页岩储层水力压裂优化设计

含气页岩由间隙气和吸附气组成,水力压裂是提高这类储层有效动用的唯一手段.本文在分析研究页岩储层特征的基础上,对适合于页岩的水力压裂模型和工艺参数优化进行了分析研究.页岩储层天然裂缝和层理发育,储层流体主要是在层理及天然裂缝系统中进行,针对砂泥岩地层的水力压裂数值模型(包括全三维模型)不适用于页岩储层水力压裂分析.DFN离散裂缝压裂模型是基于连续均匀介质和多孔不连续非均匀介质力学理论的3D压裂数值模型,可用于模拟页岩和煤岩水力压裂中多裂缝、非对称缝和不连续缝,也可用于天然裂缝和断层发育地层中的不连续缝的模拟.在压裂工艺方面,对射孔方式、压裂液、支撑剂等进行了优选.研究结果也可用于裂缝性砂岩储层改造.     

通过改变近井地应力场实现页岩储层缝网压裂

体积压裂是对非常规储层进行高效改造的最主要手段之一,目前国内外对于体积改造技术的关注多集中在对水平井分段多簇压裂的优化方面。在深入分析诱导应力的计算方法及其对处理区域动态应力场形成所起到的决定性作用基础上,提出了通过控制诱导应力实现垂直于井筒方向缝网形成的方法。在压裂中,依靠原始地应力资料有目的地设计第1次压裂,产生需要的诱导应力,从而在第2次压裂中形成网状裂缝,这种通过改变近井地应力来实现缝网的方法在实际应用中取得了较好的效果。依据不同类型页岩储层特点进行优化设计和配套工艺改进,对非常规储层的体积改造具有重要意义。     

考虑多缝应力干扰的页岩储层压裂转向角计算模型

页岩储层压裂裂缝与天然裂缝相交后,其延伸方向是否改变是决定压裂能否形成复杂缝网的关键因素,转向角增大则有利于与天然裂缝相互连通,最终形成复杂裂缝网络结构。为计算多裂缝扩展时水力裂缝穿过天然裂缝后的转向角,基于线弹性断裂力学理论,建立了考虑远场地应力、裂缝尖端应力集中效应以及多裂缝扩展应力干扰下的页岩储层裂缝与天然裂缝相交后转向角计算模型。通过对比已有单缝模型,发现考虑多缝扩展产生诱导应力时,水力裂缝穿出天然裂缝后的转向角将增大,且裂缝长度、裂缝间距、天然裂缝分布位置、缝内净压力都影响转向角的大小。该模型可用于水平井多段压裂和井工厂压裂裂缝转向角计算,评价缝网压裂可行性、指导缝网压裂设计。     

基于结构弱面及缝间干扰的页岩缝网压裂技术

为明确页岩储层中层理、天然裂缝等结构弱面和缝间干扰对缝网压裂效果的影响机制,根据全三维物模实验所观察到的裂缝扩展现象,理论分析了结构弱面控制下和缝间干扰影响下复杂裂缝的形成机制,并结合数模研究对现场有助于形成复杂裂缝的多种施工工艺和方法进行了探讨。最终得出：结构弱面可使与之相遇的水力裂缝停止、转向或产生新缝,结构弱面发生剪切错动或张开后均可成为页岩气流动通道;此外,缝间干扰会影响后续裂缝的几何形态,从而改变其与结构弱面的逼近角;2级主裂缝间可以产生分支缝,有利于增加裂缝复杂度,适当降低裂缝间距可在一定程度上增强缝间干扰。目前已进行矿场试验的大排量低黏压裂液、暂堵转向、平台“拉链式”压裂等措施取得了较好的监测结果,作业方式的改进和不同压裂技术的综合应用也是增加裂缝复杂度的有效途径。     

页岩气储层体积缝网压裂技术新进展

体积缝网压裂是以在储层中形成大规模复杂裂缝网络为目的的压裂工艺技术,是低渗、特低渗页岩气储层实现工业开采最有效的增产措施。介绍了近期提出的同步压裂(或拉链式压裂)、交替压裂(或"德州两步跳"压裂)和改进拉链式压裂技术工艺原理及其实现方法,对比分析了其各自存在的优缺点,简要阐述了成功实现页岩气储层体积缝网压裂的关键辅助技术(清水压裂技术、微地震监测技术及参数优化方法等)。研究发现,改进拉链式压裂利用同步压裂和交替压裂优点的同时规避了它们各自的不足,使其压后效果相比于同步压裂和交替压裂更好,为页岩气的进一步开发提供了新思路。最后,针对目前尚存在的问题,分析了其可能原因并指出了未来发展方向,对我国页岩气高效开发具有重要指导意义。     

