页岩水平井多段分簇压裂起裂压力数值模拟

页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。     

水平井多段压裂应力场计算新模型

为了准确认识水平井多段压裂过程中井筒周围应力场变化,指导裂缝起裂和延伸机制研究,综合考虑井筒内压、地应力、压裂液渗流、热应力、射孔和先压开裂缝等因素的影响,根据应力叠加原理,建立了水平井多段压裂应力场计算模型。该模型利用位移不连续法,重点考虑了先压开裂缝在水平井筒周围水平面上产生的诱导应力大小,克服了裂缝诱导应力解析模型只能计算裂缝高度平面诱导应力大小的局限。结果表明,通过应力场模型进行的破裂压力预测与实际破裂压力值吻合度较高,验证了建立模型的准确性;人工裂缝形成后会对水平井筒周围应力场造成很大影响,在裂缝尖端出现应力集中,造成应力分量降低,在裂缝周围一定区域造成应力分量有较大的升高;多段压裂压开人工裂缝越多,应力之间干扰越严重,水平井筒周围应力分布越复杂。该研究对认识多段压裂存在先压裂缝干扰下后续裂缝的起裂和延伸机制,指导压裂施工具有一定意义。     

基于连续损伤的水平井射孔-近井筒三维破裂模拟

射孔作为井筒与储层之间的液流通道,是水力压裂过程中的重要可控性参数。为研究水平井射孔-近井筒破裂机制,采用岩层变形-流体渗流方程描述应力状态变化,应用连续损伤破裂单元表征三维破裂位置与形态演化,并开发有限元求解程序模拟分析了射孔对水平井初始破裂压力、破裂位置及近井筒裂缝复杂性的调控作用。通过与解析模型及射孔压裂物理模型试验结果对比,验证了模型及有限元程序的有效性;水平井破裂压力数值分析结果与现场测试数据吻合较好。研究表明：射孔可调控水平井破裂压力与初始破裂位置,同时对近井筒区域裂缝扩展形态影响显著。通过优化射孔参数可以引导初始破裂向最优破裂面扩展、有效降低破裂压力,减小由于螺旋射孔空间排布引起的水平井近井筒裂缝迂曲与复杂程度,提高致密油气藏压裂改造效果。     

致密油藏压裂双水平井参数优化研究

多段压裂水平井能有效地提高致密油藏单井产量,双水平井的使用则会增大增产效果,但其压后产量影响因素并不是很明确。基于渗流力学理论,分析压裂双水平井流体流动机理,建立了考虑启动压力影响的油藏—裂缝系统分段压裂双水平井数值模型,采用网格加密方法和控制变量法,计算分析了地质因素和工程因素对双水平井压后产量的影响,并使用正交试验方法把不同的裂缝参数和特征对水平井产量的影响进行了主次排序。结果表明:地质因素中的基质孔隙度和渗透率对压后单井产量影响最大;工程因素中的水平井筒长度和裂缝导流能力对水平井产量影响较大,并且相关因素的影响力排序为:水平井筒长度>裂缝导流能力>裂缝长度>水平井筒间距>裂缝条数。研究结果对致密油藏双水平井压裂理论及优化设计具有现实的实践指导意义。     

射孔水平井分段压裂破裂点优化方法

为确定水平井裂缝破裂点位置,指导射孔位置的优选,建立了综合考虑多条人工裂缝诱导应力、井筒内压、原地应力、热应力、压裂液渗流效应和射孔联合作用下的水平井分段压裂应力场模型,模型重点考虑了先压开裂缝产生的诱导应力场影响,更符合水平井分段压裂的实际特点,在此基础上结合岩石破裂准则从降低破裂压力角度形成了破裂点优化方法。研究结果表明先压开裂缝产生的诱导应力场影响使得水平井筒周围应力场更为复杂,研究裂缝起裂问题时必须考虑这一因素。对川西水平井分段压裂的破裂点进行了优化,压裂后输气求产,实际破裂压力梯度低于邻井同层的破裂压力梯度,大大降低了施工风险。该破裂点优化方法对水平井分段压裂优化设计有一定的指导意义。     

