储层非均质性对水力压裂裂缝扩展的影响研究

为了研究滤失和储层非均质性对水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展形态的影响,在前期建立的水力压裂流固耦合模型基础上,增加考虑多孔介质内流体流动,裂缝-孔隙间的流体交换和射孔流量分配的物理过程,形成了用于多簇射孔水力压裂裂缝扩展的裂缝-孔隙流固耦合模型,并数值模拟研究了致密砂岩气储层性质均质、非均质下水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展。研究发现:(1)滤失对中间簇射孔水力压裂裂缝扩展影响较大;(2)在储层均质情况下,多裂缝呈对称扩展,而在储层杨氏模量、抗拉强度、基质渗透率等非均质分布情况下,多裂缝呈非对称、非均匀扩展;(3)在储层复杂非均质情况下,四簇和三簇射孔水力压裂存在射孔簇过度改造、欠改造、甚至未起裂扩展的情况,尤其是在小间距条件下的四簇射孔。而两簇射孔水力压裂即使在间距较小时裂缝也能正常起裂扩展。因而,为了裂缝更多地有效扩展,在实际工程中,如果水力压裂密集施工,建议采取两簇射孔压裂;如果水力压裂不密集施工,兼顾施工成本建议采取三簇或四簇射孔压裂。     

非均质性对砂岩试样宏细观破坏特征影响研究

砂岩的细观非均质性是造成应力–应变曲线及破坏特征差异性的本质原因。为探究非均质砂岩的宏细观破坏特征，采用X射线衍射(XRD)精细表征砂岩的矿物成分和含量，通过Fish语言构建矿物、节理力学参数正态分布的UDEC-Tri非均质模型，提出非均质岩样的损伤判别指标，研究了矿物颗粒弹性模量、矿物颗粒空间分布及节理黏聚力的非均质性对岩样宏观破坏及细观损伤的影响规律。结果表明：矿物弹性模量的非均质度(Cvb)增大，岩样应力–应变曲线的非线性特征增强，切线模量和抗压强度呈线性降低趋势，宏观破坏形式从剪切破坏向劈裂破坏转变。另外，Cvb值增大导致更多相邻矿物颗粒屈服不同步，张拉裂纹占比增加，岩样起裂应力与损伤应力降低。Cvb值相同时，矿物颗粒空间分布导致相邻颗粒之间出现力学参数“薄弱接触面”，与宏观裂缝扩展路径的一致性较好，是低强度岩样破裂特征离散性的根本原因；相比矿物Cvb，节理非均质度(Cvj)对岩样力学性质的弱化作用更显著。随着Cvj的增大，岩样张拉裂纹长度逐渐增加直至超过剪切裂纹，小尺度裂纹占比增大，其破裂模式从“单斜面剪切破坏”转变为“X状共轭斜面剪切破坏”。研究结果解释了同一产地、尺寸砂岩...     

裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

基于微元法的低渗透储层定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型

为明确低渗透非常规油气储层定向射孔转向压裂改造过程中裂缝扩展轨迹及其偏转距离的变化规律,综合考虑水平地应力差、射孔参数、注液参数、地层力学参数等因素对水力裂缝偏转扩展的影响,建立基于微元法的定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型(MEM模型)。该模型通过VisualBasic语言编制的迭代运算程序完成缝尖微小步长增量与偏转角之间的循环迭代计算,实现对转向裂缝动态扩展过程的模拟。通过比较MEM模型计算的裂缝扩展轨迹与现场压裂微地震监测结果、XFEM模型计算结果及室内压裂试验结果之间的差异,验证MEM模型的准确性。以临兴区块石盒子组致密砂岩储层为例,研究各因素对裂缝扩展轨迹及其偏转距离的影响规律与机制。研究结果表明:不同因素下裂缝扩展轨迹的变化趋势基本一致,裂缝从射孔端起裂后逐渐向水平最大地应力方向偏转,偏转幅度先增大后减小;裂缝偏转距离随水平地应力差的增加呈负对数规律减小,随射孔方位角、注液速率及压裂液黏度的增加呈线性规律增大;射孔长度对裂缝偏转距离几乎没有影响。该模型和结论对进一步认识定向射孔转向压裂过程具有重要意义。     

