限制;随着压裂时间的延长,中间裂缝会摆脱两边裂缝的影响,冲出应力干扰区。     

裂缝形态对水平井产能影响的有限元法研究

根据渗流场与温度场的相似性,用有限元软件ANSYS热分析模块模拟压裂水平井的渗流状况,分析了压力及渗流速度的分布规律,研究了裂缝扩展形态对水平井产能的影响。研究结果表明:由于天然裂缝或地应力因素产生的水力裂缝整体性倾斜或缝间夹角等问题会降低油井产能;裂缝关于井筒的不对称分布有利于提高产量,间隔交错分布能获得更大的产量;当分段压裂水平井裂缝间距较小时,由于缝间干扰裂缝发生小角度弯曲,产能略有增加。ANSYS模拟压裂水平井渗流场具有精确度高、直观性强等优势,研究结果对现场压裂施工作业有一定借鉴意义。     

压裂水平井地层压力分布特点研究

利用源汇函数对压裂水平井不稳定渗流数学模型进行了求解,获得了各裂缝间距、裂缝半长、导流能力等参数均可不同条件下的复杂压裂水平井地层的压力分布计算公式,绘制了压裂水平井地层压力分布剖面图,并分析了地层压力分布规律。研究表明,压裂水平井地层压力分布主要受到裂缝半长、裂缝间距等因素的影响;裂缝间距越小,等压线分布越密集,裂缝间距越大,等压线越稀疏;裂缝长度越小,压力波及范围越小,而裂缝越长压力波及的区域则越大。     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

页岩气藏分段多簇压裂水平井产能模型及影响因素分析

根据页岩气藏储集特征和分段多簇压裂水平井的开发方式,基于双重介质模型建立了考虑吸附气和游离气共存以及气体滑脱效应的页岩气藏不稳定渗流数学模型。利用Laplace变换、镜像映射和叠加原理,得到了定井底流压生产时分段多簇压裂水平井的产能解析解;结合Stehfest数值反演计算并绘制了产能曲线。研究结果表明:发生窜流后,随着压力下降,基质系统的吸附气解吸向裂缝系统供气,压裂水平井的产能增加;分段多簇压裂水平井的端部外侧裂缝对产量贡献最大,对裂缝半长非常敏感,同一段内中间裂缝对产量贡献最小,受簇间距离影响较大;水力裂缝的分布方式对分段多簇压裂水平井的产能影响较大,裂缝段簇比越大,累积产气量越高;气藏压力越低,滑脱效应对页岩气井产能的影响越大。     

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学(PD)和有限差分法(FDM)的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到位移-压力流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。     

多段压裂水平井不均匀产油试井模型

针对某条或多条裂缝产油量较小或不产油这一问题,运用Green函数、Newman乘积方法和叠加原理,建立多段压裂水平井不均匀产油试井模型,将裂缝内流动划分为远离井筒的变质量线性流和靠近井筒的径向流表征裂缝有限导流,利用Stehfest数值反演得到考虑井筒存储和表皮效应的实空间井底压力解,绘制典型图版,并分析不均匀产油和裂缝参数对井底压力的影响。结果表明:多段压裂水平井均匀产油和不均匀产油的压力和压力导数特征差异明显;两端裂缝产油量越大,压裂裂缝间距越大,裂缝半长越小,裂缝呈纺锤形分布时,缝间干扰越小,早期径向流越明显,在系统拟径向流之前出现一个新平台。与试井软件Saphir中的经典多级压裂水平井数值模型对比,结果证明了提出的模型的正确性。     

径向井引导水力压裂裂缝定向扩展技术

目前,利用径向井压裂改造技术开发低渗透油层、薄油层、裂缝性油气层、注水后"死油区"等受到越来越多地关注;但国内外尚未对此进行系统的研究。受地应力控制和储层非均质性影响,水力压裂裂缝很可能无法顺利沿径向井方向延伸沟通目标区域,导致储层增产效果不理想。基于多径向孔压裂裂缝起裂压力分析和塑性区理论,推导出多口径向井在地应力条件下引导压裂裂缝定向扩展准则。满足该条件时,多径向井会在储层中产生连续塑性区,裂缝在塑性区内扩展不受地应力影响而保持定向扩展,保证了压裂施工时各径向井间裂缝相互贯通,形成沿径向井轴心面方向的主裂缝。兼顾经济性优化出了径向井间的最大间距,为径向井水力压裂技术的有效实施提供了可靠的科学依据。     

地应力改变对水力裂缝扩展的模拟实验研究

采用RTM-1大尺寸岩石三轴力学性质测试装置测试人工试件(300×300×600 mm~3),模拟在改变水平地应力方向及大小的条件下,研究重复压裂裂缝的形成和扩展过程:已有裂缝的偏转和新裂缝的形成。实验结果表明:1重复压裂形成新裂缝的过程中,已有裂缝会重张、起裂偏转,已有裂缝的偏转主要以剪切破坏形式为主;2水平地应力发生改变时,不一定就产生新裂缝:-K'_h越小,已有裂缝越容易发生偏转;-K'_h越大,已有裂缝壁面上越容易产生单翼新裂缝,产生新裂缝临界条件是-K'h=5/7;3注入速率Q对新裂缝的产生影响较大:当Q较小时,已有裂缝壁面上不易产生新裂缝,仅发生已有裂缝的偏转;当Q较大时,已有裂缝壁面上容易产生单翼新裂缝。