水力压裂软件的研制与开发

水力压裂是油田开发中最重要的增产措施。压裂设计是压裂施工的指导性原则。本文简要介绍了石油大学压裂科研组１０年来研制的压裂设计，参数优化及水力裂缝参数识别的各种软件，论述了它们的功能，在理论与求解上的特点以及在油田中推广应用的效果。实践证明，各种软件包的应用，能够提高压裂的成功率与有效率，对降低压裂成本，提高油田水力压裂工艺水平起了积极作用。     

地层塑性对水力压裂裂缝扩展的影响

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、粘性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索了塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液粘度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液粘度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

全三维水力压裂过程中裂缝及近缝地层的温度计算模型

根据全三维水力压裂模型,建立了水力压裂施工过程中裂缝,盖层、底层以及裂缝附近地层中三维温度分布的数学模型。在该模型中,考虑了裂缝内的液体沿缝长和缝高方向作二维流动及裂缝向上,向下延伸到盖层和底层中的情况,计算实例表明,液体沿裂缝长度和高度方向同时流动时,在其长度和高度方向上都存在温度梯度。并且在沿裂缝高度方向上,由于滤失带对地层传热的影响,使得油层范围内的温度变化较小;而在油层范围以外,温度变化则较大。     

定向水力压裂技术研究与应用

针对煤矿井下实施水力压裂措施后增透方向不确定导致应力集中的问题,提出了定向孔定向水力压裂技术.介绍了定向水力压裂的必要性及当前研究现状,分析了定向孔定向作用机理,确定了定向孔的布置位置、间距等参数.利用数值模拟软件验证了定向孔的导向控制效果.分析结果表明:在压裂孔连心线上布置定向孔.定向孔与压裂孔间距为3～4m时,定向孔起到了辅助自由面的作用,对压裂产生的裂隙具有导向和加速扩展的作用.定向孔诱导裂隙从压裂孔周围向定向孔方向发展,进而促使压裂孔之间实现贯通,消除了应力集中,达到了整体卸压增透的效果.现场实施穿层定向水力压裂后,工作面瓦斯突出危险性指标q值、S值减小,变化幅度降低,掘进速度提高了69％,实现了安全生产.     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟,较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下,压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动,裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹,而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

水力喷射压裂孔道内部增压机制

在室内试验基础上,结合计算流体力学方法,得到水力喷射压裂孔道内的压力分布,并对喷嘴压降、喷嘴直径、套管孔眼直径对孔道增压的影响进行分析.结果表明:在水力射流和套管孔眼密封的共同作用下,水力喷射产生的孔道内部存在增压现象,从而在套管压力低于地层起裂压力下压开地层;孔道压力随喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增加;套管孔眼起到的密封作用能够大幅提高孔道压力,对孔道的增压影响很大;水力喷射压裂技术应用于裸眼井时,孔道增压有限,需要提高套管压力才能压裂地层.     

水力裂缝内流场分布的有限元分析

用局部径向流场假设对原一维流场假设进行修正,建立了新的拟三维模型.用有限元方法对缝内的流场分布进行求解,得到了缝内的流线分布及流量沿缝高方向的分布情况,该分布情况与局部径向流场假设所得的分布情况一致.说明了建立的新模型比原拟三维模型有较大改进.新模型考虑了压裂液在缝高方向上的压力降,对于控层较差情况下的缝高预测,比原一维水平流场假设更接近于真实值.     

缝槽形态对水力压裂效果的影响

为研究资源开采中缝槽形态对水力压裂起裂及裂缝扩展规律的影响,解决因地质资源埋藏深、地下储层结构和应力水平复杂、水力压裂开采过程中所造成的钻孔压裂起裂压力大、起裂方位无序、压裂效果差异较大等问题,建立圆孔和椭圆缝槽的二维水力压裂钻孔模型,利用RFPA-Flow^2D数值模拟软件,理论分析并结合数值模拟,对圆孔和椭圆2个缝槽形态的起裂机理和裂缝的扩展规律进行研究。结果表明：压裂裂缝的扩展延伸方向与施加的应力组合中的最大主应力方向平行,且当施加的应力组合差值不断减小时,裂缝的起裂压力随之逐渐增大;最大主应力平行于椭圆缝槽长轴时相较垂直于椭圆长轴时,裂缝更容易起裂;当应力差减小至零时,对比椭圆缝槽,圆孔缝槽的裂纹扩展出现了随机分叉的现象;在应力组合相同的条件下,椭圆缝槽相比圆孔缝槽的起裂压力更小,椭圆缝槽更容易起裂。     

