页岩储层体积压裂裂缝扩展机制研究

页岩储层天然裂缝、水平层理发育,水力压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝。针对页岩储层体积裂缝扩展问题,基于流-固耦合基本方程和损伤力学原理,建立了页岩储层水力压裂体积裂缝扩展的三维有限元模型。将数值模型的模拟结果与页岩储层裂缝扩展室内试验结果进行对比,二者吻合较好,从而证明了数值模型的可靠性。通过一系列数值模拟发现：（1）水力压裂过程中水平层理可能张开,形成水平缝,水平与垂直缝相互交错,形成复杂的体积裂缝网络;（2）水平主应力差增大,体积裂缝的分布长度（水平最大主应力方向压裂裂缝的展布距离）增加、分布宽度（水平最小主应力方向压裂裂缝的展布距离）减小,体积裂缝的长宽比增加;（3）压裂施工排量增大,体积裂缝的分布长度减小、宽度增加,压裂裂缝的长宽比降低;（4）天然裂缝的残余抗张强度增大,体积裂缝分布宽度减小、分布长度增加,体积裂缝的长宽比增加。研究成果可以为国内的页岩气的压裂设计和施工提供一定的参考和借鉴。     

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。     

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。     

考虑页岩层理剪切滑移的水力裂缝几何参数计算方法

针对现有页岩气体积压裂层理裂缝扩展模型及其计算方法研究的不足,基于三点弯曲试验,结合数字图像法获取了页岩层理关键力学参数;利用弹性力学理论和线弹簧模型建立了页岩气体积压裂层理裂缝扩展拟三维数学模型,并得到了试验验证;开发了裂缝几何参数计算程序,计算分析了层理参数与压裂施工参数对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明：当层理刚度小于10 GPa/m及大于30 GPa/m时,剪切滑移量达到极大值及极小值,且基本保持不变,当层理刚度在10～30 GPa/m之间时,层理刚度与剪切滑移量呈线性负相关关系;当层理密度为5～7条时,主裂缝会沟通更多的层理;当层理强度为5～8 MPa时,水力裂缝易穿层扩展,且能使层理产生剪切滑移,从而生成复杂裂缝;当压裂液排量和压裂液黏度分别在9～12 m3/min和2.5～5m Pa·s范围内时,水力裂缝易穿层扩展,最终形成十字型裂缝,有助于复杂裂缝的形成。该研究对认识页岩层理力学性能及其对层理裂缝扩展规律的影响有一定的指导意义。     

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。     

Laboratory investigation of hydraulic fracture propagation using real-time ultrasonic measurement in shale formations with random natural fractures

The significance of natural fractures in unconventional shale hydrocarbon formations has opened new research frontiers in hydraulic fracturing. Among many of its unique contributions to gas production, the interaction between natural fractures and hydraulic fractures has long been experimentally and computationally investigated. Here, we experimentally investigated the evolution of the fracturing network with a self-developed ultrasonic testing system. Laboratory experiments are proposed to study the propagation of hydraulic fracture in naturally fractured model blocks that contain random micro-fractures. Our analysis suggests that the total fracture width obtained by ultrasonic pulse velocity (UPV) can reflect the dynamic evolution of the fracturing network. The nonlinear fracturing network evolution process is closely related to the variation of the total fracture width. It is suggested from the total fracture width that the maximum fracture network can be realized with greater natural fracture density, large injection rate, and smaller stress ratio. The study presents a better insight into the response of random naturally fractured shale formation under hydraulic fracturing treatment by analyzing the variation of UPV in real time.     

Optimization and Evaluation of Multiple Hydraulically Fractured Parameters in Random Naturally Fractured Model Blocks: An Experimental Investigation

Researchers have recently realized that the non-tectonic natural fractures are developed in shale formations and significant for the exploitation of shale gas. Studies have shown that the tectonic fractures in naturally fractured reservoirs have influences on the maximization of stimulated reservoir volume (SRV) during hydraulic fracturing. However, the effect of the non-tectonic randomly natural fractures on the fracturing network propagation is not well understood. Laboratory experiments are proposed to study the evolution of fracturing network in naturally fractured formations with specimens that contain non-tectonic random fractures. The influences of the dominating factors were studied and analyzed, with an emphasis on natural fracture density, stress ratio, and injection rate. The response surface methodology was employed to perform the multiple-factor analysis and optimization in the maximization of the SRV. A sensitivity study reveals a number of interesting observations resulting from these parameters on the fracturing network evaluation. It is suggested from the geometry morphology of fracturing network that high natural fracture density and injection rate tend to maximize the fracturing network. The influence of stress contrast on fracturing network is nonlinear; an optimal value exists resulting in the best hydraulic fracturing effectiveness.     