页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂数值模拟研究

为明确页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂机制,利用Abaqus有限元计算软件,建立三维单级三簇射孔和单射孔段(包含天然裂缝)的压裂裂缝起裂计算模型,研究地应力、井筒方位、射孔参数以及天然裂缝等对裂缝起裂压力和位置的影响。结果表明:裸眼射孔的起裂压力远低于套管射孔;起裂压力随最小水平地应力的增加而增大,但影响程度受垂向地应力与最小水平地应力的比值控制;最大水平地应力和垂向地应力的变化对起裂压力影响不显著;起裂压力大致随井筒方位角的增加而减小,当存在天然裂缝时,起裂压力没有任何线性规律,天然裂缝在剪应力区易发生剪切滑移起裂;起裂压力随射孔方位角的增加先减小后增大,射孔方位角的变化严重影响裂缝的起裂形态;起裂位置与最小和最大水平地应力、井筒方位角和天然裂缝的胶结强度、方位密切相关;由于内部射孔受到两侧射孔产生的沿井筒方向的附加应力干扰,闭合应力增加,因而更难起裂,导致起裂次序从端部射孔开始向中部射孔发展,当应力差较高(>7 MPa)时,附加应力干扰明显,要实现多射孔的多裂缝起裂扩展,需提高注入压力;起裂位置在射孔孔道中的变化是射孔根部应力集中强度与远端受射孔附加应力干扰程度相互竞争的结果;由于射孔簇间距较大,射孔簇间的应力干扰对裂缝起裂影响微弱,各射孔簇压力分布相似。     

不同物性的储层砂岩出砂力学响应分析

储层砂岩是由砂岩颗粒胶结而成的沉积岩,同一区域的物性特征不尽相同,油藏开采时的地层响应和出砂也会有差异。以2种不同的储层砂岩为研究对象,基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,模拟射孔围压和油藏流速一定时的砂岩宏细观力学响应,分析出砂的发生和发展过程。砂岩的宏观应力曲线表明砂岩颗粒间的弱胶结性越弱,胶结物质含量越少,砂岩越容易屈服破坏,出砂越容易。砂岩的黏结应力分布同样说明储层的砂岩颗粒越小、胶结含量和胶结程度越小,离散的颗粒越多,颗粒接触上的受力越大,砂岩破坏越严重,出砂的几率越大;同时,颗粒的位移和旋转也说明胶结物质对储层砂岩力学特性和出砂的影响较大,与上述研究成果一致。储层开采中,不同物性的储层砂岩力学响应不同,出砂特性有差异,需要针对实际的储层物性和赋存环境,采用适宜的出砂预测方法和防砂手段。     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

陆相页岩储层水平井无限级压裂工艺优化

相较于传统压裂工艺，新型无限级滑套压裂技术在非常规储层改造上已被证实具有诸多优势，包括层级改造均匀和级数不受限制。然而，基于此压裂工艺的裂缝扩展和诱导应力分布的主控因素仍未厘清。为此，以陆相页岩储层为例，基于离散格子法建立多裂缝扩展模型。通过对比射孔压裂与无限级压裂在不同页岩岩性、层理参数、压裂施工参数下的裂缝形态，针对无限级压裂的裂缝扩展规律展开定性与定量分析。结果表明，复杂岩性、发育的层理弱面以及应力阴影效应是造成射孔分段压裂各级裂缝扩展不均的主要原因。相较之下，无限级压裂不仅能克服陆相页岩储层的层理缝影响，还能形成更多有效裂缝、更均匀的单簇裂缝改造体积。此工艺的改造效果受储层岩性、分簇设计、施工排量及起始簇几何尺寸影响。当簇间距过大、排量过高、起始簇半径过大时，无限级压裂的改造效果变差。2种压裂工艺所产生的沿井筒方向诱导应力场分布也不同，无限级压裂形成的裂缝诱导应力场会叠加进而影响后续压裂作业。研究成果可为我国陆相页岩储层压裂工艺优化提供理论支撑与技术指导。     

砂页交互页岩油储层开采诱导应力场演化规律

页岩油储层立体开发中地应力演化规律复杂,影响邻井工程作业。本文以纵向砂页互层页岩油储层为研究对象,建立应力敏感模型,基于多孔弹性力学建立压裂储层开采诱导应力场演化预测模型,初步表征了页岩纵向非均质性条件下层内、层间开采诱导地应力动态演化规律。结果表明:多层合采时,水平井不同位置处的应力剖面演化规律不同,水平井中段近井处的层间水平应力差随时间减小,而端部的层间水平应力差随时间增大;随着生产进行,高渗层(砂岩)内有效最小水平主应力增大幅度和应力转向角度均大于低渗层(页岩);生产3年后,高渗层(砂岩)内最大应力转向角度达到79°。研究成果可为页岩油储层立体开发布井、压裂设计提供了理论支撑。     

