储层-裂缝组合单元在水力压裂井产能模拟中的应用

采用储层-裂缝组合单元模拟压裂改造后的储层、裂缝力学型态,推导相关有限元公式并进行压裂井产能模拟分析.这种方法的实质是将裂缝的质量、刚度矩阵变换叠加到储层整体相应方程矩阵中,以更精确反映裂缝开发动态参数的影响.计算结果表明:采用储层-裂缝组合单元有效解决了储层-裂缝网格尺度匹配的问题;反力算法避免了在高导流裂缝局部求解压力梯度产生的计算误差,提高了运算速度和求解压裂井产能的精度,为水力压裂井生产动态模拟和设计方案优化提供了新的处理方法.     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

 斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

基于扩展有限元法的水力压裂大物模实验的数值模拟

该文在页岩水力压裂实验的基础上,采用扩展有限元方法(XFEM),发展了ABAQUS软件的显式用户单元子程序,实现了页岩水力压裂过程的初步数值模拟。通过在常规3维实体8节点单元中引入扩充自由度,实现在单元内引入不连续位移场,模拟了水力压裂的裂纹,且无需在裂纹扩展过程中重画网格。采用有限差分法(FDM)离散流体的连续方程,实现对裂缝内流体流动的模拟。对一般扩展有限元方法进行改进,引入虚拟节点,在显式方法中可以简化处理单元内的裂纹,同时在扩充8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制,大大提高了计算效率。数值模拟结果与实验吻合得较好。     

井下煤层水力压裂裂缝导向机理及方法

针对井下煤层水力压裂裂缝扩展无序导致抽采效率低的问题,提出水力压裂裂缝导向方法,即采用高压水射流割定向缝导向裂缝起裂及扩展。在压裂孔周边合理布置导向钻孔,压裂孔及导向钻孔均采用水射流割缝技术在煤孔中形成定向缝隙。在地应力作用下缝隙尖端形成剪切破坏区,在内水压的作用下裂缝在缝隙尖端起裂;通过计算射流割缝缝隙水平延长方向最大主应力方向得出,裂缝在尖端起裂后沿水平方向延伸;在此基础上研发了裂缝导向技术工艺,即钻孔布置工艺、封孔工艺及压裂工艺,并成功应用于典型低透气性煤层;试验结果表明:该方法能够导向裂缝的延伸,压裂半径为25 m以上;抽采数据表明瓦斯抽放平均浓度为68%,单孔平均抽放纯量为0.037m3/min;采用裂缝导向技术后相比普通孔瓦斯抽放纯量提高了11.26倍,抽放浓度提高了2.12倍。     

水力深穿透射孔对压裂裂缝形态影响的数值模拟

基于各向异性弹性力学,结合流体力学理论,建立水力深穿透射孔条件下各向异性地层中垂直裂缝扩展的力学模型,基于最大周向应力准则建立裂缝扩展路径的计算方法,利用牛顿迭代法求解数值模型,并通过算例验证模型及求解方法的正确性。结果表明:裂缝转向半径随着射孔长度及射孔角度的增加而增大,随着压裂液黏度及排量的增加而增大;对称布孔方式优于单侧布孔方式,裂缝转向半径随着弹性模量各向异性差值的增加而增大,随着弹性模量的增大而增加。     

水力压裂裂缝模拟研究

针对低渗油气藏水力压裂裂缝通常采用直角网格加密模拟准确性不高的问题,采用了油藏数值模拟中的新型网格结构——PEBI网格来模拟水力裂缝.在充分认识水力裂缝渗流机理的基础上,深入分析了数值模拟中处理水力裂缝的常规直角网格加密方法和PEBI网格方法的原理;并以某火山岩油藏为例运用两种方法对裂缝方位、导流能力和裂缝穿透比进行优化研究.研究结果表明,PEBI网格模拟水力裂缝的方法相对于常规直角网格加密方法具有较高的准确性和优越性.运用该方法可以为现场压裂施工设计和效果评价提供一种有效的研究手段,对于提高低渗油气藏压裂效果具有实际意义.     