充填天然裂缝对页岩受载过程中渗透率变化规律影响机理分析

页岩气开采需要对储层进行大规模人工水力压裂改造,为了研究压裂过程中页岩渗透率变化规律及其机理,文章通过对含充填天然裂缝和不含天然裂缝两块页岩岩样进行流-固耦合物理模拟实验,并结合样品的全岩X-射线衍射分析,获得以下认识:加卸载过程中,应力-应变曲线中应力小平台的出现可以指示样品中微裂缝的形成与闭合,是渗透率变化的内在机制;当岩样达到破裂条件形成显裂缝后,样品发生永久性变形,从而达到渗透率增大的效果;受载过程中,微裂缝易沿着天然裂缝脆弱面发育,并不断积累连通成裂缝网络,是形成两块岩样渗透率变化差异的机理。      

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。      

川南深层页岩水力压裂缝网扩展规律数值模拟研究

3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明:在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得有限。基于显微镜观察构建的裂缝模型计算出的结果能够较好地符合场地实际,为深层水力压裂设计和施工提供参考。     

Cluster spacing optimization of multi-stage fracturing in horizontal shale gas wells based on stimulated reservoir volume evaluation

The multi-stage fracturing in horizontal well is a common technique for shale gas reservoir exploitation, in which cluster spacing governs the fracturing performance. Undersized cluster spacing might make the stimulated reservoir volume (SRV), activated by the respective hydraulic fracture, excessively overlap with each other, while oversized cluster spacing might leave a large unstimulated volume between neighboring hydraulic fractures; in either case, fracturing would be inefficient. Previous design of cluster spacing has failed to maximize the SRV due to the absence of a dynamic SRV evaluation model. A numerical model of SRV evaluation in shale reservoir was established by integrating four main modules, including fracture propagation, reservoir pressure distribution, formation stress distribution, and natural fracture failure criterion. Then, a method to optimize cluster spacing was developed with the goal of maximizing SRV. In order to validate this method, it was applied in Fuling shale gas reservoir in Southwest China to determine the optimal cluster spacing. The sensitivity of key parameters on the optimal cluster spacing has been analyzed. This research proposed a compelling cluster spacing optimization method, which could reduce the uncertainty in cluster spacing design, and provides some new insights on the optimal design of multi-stage fracturing in horizontal shale gas well.     

排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究

在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P₃₂作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:（1）在块体单元边长较小（即预制裂缝密度较大）的试样中,体积压裂的效果更加显著;（2）小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;（3）随着排量的增加,试样压裂后的P₃₂值会升高;但排量增加到一定程度后,P₃₂值不再增长,甚至略微下降。     

油气藏水力压裂计算模拟技术研究现状与展望

水力压裂技术是油气藏尤其是页岩气开发中的核心技术,利用数值模拟方法进行压裂优化和产能预测又是水力压裂成功的关键。本文首先介绍了水力压裂技术的发展历程。然后从计算模型(二维模型、拟三维模型和全三维模型)和数值模拟方法(基于连续介质和基于非连续介质)两方面对油气藏开发领域的水力压裂计算模拟技术进行较全面的总结。最后,从以下3个方面指出现今研究的不足并提出了进一步的研究建议:(1)全三维模型的完善-全三维模型应当与真实的工程参数和监测数据结合,用于校正模型本身,而校正后的全三维模型又可预测和优化新的现场水力压裂作业; (2)数值模拟方法的选用-已有的水力压裂数值模拟方法种类繁多,需要针对各种方法的适用范围、计算效率和模拟效果等,进行全面的比较和优化; (3)页岩储层中天然裂缝网络的数值模拟-天然裂隙网络加剧了页岩储层力学性质的各向异性,同时水力裂缝沟通天然裂缝活化扩展是有利于储层的增渗增产,对压裂缝网的形态、尺寸和连通率等起着至关重要的作用。因此,数值计算过程中综合考虑页岩储层中天然裂缝与水力裂缝的相互作用,将是未来水力压裂模拟的热点。     

离散裂隙网络对页岩气井产能影响的数值模拟

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,研究不同走向裂隙组对页岩气井产能的影响。研究认为,页岩基质为气体的生产提供了主要气源,天然裂隙作为渗流的主要通道,将气体输送到水力裂缝,进而到达井筒。模拟结果表征,离散裂隙的渗流特征对于页岩气井的产能有重要影响。根据页岩储层的天然裂隙走向,可以优化相应的水平井方位。对于二维离散裂隙网络模型,水平井沿着2个裂隙组夹角的平分线更有利于生产。      

考虑页岩纹层与裂缝网络的延长组页岩多尺度三维地质结构模型

现场调查表明,砂质纹层、凝灰质纹层和天然裂缝广泛地存在于陆相页岩储层中。本文对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究,并构建了三维地质结构模型。首先,基于二维裂缝现场调查,利用蒙特卡罗模拟方法建立了研究区域的三维裂缝网络模型。然后通过多种观测手段获得由宏观尺度到微观尺度的纹层结构特征。对多尺度纹层厚度的统计分析表明,米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2.26 m,2.09 dm,1.70 cm,1.48 mm和11.7 μm,呈现出分形特征,分形维数为1.06;不同研究尺度下的单层厚度均服从负指数分布规律,即各研究尺度下厚度越大的纹层,其层数越少,反之越薄的纹层其数量越多。最后,根据上述纹层平均厚度及概率分布函数特征,建立了页岩的多尺度纹层结构模型,并将其叠加在裂缝网络模型上,生成不同尺度下的页岩三维地质结构模型。模型输出的裂缝、纹层参数与研究区域的真实地质参数有着较好的对比验证。这项研究工作可为页岩气储层的水力压裂数值模拟和物理模型试验提供更可靠的地质模型。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