水平井缝网压裂裂缝间距的优化

为了让致密油气藏分段压裂时形成的水力裂缝和天然裂缝相沟通,形成复杂缝网,提高水力压裂增产效果,采用数值模拟方法研究了水平井缝网压裂的缝间距优化问题。建立了均质、各向同性储层内二维水力裂缝的诱导应力差模型;根据裂缝转向机理,推导出了缝间最大诱导应力公式,确定了最优间距。结合现场数据,计算了泊松比为0.2~0.5、缝间距为40~90 m时的缝间诱导应力。计算结果表明:地层的泊松比越小,裂缝的诱导应力差越大,诱导应力的传播距离越远;随着与裂缝距离的增加,诱导应力差呈现先增大后减小的趋势;当2条裂缝之间的距离为最优间距时,缝间的诱导应力差最大。研究表明,优化裂缝之间的缝间距,可以使裂缝之间的诱导应力差达到最大值,形成复杂的裂缝网格,提高油气与井筒之间的连通性。研究结果为低渗透油气藏缝网压裂时的裂缝优化设计提供了参考。      

形成复杂缝网体积(ESRV)的影响因素分析

基于室内真三轴水力压裂模拟实验、现场压裂实践和理论分析的方法,从储层岩石的脆性指数、水平应力差、天然裂缝的力学特征和发育程度、液体黏度和施工参数等方面分析了储层形成复杂裂缝网络的受控因素,初步建议以多因素耦合的复杂缝网体积(或有效地改造储层的体积ESRV)来表征水力压裂对储层的改造程度。复杂缝网体积,既包括了裂缝总面积与储层体积的比表面积(裂缝的密度)的作用也包括了裂缝所触及到改造体积(裂缝体积)的作用。研究表明,储层的水力压裂复杂缝网指数受到地质因素和工程因素的双重影响。     

非裂缝型砂岩储层缝网压裂技术

为了保证致密砂岩储层的压裂成功率和改造效果,研究了缝网形成机理和主控因素。通过压裂裂缝扩展分析,确定缝网形成的条件是产生应力释放缝,与主裂缝的夹角为75°。通过分析应力释放缝的岩石力学性质、净压力、最小主应力及应力差等力学影响因素,以及致密储层缝网形成机理,明确了影响缝网形成的主要控制因素,建立了工艺选井选层方法,并以实现缝网压裂为目标进行缝网压裂工艺优化。通过现场试验,建立了一套适合大庆致密油气储层的缝网压裂技术,明显提高了该类储层压后产能。     

基质型页岩油储层高导流体积缝网压裂技术

针对松辽盆地北部青山口组基质型页岩油储层压裂改造的难点,结合基质型页岩油储层地质特征,文中采用前置液态CO2增能技术降低破裂压力,增加裂缝的复杂程度,优选出低伤害压裂液体系,以减小对储层的伤害;在大排量、大规模体积压裂的同时,采用多尺度多缝多粒径支撑剂组合加砂工艺、高砂比伴注纤维加砂工艺及混合压裂液变黏度多级交替注入工艺提高裂缝导流能力,形成了一套适用于松辽盆地的基质型页岩油储层高导流体积缝网压裂技术。研究表明,该技术增加了压裂后返排率,降低了储层伤害,形成了复杂缝网体系及高导流裂缝,提高了产量,在松辽盆地北部现场应用4口井,压裂后均获得工业油流。研究成果对基质型页岩油储层压裂改造提供了技术借鉴。     

Y151井区水平井缝网压裂参数优化研究

低渗-超低渗透Y151井区采用缝网压裂水平井进行开发,但目前,针对缝网压裂水平井特征参数优化的研究很少,因此,文中使用Eclipse数值模拟软件,考虑等效导流能力和局部多重网格加密方法建立缝网压裂网络模型,同时利用"主裂缝+SRV区域渗透率"的小尺度缝网模拟方法,开展次缝、支缝与主缝之间的导流匹配研究,确定了Y151井区水平井缝网压裂的裂缝形态、井筒与裂缝延伸方向、水平段长度等参数。为Y151井区以及低渗-超低渗致密油藏缝网压裂水平井开发有着指导意义。     

致密储层同步压裂井间裂缝形态判别模型

在同步压裂过程中,随着地应力条件的改变,裂缝形态也会随之变化.针对这一现象,假设致密储层岩石为均质、各向同性材料,依据断裂力学理论,推导出同步压裂井间裂缝诱导应力计算模型;考虑水力压裂过程中,诱导应力差值对水平应力差异系数的影响,结合复杂裂缝和转向裂缝形成的力学条件,建立同步压裂井间裂缝形态判别模型.计算结果表明:压开裂缝附近水平应力差异系数场呈椭圆形分布,距离压开裂缝越近,水平应力差异系数越小,越易形成复杂或转向裂缝;初始地应力条件对同步压裂井间裂缝形态影响显著,文中压裂条件下,初始水平应力差异系数0＜Kho≤0.033时形成转向裂缝,0.033＜Kho＜0.361时形成复杂裂缝,Kho≥0.361时只能形成单一主裂缝.     