压裂裂缝拟三维延伸的数值模拟

为了使压裂设计更符合实际情况,近年来倾向于使用裂缝三维延伸的数学模型。本文以I D Palmer缝高模型为基础,应用线弹性断裂理论,建立了适合层状分布油气层压裂时裂缝拟三维延伸动态尺寸计算的数学模型,模拟了裂缝三维延伸过程中裂缝尺寸随时间的变化关系。     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

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和有限差分法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。     

混凝土三维非正交弥散裂缝模型

基于应变分解法,将开裂后的混凝土应变分解成裂缝面的应变与完好混凝土应变两部分,裂缝面上混凝土法向刚度取单轴受拉混凝土应力应变曲线的下降段刚度,并保留裂缝面的剪切刚度,并保留裂缝面的剪切刚度以考虑骨料咬合与销栓作用,完好混凝土本构关系采用弹塑性本构模型,推导了混凝土三维非正交弥散裂缝模型的模型的基本公式,算例表明,该模型可用于混凝土结构的开裂分析,且分析结果和试验结果较为吻合。     

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟. 在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性. 最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径. 模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.     

基于奇异有限元法对大曲率缺口断裂问题的数值分析

利用其局部解构造了一种新的大曲率缺口位移模式;建立含大曲率缺口损伤结构有限元方程和与相应的缺口奇异单元;提出了求解大曲率缺口应力与应力强度因子等断裂参量的数值计算方法,数值算例说明本文方法是一种有效的数值计算分析方法。     

基于非线性本构模型的渡槽结构抗裂性能分析

裂缝的存在直接影响水工结构的使用性、耐久性和安全性。正确预测结构可能开裂位置、判定开裂风险对合理采取抗裂控制措施具有重要的指导作用。采用自主开发的混凝土非线性有限元分析软件建立渡槽混凝土结构计算模型,分析了采用非线性本构模型时结构位移场、应力场。分析结果表明:考虑混凝土的材料非线性特性分析结构的位移场、应力场与采用线性本构模型的计算结果规律一致;但非线性本构模型可以更为精确的进行混凝土结构抗裂性能分析,在一些抗裂要求较高的建筑中应提倡考虑混凝土的材料非线性。     

混凝土断裂韧度及临界裂缝尖端张开位移--基于虚拟裂缝模型的分析

将虚拟裂缝模型与线弹性断裂力学相结合 ,利用楔入劈拉试件在实验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc,求得了混凝土裂缝亚临界扩展量Δac 的解析解 ,据此计算了最大尺寸为 12 0 0mm× 12 0 0mm× 2 0 0mm的楔入劈拉混凝土试件的起裂断裂韧度KsIc、失稳断裂韧度KeIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc 研究结果表明 ,随着试件尺寸的增加 ,Δac 增大 ,但其增长幅度明显减小 ;而KsIc、KeIc、CTODc 却是与试件尺寸无关的断裂参数 因此 ,双K断裂准则可很好地描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展及失稳破坏过程     

基于EPHF模型均质多孔岩石材料水力压裂特性

基于流固耦合理论,在基于渗透率的水力压裂(PHF)模型基础上建立了扩展渗透率的水力压裂(extended permeability-based hydraulic fracture,EPHF)模型.该模型假设岩石材料在开裂过程中渗透率的改变为平均有效应力的函数,采用多孔介质弹性本构关系和Drucker-Prager塑性...     

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.     

岩盐水压致裂连通溶解的数学模型

对水压致裂连通溶解开采的过程及机理，在理论上进行了一定的分析，其内容主要包括：岩盐矿层内水力裂缝的起裂扩展，盐矿物的溶解等。通过理论分析，给出了盐类矿床水压致裂连通溶解的数学模型。为盐类矿床水压致裂连通溶解理论的建立奠定了一定基础，为指导生产实践提供了一定理论依据。     

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。