页岩压裂影响因素三维模型数值分析

不同影响因素对页岩水力压裂效果有不同的影响。基于三维数值计算模型介绍了水力压裂的典型过程,针对水平最小主应力、页岩的弹性模量和渗透系数对压裂的影响进行了分析。结果表明:随着水平最小主应力的增加,裂缝高度也随之增加;随着页岩的弹性模量增加,裂缝的高度随之降低;随着渗透系数的增加,裂缝高度也随之增加;随着压裂液的黏度系数提高,裂缝的高度降低。     

页岩气藏缝网压裂裂缝间距优化研究

页岩气藏一般具有低孔隙、低渗透等特征,对其实施缝网压裂是高效开发页岩气的最佳途径。采用位移不连续法建立线弹性二维均质地层诱导应力场分布数学模型,通过水平应力差异系数对顺序压裂和交替压裂的裂缝间距进行优化研究。结果表明,水平应力差异系数受到裂缝净压力、裂缝缝长、原地应力场等因素的影响;裂缝净压力越大、缝长越长,水平应力差异系数越小;随着与裂缝距离的增加,水平应力差异系数呈现先减小后增加的趋势,因此,存在后续裂缝形成复杂网络的最佳裂缝间距;顺序压裂裂缝间距不宜过大,且后续压裂裂缝间距应适当减小;交替压裂裂缝间距最优时,缝间水平应力差异系数最小,对中间裂缝形成缝网最有利。     

Development of a full 3D numerical model to investigate the hydraulic fracture propagation under the impact of orthogonal natural fractures

Although hydraulic fracturing has been massively studied and applied as a key technique to enhance the gas production from tight formations, some problems and uncertainties exist to accurately predict and analyze the fracture behavior in complex reservoirs, especially in the naturally fractured reservoirs like shale reservoirs. This paper presents a full 3D numerical model (FLAC3D) to study hydraulic fracturing behavior under the impact of preexisting orthogonal natural fractures. In this numerical model, the hydraulic fracture propagation direction is assumed perpendicular to the minimum principal stress and activated only by tensile failure, whereas the preexisting natural fractures can be activated by tensile or shear failure or a combination of them, and only tensile failure can open the natural fracture as well. The newly developed model was used to study the impact of preexisting orthogonal natural fractures on hydraulic fracturing behavior, based on a multistage hydraulic fracturing operation in a naturally fractured reservoir from the Barnett Shale formation, northwest of Texas in USA. In this multistage operation, two more representative stages, i.e., stage 1 with a relatively large horizontal stress anisotropy of 3.3 MPa and stage 4 with a comparatively small one of 1.3 MPa, were selected to conduct the simulation. Based on the numerical results, one can observe that the interaction between hydraulic and natural fracture is driven mainly by induced stress around fracture tip. Besides, the horizontal stress anisotropy plays a key role in opening the natural fracture. Thus, no significant opened fracture is activated on natural fracture in stage 1, while in stage 4 an opened fracture invades to about 90 m into the first natural fracture. Conversely, the hydraulic fracture length in stage 1 is much longer than in stage 4, as some fluid volume is stored in the opened natural fracture in stage 4. In this work, the shear failure on natural fractures is treated as the main factor for inducing the seismic events. And the simulated seismic events, i.e., shear failure on natural fractures, are very comparable with the measured seismic events.

     

微支撑剂对页岩油气的增产机理及选配原则

水力压裂是页岩油气增产的主要手段,其核心是向储层连续泵入压裂液迫使储层产生水力裂缝/缝网形成油气运移高效通道,从而达到油气增产的目的。相较人工主缝,微裂缝具有数量大、缝宽小、走向复杂等特点,常规支撑剂无法对其形成有效支撑,如何提高微裂缝的导流能力是进一步提高页岩油气产能的关键。微缝导流能力实验表明:微支撑剂嵌入页岩裂缝表面导致一定程度的渗透率损害,但支撑微裂缝的渗透率仍比页岩基质渗透率高出2～3个数量级,仍可为页岩油气运移提供有效渗流通道。本文系统分析了微支撑剂对微裂缝的支撑特性、微支撑剂的长距离输运性能及辅助降滤等特征,提出了微支撑剂对致密油气增产的内在机制。结合我国致密油气储层基质孔隙尺度,形成了考虑微裂缝开度及基质孔隙尺寸的微支撑剂选配原则。