水力裂缝与天然裂缝交错延伸规律

非常规与致密储层的缝网压裂或分段压裂改造技术使水力压裂裂缝与天然裂缝交错延伸的问题成为焦点。为了更好地控制水力裂缝的延伸方位,达到最优缝网状态,以位移不连续方法为基础,依据单元体的叠加原理,建立了二维裂缝延伸计算模型,对一条水力裂缝与一条天然裂缝在不同倾角、间距、应力等条件下的交错延伸规律进行了量化模拟。研究结果表明：裂缝间距、倾角能较大地影响裂缝延伸幅度,天然裂缝与压裂裂缝间距大于1 m、倾斜角小于70°时,压裂裂缝会诱使天然裂缝转弯延伸,直至相交;主应力比值对交错裂缝延伸幅度有一定程度的影响;储层泊松比与杨氏模量对交错裂缝延伸幅度却不明显。     

页岩储层超临界二氧化碳压裂裂缝形态研究

目前超临界CO₂压裂技术尚不成熟，裂缝形成与扩展机理尚不明确。为深入认识超临界CO₂压裂裂缝延伸规律及空间形态，基于位移间断边界元方法，通过引入Pen-Robinson方程来实现超临界CO₂压裂过程的模拟。结合室内物理模拟实验，初步探讨了页岩储层水力压裂与超临界CO₂压裂裂缝扩展形态的差异。研究结果表明，由于超临界CO₂的扩散性及良好的渗透能力，通过增加围岩孔隙压力，从而减少了地应力对裂缝扩展的约束，使裂缝起裂压力低于水力压裂。超临界CO₂压裂时产生的体积应变增量与压后裂缝破坏程度比水力压裂更高，使得在裂缝形态复杂程度高于水基压裂液。同时，超临界CO₂压裂裂缝断面复杂、不平整，裂缝表面粗糙度比水力压裂更大。     

复杂缝网页岩压裂水平井多区耦合产能分析

针对页岩储层水平井压裂开发中复杂缝网形态、纳微米孔隙—复杂缝网—井筒多尺度渗流规律认识不清等问题,开展了针对性的研究:(1)通过巴西劈裂实验,诱导压裂缝的产生;(2)通过X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;(3)结合压裂缝形态描述和气体在基质—复杂缝网—井筒中的渗流机理,在多尺度统一渗流模型的基础上,建立考虑扩散、滑移及解吸的水平井单段压裂改造产能方程;(4)考虑多级压裂区干扰及水平井筒压降,建立页岩储层多级压裂水平井产能预测模型。研究结果表明:(1)压裂缝形态为复杂网状缝;(2)测得压裂缝开度为4.25~453.00μm,平均为112.00μm;(3)不同缝网形态下页岩气表现出不同非线性渗流规律;(4)随着重改造区裂缝密度、重/弱改造裂缝分布范围的增大,产气量逐渐增加,压裂段间缝网渗流区域发生干扰,产气量增加幅度减小;(5)模拟水平井筒长1 500 m、重度改造区缝网半长100 m时,压裂10级产能效果最好。结论认为,需要合理地控制压裂程度、优化裂缝参数,才能为页岩气压裂优化设计等提供技术支撑。     

一种页岩体积压裂复杂裂缝的量化表征

基于典型页岩压裂复杂裂缝分布形态,在考虑裂缝复杂程度、裂缝分布和裂缝对产量贡献的基础上,建立了复杂裂缝表征方法,提出了裂缝潜能指数的概念,作为定量对比复杂裂缝优劣的参数之一。使用上述裂缝表征方法计算裂缝在距离改造点不同位置处的分布密度,以判断裂缝系统的增产有效性。根据4种典型裂缝分布形态的表征结果,相对于裂缝分布曲线先缓慢上升后急剧增加的内疏外密裂缝系统,分布曲线先急剧增加后缓慢上升的内密外疏的裂缝增产效果更好。开展了页岩水力压裂物理模拟实验,进行了裂缝形态表征对比。结果表明,与高水平地应力差条件相比,低水平地应力差下形成的裂缝网络的潜能指数和单位复杂程度对应的潜能都明显较大,说明低水平地应力差下的裂缝网络具有较大的提高产量潜力。研究结果显示,建立的裂缝表征方法综合体现了裂缝复杂程度、裂缝分布特征和裂缝对产量的贡献,可用于评价和描述页岩压裂复杂裂缝的增产有效性。     