定面射孔新工艺对水力裂缝扩展影响研究

定面射孔技术是为了提高体积压裂改造效果而提出的一种新的射孔方案。根据岩石力学及流-固耦合理论,建立了定面射孔地层的三维弹塑性流固-耦合地应力模型,采用数值方法进行求解,结合最大拉应力准则,研究了定面射孔水力裂缝的起裂规律。经过大量计算发现：定面射孔条件下,裂缝首先在射孔面内的射孔眼起裂,然后射孔眼相互贯通而形成扇形裂缝面,增大了水力裂缝的波及体积及井筒的连通性;同一平面内两侧孔眼在中间孔眼上产生的附加应力降低了Y方向主应力而增大了X方向和Z方向主应力,导致正断层采用定面射孔时,起裂压力较大,起裂压力随射孔方位角的增大而降低,只有当射孔方位角大于60°时,定面射孔起裂压力低于螺旋射孔起裂压力;对于逆断层,射孔方位角越小,起裂压力越低,且均低于螺旋射孔起裂压力;减小射孔间夹角、增大射孔直径及深度均可降低起裂压力。     

高含硫气藏非稳态水平井产量预测模型研究

元素硫从含硫天然气中析出沉降会影响流体流动,常规的水平井产量预测模型无法用于高含硫气藏水平井非稳态产量预测。本文基于非稳态椭圆流理论,耦合基质内的椭圆流动和裂缝内的非达西流动,考虑元素硫沉积及缝间干扰效应的影响,建立了适用于酸化水平井与酸压水平井的非稳态产量预测模型。分析了硫沉积对渗透率、孔隙度的影响,计算了不同裂缝参数对产能的影响,该模型适用于变井底流压生产条件。计算结果表明：科学准确的元素硫溶解度模型能较好地预测高含硫气藏水平井产量。酸压改造后缝间干扰现象会降低气井产能,且随着时间逐渐增强。硫沉积会降低储层渗透率和孔隙度,使得产量下降。增大裂缝导流能力,增加裂缝半长或者裂缝数量都能有效提高水平井产量,与裂缝导流能力相比,裂缝半长和裂缝数量对产量的影响更大。     

延川南地区深部煤层气U型水平井压裂参数优化设计

鄂尔多斯盆地东缘煤层气田具有高储低渗的特点,为提高深部煤层气单井产量,基于区域构造特征、煤层厚度、含气量及水文地质特征,从优化U型水平井压裂参数的角度,对水平井及其压裂参数进行设计。通过数值模拟对影响水平井产量的水平段长度、压裂缝等主要因素进行研究。结果表明:不考虑摩阻情况下,煤层气产量随水平段长度增加而增加,当水平段超过800m后,由于阻力作用,水平段长度每增加100m,产气量降低10%;压裂缝条数和半缝长对产气量影响较大,最佳的压裂缝条数为4~5条,最佳半缝长为80~120m;裂缝间距和裂缝渗透率对煤层气产量影响不大。依据数值模拟的最优参数对该区煤层气井S1进行压裂,在相同条件下,煤层气产量比未压裂的S2井提高了10倍以上。      

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

新场气田分段压裂水平井裂缝布局优化

新场气田属于大型多层致密砂岩异常高压气藏,储层物性差,非均质性强,气井动用储量低。目前,为大幅度提高气井产能,提高储量动用长度,该气藏多采用多段压裂水平井开发。因此,迫切需要论证裂缝参数及其组合对多段压裂水平井开发效果的影响,为气藏下步科学高效开发和持续高产稳产提供理论基础。以川西新场气田为研究对象,采用数值模拟法深入研究了压裂水平井裂缝几何布局对气井产能的影响,包括非均匀裂缝长度、非均匀裂缝间距、压裂规模与裂缝数量、裂缝长度与间距的匹配、裂缝夹角与间距的匹配。结果表明:对于多段压裂水平井,U型模式的裂缝长度布局最优;均匀裂缝间距开发效果优于非均匀裂缝间距;水力压裂时,少段数长缝能取得更佳的开发效果;0. 67~1倍缝长的裂缝间距布局、垂直于井筒的正交裂缝布局有利于改善压裂水平井开发效果,裂缝间距的增大能有效降低非正交裂缝低夹角对产量的影响。     