致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究

开发低孔、低渗的致密灰岩储层需要进行大规模的水力压裂。致密灰岩的成岩过程、矿物组成以及岩石力学性质与致密砂岩等储层差异很大,在不同应力状态以及施工参数条件下水力裂缝扩展形态有待研究。采用真三轴水力压裂试验系统对致密灰岩露头展开压裂物模试验,研究地应力差、压裂液黏度、变排量、酸处理等多种因素对水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验结果表明:当水平地应力差在2~8 MPa之间时,水力裂缝易于沟通天然裂缝形成复杂裂缝网络;压裂液黏度升高,会降低剪切滑移和滤失膨胀的可能性,从而降低裂缝的复杂程度;在走滑断层的应力状态下,即σ_Hσ_Vσ_h,容易形成水平缝,特别是当井眼方向沿着层理面时极易沿着层理起裂;变排量压裂可以激活更多的天然裂缝,有助于形成复杂的裂缝网络;酸液预处理裸眼井段能够显著降低破裂压力,随泡酸时间的增加,破裂压力下降幅度逐渐增大。研究成果为现场压裂施工提供参考。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

高水平应力差下水平井螺旋射孔参数优化研究

在压裂施工中,射孔是一个重要环节。射孔能够降低岩石破裂压力,减少近井筒缝网结构的复杂性,有利于水力压裂之后的油井增产。通过开展大尺寸真三轴室内实验,研究水平应力差大小以及在高水平应力差下射孔相位、射孔密度和射孔簇间距对于裂缝的形态、裂缝面的扩展和岩石破裂压力的影响。实验证明:在高水平应力差下,由于地层的各向异性,导致地层的能量不稳定性,有利于相邻裂缝扩展的相互影响,减少近井筒附近的裂缝的复杂性,同时减少岩石的破裂压力;在高水平应力差下,射孔相位增大时,射孔间距变大,不利于相邻裂缝的沟通,增加了近井筒裂缝的复杂的可能性。通过物模实验表明,与射孔相位为90°相比,射孔相位为60°形成的单一平整裂缝扩展面更有利于油井增产,同时岩石破裂压力更小,有利于水力压裂;射孔簇间距适当增加,能够减少两簇之间的相互影响,能够增加多簇同时起裂的可能性,同时还能增加射孔过程中总的射孔起裂数量;射孔密度增加还能减少孔间距,减少相邻射孔之间相互影响的能量,减少近井筒裂缝的复杂性,同时还能够有效地减少岩石破裂压力。     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

致密砂岩储层水平井螺旋射孔参数优化研究

射孔孔眼连接井筒和储层,提供泄油通道、有效降低储层破裂压力和引导裂缝走向。开展大型真三轴物理模拟试验,研究射孔长度、射孔密度、射孔孔径、射孔相位和射孔簇间距对裂缝起裂特征、扩展形态和储层破裂压力的影响规律。试验结果表明:射孔参数的改变本质上是改变射孔孔间距,孔间距决定孔眼之间的连通性,影响近井筒裂缝扩展形态和岩石破裂压力;射孔孔径和射孔密度的增加,减小孔间距,有利于裂缝间相互沟通,降低近井筒裂缝复杂性和岩石破裂压力;射孔相位的增大,增大孔间距,易产生分层复杂裂缝,岩石破裂压力增高;而射孔长度和射孔簇间距的变化对裂缝扩展形态没有影响。根据试验结论,给现场提出了射孔参数优化的理论基础和施工建议。     

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

 射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明：利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

射孔对地层破裂压力的影响研究

射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道，压裂施工中射孔参数的选择影响到施工效果，使用三维有限元模型结合岩石的抗拉破坏准则，系统研究了垂直井中射孔对于地层破裂压力的影响。考虑的射孔参数包括射孔密度、射孔方位角、射孔孔眼直径和射孔孔眼长度。通过计算分析得到了一些新的认识。主要结论包括射孔密度和射孔方位角是影响地层破裂压力的主要因素。射孔孔眼长度和射孔孔眼直径的影响不大。结论对于实际的射孔参数优化设计和压裂施工具有参考意义。     

Fracture propagation in sandstone and slateeLaboratory experiments,acoustic emissions and fracture mechanics

Fracturing of highly anisotropic rocks is a problem often encountered in the stimulation of unconventional hydrocarbon or geothermal reservoirs by hydraulic fracturing. Fracture propagation in isotropic material is well understood but strictly isotropic rocks are rarely found in nature. This study aims at the examination of fracture initiation and propagation processes in a highly anisotropic rock, specifically slate. We performed a series of tensile fracturing laboratory experiments under uniaxial as well as triaxial loading. Cubic specimens with edge lengths of 150 mm and a central borehole with a diameter of13 mm were prepared from Fredeburg slate. An experiment using the rather isotropic Bebertal sandstone as a rather isotropic rock was also performed for comparison. Tensile fractures were generated using the sleeve fracturing technique, in which a polymer tube placed inside the borehole is pressurized to generate tensile fractures emanating from the borehole. In the uniaxial test series, the loading was varied in order to observe the transition from strength-dominated fracture propagation at low loading magnitudes to stress-dominated fracture propagation at high loading magnitudes.