油藏水力压裂区域分解模拟算法

由于压裂裂缝能增加地层的非均质性，因此，选用适当的数学模型和算法是提高模拟效果和计算精度的关键。将区域分解算法与黑油模型相结合，对水力压裂后形成的裂缝油藏进行了精细的模拟计算，通过计算渗透率的大小来描述裂缝的几何尺寸和方向。     

二维淬火温度场的数值计算

建立了旋转体试样淬火过程的温度场计算模型,用有限差分法模拟计算了淬火温度场.对计算中用到的材料参数如体积比热容Cρ、导热系数λ和热扩散系数H进行了实际测量和校正.计算机模拟结果和实测结果吻合较好.     

垂直井筒压裂温度场分布理论和计算方法研究

水力压裂施工过程中,随着温度的升高,压裂液粘度降低,影响压裂液的携砂能力。因此,精确计算压裂液在井筒的温度分布极为重要。本文在一定假设条件下,依据热力学平衡方程,考虑压裂液在井筒的摩擦产生的内热,建立了井筒内压裂液和地层温度场热力学平衡解析方程,并且根据数值计算理论,建立离散模型,最后进行了实例计算和分析。结果表明,摩擦产生的热对于计算压裂液温度不可忽略。     

缝网压裂控制条件研究*

结合北美页岩气藏体积改造实践与裂缝监测成果,全面阐述了缝网压裂的力学控制条件：岩石脆性指数是多点起裂而形成多裂缝的基础,发育良好的结构弱面（节理与天然裂缝）是形成网络的必要条件,储层水平主应力差与天然裂缝逼近角是诱发缝网的控制条件,低渗–致密储层是采用缝网压裂的前提。阐述了形成缝网的工艺条件：低黏流体是诱发复杂裂缝网络的前提,较高净压力（系数）是提高缝网波及区域的工艺手段;对比了常规压裂与缝网压裂改造理念的的差异,为正确判别和使用缝网压裂提供了思路。明确提出了缝网压裂的控制条件,对于指导缝网压裂实践具有重要的指导意义。     

页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键。试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响。通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态。实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性。试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝。另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝。     

穿层钻孔水力压裂试验研究

煤储层透气性低是制约煤矿瓦斯抽采的关键因素,为提高煤储层透气性,增加瓦斯抽采效果,依靠水力压裂技术,采用穿层钻孔对煤层进行激励,形成裂缝,达到增透的目的。同时,采用理论分析和现场试验的方法,对穿层钻孔水力压裂技术进行研究。压裂后压裂孔透气性系数增加了6~12倍,抽放纯量提高了24~30倍。水力压裂技术大幅地提高了煤层的透气性和钻孔瓦斯抽放量,是一种有效的煤储层增透工艺。     

水力压裂支撑剂回流控制措施探讨

从两个方面对支撑剂回流控制措施进行了研究,一是改善压裂支撑剂的性能;另一方面是近井筒地带支撑剂填充层的稳定性,采用有控制的裂缝闭合工序,让裂缝尽早闭合。在前人研究工作的基础上,对改善性能后的支撑剂和添加剂进行了总结,包括树脂包胶支撑剂、加纤维支撑剂、热塑性薄膜支撑剂、表面改良支撑剂、可变形支撑剂、树脂冲洗措施等,总结其性质和适用性。总结前人的成果,建立模型,分析了评估支撑剂回流的重要参数——压裂液临界返排流量的影响因素及变化规律,提出了对压裂液返排程序进行优化设计的准则和方法,指导返排,控制回流。     