大尺寸真三轴页岩水平井水力压裂物理模拟试验与裂缝延伸规律分析

采用真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统以及压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸页岩水平井进行了水力压裂物理模拟试验,通过裂缝的动态监测和压裂后剖切等分析了裂缝的扩展规律,并对页岩压裂缝网的形成机制进行了初步探讨。结果表明：（1）水力裂缝自割缝处起裂并扩展、压开或贯穿层理面,形成相对较复杂的裂缝形态;（2）裂缝中既有垂直于层理面的新生水力主裂缝,又有沿弱层理面扩展延伸的次级裂缝,形成了纵向和横向裂缝并存的裂缝网络;（3）水力裂缝在延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力;（4）水力裂缝在扩展过程中遇到弱层理面时的止裂、分叉、穿过和转向现象是形成页岩储层复杂裂缝网络的主要原因,而弱结构面的大量存在是形成复杂裂缝的基础。其研究结果可为页岩气藏水平井分段压裂开采等提供有力技术支持。     

湘西北HY1井下寒武统牛蹄塘组页岩储层可压性评价

为系统深入研究湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层可压裂性,以HY1井为依托,通过密集取心采样、实验测试分析、测井综合解释等多种方法手段,系统分析了牛蹄塘组页岩储层有机地球化学特征、储集物性、裂缝发育特征、脆性矿物组成、岩石力学性质,进而探讨了牛蹄塘组富有机质页岩可压裂性。结果表明:HY1井牛蹄塘组有机碳含量高(0.25%~13.3%),富有机质页岩发育于牛蹄塘组下部,厚约65 m;富有机质页岩段构造缝密度低(0.27~1.21条/m),页理缝发育;矿物脆性指数高(17.7%~86.4%)、静态杨氏模量大(37~62 GPa)、静态泊松比较低(0.14~0.26)、两相水平压力差异系数较大(0.21~0.54)。总体上,牛蹄塘组页岩脆性好,岩石强度大,有利于压裂改造,但大量页理缝的存在增加了裂缝复杂度的同时,对压裂缝产生一定不利影响,且两相水平压力差较大,易形成双翼缝。因此,压裂设计时要综合考虑页理缝可能造成的漏失和对裂缝高度及长度延伸的影响。     

低渗透油藏水平井注CO2井网优化与影响因素

针对低渗透油藏直井井网CO₂驱油的不足,以大庆某低渗区块为例,建立反七点水平井井网CO₂驱油地质模型。在物性参数相态拟合的基础上,对反七点水平井和五点直井两种不同井网模式的开发效果进行了对比,对反七点水平井井网参数进行了优化,同时对储层非均质(渗透率、储层非均质性、裂缝的发育情况等)进行了影响因素分析。研究表明：利用水平井注CO₂可以适当地增大井距、排距,减少井的数量,降低钻井成本;在生产制度相同的情况下水平井井网的开发效果要比直井井网的开发效果好;在水平井井网中,采出程度随着油井到水平井的垂直距离的比值变化而变化,当比值为1.4时采出程度最大;水平井注CO₂更适合低渗透正韵律储层;在储层裂缝发育的情况下,裂缝条数越多,CO₂在储层中的不均匀推进现象越明显,最终采出程度越低。     

Numerical Simulation Study on the Effect of Horizontal Well Reservoir Stimulation for Gas Hydrate Production

A new gas hydrate reservoir stimulation method of in-situ fracturing with transient heating is proposed, in line with analysis of the technological bottlenecks faced by marine gas hydrate production. This method injects the developed chemical reagents into a hydrate reservoir through hydraulic fracturing, releasing heat during the chemical reaction to increase the hydrate decomposition rate. The chemical reaction product furthermore has a honeycomb structure to support fractures and increase reservoir permeability. Based on the geological model of natural gas hydrate in the South China Sea, three development methods are simulated to evaluate hydrate production capacity, consisting of horizontal well, fractured horizontal well and in-situ fracturing with transient heating well. Compared with the horizontal well, the simulation results show that the cumulative gas production of the fractured horizontal well in one year is 7 times that of the horizontal well, while the cumulative gas production of in-situ fracturing with transient heating well is 12 times that of the horizontal well, which significantly improves daily efficiency and cumulative gas production. In addition, the variation patterns of hydrate saturation and temperature-pressure fields with production time for the three exploitation plans are presented, it being found that three sensitive parameters of fracture conductivity, fracture half-length and fracture number are positively correlated with hydrate production enhancement. Through the simulations, basic data and theoretical support for the optimization of gas hydrate reservoir stimulation scheme has been provided.     

裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响

低渗透页岩气藏中,气体渗流时会受滑脱效应的影响。建立了考虑滑脱效应的气、水两相页岩气藏渗流数学模型,并建立了理想地质模型,采用数值模拟方法,研究了水力压裂的不同裂缝参数对水平井产能的影响。模拟结果表明:裂缝条数、长度和间距是影响页岩气井产能的重要参数,而裂缝宽度和渗透率对产能的影响相对较弱;页岩气井的产能随着裂缝条数和裂缝长度的增加而增大;水平井的水平段长度及裂缝条数一定时,可通过增大裂缝间距来减少裂缝间的相互干扰。      

用成像测井资料描述碳酸盐岩储集层——以车古20潜山为例

碳酸盐岩、火成岩等复杂性油气藏具有岩性、孔隙空间结构复杂、非均质性强等特点,单纯用常规测井技术很难对这些油气藏进行准确评价,必须借助于成像测井等新技术资料。成像测井不仅能直观地显示各种裂缝、溶洞等地质特征,而且还能定量计算裂缝的各种参数,以及研究孔隙结构。这里详细介绍了成像测井新技术裂缝识别、储层划分、裂缝参数计算、孔洞频谱分析等方法,并利用这些方法描述了车古20潜山碳酸盐岩储集层的裂缝,以及溶蚀孔洞发育特征,识别出了此潜山的储层,还结合其它资料,得出了该潜山油气藏的储层分布规律。     

超临界CO2分段多簇压裂井间干扰规律研究

水平井分段多簇压裂是非常规油气藏开发的关键技术,在合理利用压裂诱导应力增大储层改造体积的同时,避免井间干扰所导致的裂缝砂堵和压裂窜扰,是压裂工艺优化中的关键科学问题。文章针对超临界CO₂分段多簇压裂的缝间干扰和井间干扰问题,采用流固耦合的扩展有限元方法研究单井及多井裂缝诱导应力演化特征,充分考虑裂缝内超临界CO₂流动和滤失,从非常规油气储层岩性特征、地应力场分布及施工工艺等多方面对压裂扰动应力进行系统研究,揭示单井分段多簇压裂缝扩展机制及应力扰动特征,在此基础上研究多井井间压裂缝干扰规律。结果表明：高水平应力差、高弹性模量的储层中压裂干扰界限较大,低水平应力差、低弹性模量地层需适度增大簇间距,减小簇间干扰;老井压裂后,其邻井压裂缝非对称系数随井间距呈先增大、后减小的趋势;当井间距等于压裂干扰界限时,非对称系数λ达到最大,且井周改造范围最大,但裂缝两翼的非对称性可能导致储层动用不充分。本研究为水平井细分切割压裂和立体式井网设计优化提供理论基础,在“双碳”战略背景下对非常规油气资源高效开发具有重要意义。     

松辽盆地头台油田现代地应力场分布特征研究

在油气田开发,尤其是低渗透油田的开发过程中,井网布局与地应力的分布紧密相关。运用现场直接测量、岩芯观察、室内实验、数值模拟相结合的方法,对头台油田现代地应力分布特征进行的详细研究表明：头台油田水平最大主应力（人工裂缝）方向为N100°-120°E;天然裂缝方向在N0°-50°E之间;地层中三向应力为南部较小,北部较大,构造断裂与天然裂缝的走向近拟平行。因此,井网布局为：并排与人工裂缝及天然裂缝呈45°,300m×300m切割注水井风;注水压力应小于最小主应力值,采用不稳定间歇注水。