塔河缝洞型碳酸盐岩油藏复杂缝酸压技术研究

缝洞体是塔河油田油气的主要储集空间,通过酸压工艺沟通缝洞体是实现这类油藏高效开发的主要手段。侧钻井放空、漏失现象揭示在井周不同方位均发育缝洞体。由于酸压人工裂缝延伸方向主要受控于最大水平主应力方向,造成非主应力方向上的缝洞体沟通困难。增加酸压裂缝复杂程度是提高井周不同方位缝洞体沟通的有效措施。通过建立复杂天然裂缝条件下人工裂缝延伸模型,评价了不同岩石参数对裂缝复杂程度的影响：摩擦系数 > 水平应力差 > 逼近角 > 岩石抗张强度 > 内聚力。研究形成了复杂缝酸压配套工艺技术并开展5井次现场应用,平均单井增油5 909.7 t。     

页岩气压裂数值模型分析

水力压裂和水平井开采是页岩气开发的主要技术,在我国尚处在工业试验阶段,存在很多技术瓶颈。在总结分析了页岩气压裂的特点基础上,探讨了网状裂缝形成的主控因素及裂缝扩展模型、产能预测模型的类型以及优缺点。结果认为,特殊的赋存生产机理、复杂的裂缝形态和多尺度的渗流模式是页岩气压裂的主要特点,其目的是形成网状裂缝,扩大储层改造体积;网状裂缝的形成主要受天然裂缝与人工裂缝的夹角、水平主应力差和岩石的脆性等因素的控制。页岩气压裂产能预测模型面临的主要问题是裂缝形态的模拟和气体流态的描述,主要有非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型等,这些模型和方法在一定程度上表征了页岩气压裂裂缝形态和渗流特点,但没有考虑不规则的裂缝形态等。     

页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律

为了研究页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律,构建了大尺度复杂裂缝支撑剂运移与展布评价实验系统,测试了次裂缝角度、注入排量、加砂浓度、支撑剂粒径、压裂液黏度等对支撑剂运移与展布的影响,研究了主/次裂缝中支撑剂的运移与展布规律。结果表明:(1)裂缝中流体流态随裂缝支撑高度增加逐步由层流向紊流转变;(2)支撑剂在裂缝中的运移方式主要包括悬浮运移和滑移运动;(3)分支前主裂缝的支撑剂展布形态与次裂缝角度、注入排量、加砂浓度和支撑剂粒径等参数相关,其中注入排量为最主要的影响因素;(4)分支后主裂缝的支撑剂质量比与次裂缝角度、注入排量、液体黏度、加砂浓度和支撑剂粒径呈正比,同次裂缝与主裂缝的流量比呈反比;(5)分支后次裂缝的支撑剂质量比与注入排量、次裂缝与主裂缝的流量比、压裂液黏度呈正比,与次裂缝角度、加砂浓度和支撑剂粒径呈反比;(6)分支后主裂缝的砂堤前缘角度同加砂浓度、支撑剂粒径、次裂缝与主裂缝的流量比呈正比,与次裂缝角度、注入排量和压裂液黏度呈反比;(7)次裂缝的砂堤前缘角度同次裂缝角度、加砂浓度与支撑剂粒径呈正比,和注入排量、压裂液黏度、次裂缝与主裂缝的流量比呈反比。结论认为,该研究成果可以为页岩储层体积压裂支撑剂的优选和压裂方案设计提供理论支撑。     

致密砂岩油藏体积压裂技术适应性评价及压裂参数优化北大核心CSCD

目的针对鄂尔多斯盆地南区延长组长6致密砂岩油藏前期常规改造未获得有效突破,单井产量提高不明显的问题,探索复杂缝网体积压裂技术对区块致密油藏的改造效果。方法基于储层地质特征及岩石力学参数,评价了长6储层脆性指数及体积压裂可行性。分析了近井压裂裂缝起裂压力、起裂方位,明确了逼近角和水平应力差两个因素对远井压裂裂缝遇到天然裂缝的延伸规律。模拟研究了压裂设计参数对压裂裂缝形态及改造体积的影响,并优化了压裂设计参数。结果优化后的压裂设计关键参数为压裂规模为1000 m^(3)、设计排量为8.0~10.0 m^(3)/min、滑溜水前置液比例为30%、加砂强度为13%~15%,在此条件下更易获得最优储层改造体积和较高的导流能力。结论提出了适用于研究区块长6致密砂岩油藏复杂缝网体积压裂适应性评价和体积压裂设计参数优化方法,为复杂缝网体积压裂技术的应用提供了理论依据和现场指导建议。