水力压裂的几个新进展

综述了水力压裂机理的最新研究成果和缝端脱砂压裂的原理及其应用．压裂机理是水力压裂的重要组成部分,包括裂缝起裂和裂缝延伸机制．不同注入排量和不同完井方式下直井、斜井和水平井的裂缝起裂机制不尽相同,取决于时间效应,规模效应和应力状态,而流体滞后,端部膨胀,过程区和连续伤害机理则从不同方面考虑了裂缝延伸的一些重要影响因素．八十年代提出的缝端脱砂压裂则拓宽了常规水力压裂的应用范围．在介绍缝端脱砂压裂原理和设计方法的基础上,说明了缝端脱砂压裂在解堵、增产和油藏管理上的应用,重点阐述了缝端脱砂压裂和砾石充填相结合,用于高渗透或疏松地层的防砂．     

酸预处理在水力压裂中降低伤害机理研究

低渗透储层进行常规加砂压裂常常由于压裂液破胶不彻底、残渣和滤液伤害等问题而影响压裂改造效果。压 裂前的酸预处理技术可降低压裂过程中伤害,改善压裂效果。利用激光粒度仪对常规压裂液破胶与酸性环境下压裂 液破胶过程中瓜胶分子尺寸进行定量观测,研究不同破胶环境下岩石基质伤害的主要因素;通过电镜扫描对注入破胶 液与酸液后伤害的岩芯进行微观分析。研究表明,在酸液存在条件下压裂液破胶后瓜胶分子尺寸大幅度降低,瓜胶分 子尺寸的降低比酸性环境对降低岩石渗透率伤害贡献更大,酸液能够很好地解除压裂液伤害,提高岩芯渗透率,同时 由于酸溶蚀可形成较为明显的溶蚀孔道,进一步提高基质渗流能力。     

高温高压下岩石水力压裂实验新型封隔技术

为解决高温高压下水力压裂实验的封孔难题,采用理论分析、数值模拟和物理实验的方法,设计了基于楔形金属对扣结构的水力压裂实验新型密封件,模拟分析了注水作用下的封隔效果,最后采用该密封技术成功开展了大尺寸岩样在高温高压下的水力压裂实验.结果表明:高温、高压和高注水压力均是该密封构件强化密封的有利条件;增加注水压力可实现密封件越压越紧;采用该密封技术成功实现了大尺寸花岗岩试样高温三轴应力下的水力压裂,验证了新型封隔技术的密封效果,同时掌握了高温高压下岩石水力压裂的多次开裂特征.     

矩形井网整体压裂技术在浅层油藏适应性研究

针对浅层油田的地质特点,在充分分析区块注采系统、油层地应力场以及油层裂缝发育情况的基础上,利用水力压裂整体优化设计软件,对矩形井网、正方形反九点井网和菱形反九点井网有利裂缝方位在油田的适应性进行了对比研究。确定最优整体压裂方案,争取最少的投入,获得最好的措施效果,以期在该区块实现整体高效开发。研究表明,矩形井网较适合于此油田。在此基础上,研究了矩形井网在不同井距和排距条件下缝长比和导流能力变化对压裂井日产油量和累积产油量这些开发指标的影响。研究结果表明:对于矩形井网,井距一定,压裂效果并非排距、缝长比和导流能力越大越好,而是存在一个合适的范围。导流能力40μm2·cm较好;缝长比0.1—0.2,井排距300m×250m较好;缝长比0.2,井排距400m×300m较好。     

页岩气藏水力压裂渗吸机理数值模拟研究

针对页岩储层在水力压裂作业和生产中渗吸机理及作用规律不清的问题,开展了渗吸机理及其引起的地层伤害评估的研究。建立了考虑不同影响因素的页岩水力压裂渗吸数学模型,包括基质和裂缝流动,气体扩散和解吸,应力敏感效应和毛细管压力,然后,讨论了在压裂气藏和后续生产期间如何通过量化裂缝面表皮演变来评估由于渗吸机制导致的储层伤害现象。结果表明,（1）在试井以及生产阶段渗吸对储层特性有较大影响,极大的毛细管压力是导致渗吸现象和水力裂缝附近水封的主要原因;（2）对于实施了水力压裂增产措施的新井通过探测裂缝压力可以获得原始气体压力;（3）润湿相阻塞导致的储层伤害是影响致密气藏水力压裂井生产能力的主要来源之一。研究结果对于页岩气藏的渗流特性能够提供深刻的理解,尤其是为早期生产阶段降低由渗吸作用可能造成的储层伤害来优化生产提供理论依据。