页岩储层的改进拉链式压裂裂缝间距优化

针对改进拉链式压裂优化设计的要求,在假设岩石为均质、各向同性材料的基础上,建立诱导应力计算模型,得出近井地带最大诱导应力差计算公式及最佳裂缝间距表达式,确定了中间裂缝最佳起裂位置,并建立多裂缝缝间诱导应力差计算模型。研究表明:随着泊松比的增加,诱导应力差最大值减小,缝间最佳间距增大;随着缝内压力的增加,诱导应力差最大值增大,缝间最佳间距不变;裂缝高度增加,诱导应力差最大值不变,缝间最佳间距增加;当裂缝间距增加时,近井地带诱导应力差先增大后减小,井间裂缝交汇处的诱导应力差逐渐减小,诱导应力差值分布趋于均匀化。进行压裂设计时,在满足裂缝转向条件的前提下,可根据实际情况适当扩大缝间距离,增加远场裂缝网络的复杂性,提高改造体积。     

致密砂岩水平井多段压裂裂缝扩展规律

基于真三轴水力压裂模拟系统,开展已压裂缝内流体压力、段间距、射孔参数、水平应力差和水平井段固井质量对致密砂岩储集层多裂缝扩展形态影响的实验。通过岩样剖分和压力曲线特征的类比分析得到以下认识:已压缝处于临界闭合状态时,高水平应力差和小段间距将导致多裂缝合并,而已压缝内高净压力和缝宽不对称分布可能抑制后续裂缝扩展;较大段间距使得后续裂缝处于诱导应力递减区域,降低应力干扰程度;采用大密度深穿透射孔,有利于降低裂缝起裂压力;缝内净压力一定时,低水平应力差将增大水平应力反转程度,增大后续裂缝偏转角度;水平段固井质量较差时,裂缝在井筒与地层结合处起裂,形成纵向缝;各段裂缝起裂压力呈上升趋势,压力增长幅度可达30%;形成横切缝时,起裂后压力迅速下降,延伸压力低;裂缝发生偏转时,起裂后压力波动下降,延伸压力较高,为迂曲窄缝;形成纵向缝时,压力剧烈波动上升,呈现多峰值特征,起裂阶段和延伸阶段区别不明显。     

致密砂岩油藏体积压裂簇间距优化新方法

为了增大致密砂岩油藏体积压裂改造体积,需要对水平井分段压裂射孔簇间距这一关键参数进行优化。一般基于诱导应力分析进而优化簇间距的方法,存在无法与实际泵注程序有效结合的问题,也就不能有针对性的优化簇间距。基于有限元方法,借助ABAQUS软件,建立转向裂缝起裂扩展模型,以天然裂缝开启准则和临界转向簇间距为优化标准,结合实际泵注程序,综合考虑诱导应力和缝内净压力的耦合效应,形成了簇间距优化方法。研究认为,在诱导应力的作用下,存在一个可使主应力发生反转的临界转向簇间距,且随着施工排量的增加,该临界转向簇间距也越大;当簇间距取该临界值时,储集层水平主应力较为接近,主裂缝沟通天然裂缝起裂转向,最易形成复杂裂缝,这可作为优化簇间距的一个标准。现场应用表明,在依据该方法优化的簇间距下,主裂缝可沟通天然裂缝起裂转向,增大改造体积,改善致密砂岩油藏体积压裂效果。     

应力阴影效应对页岩气水力裂缝宽度影响分析

应力阴影效应既能使裂缝转向形成复杂缝网,又能使压裂裂缝净压力升高、裂缝宽度变窄不利于裂 缝延伸发展。为此,基于应力阴影效应应力场叠加模型,结合压裂裂缝宽度分布模型,分析应力阴影效应对裂缝宽 度的影响。实例分析表明,压裂裂缝宽度随初始裂缝高度增大呈先快后慢形势减小,随裂缝间距增加呈先快后慢 的趋势增大,随裂缝数量增加压裂裂缝宽度减小较快;裂缝间距从５０ｍ增加到１００ｍ压裂裂缝宽度增大了 １３.３９％,大于１００ｍ后变化很小;５００ｍ内裂缝数量增加到５条时泵车组提供的压力无法压开裂缝。因此,对该井 进行分段压力优化设计时,分段间距应控制在１００ｍ左右,这样既能利用应力阴影效应形成复杂缝网,又能保证压 裂裂缝具有一定的宽度,还能减小施工出现事故的风险。     

煤层水力压裂网状裂缝形成条件分析

为确定煤层水力压裂形成网状裂缝力学条件,应用弹性力学理论,将煤岩体的面割理和端割理简化为贯通和断续裂缝,基于裂缝张性断裂和剪切破坏准则,建立了缝内临界净压力计算模型。应用模型计算表明：缝内临界净压力随贯通裂缝倾角增加呈周期性变化,倾角从0～90^。为1个变化周期,当倾角为0、90^。时,缝内临界净压力值最大为水平最大主应力与最小主应力差值;裂缝壁面内摩擦系数对缝内临界净压力最大值基本无影响,而缝内临界净压力最小值随裂缝壁面内摩擦系数的增加而增大。     

暂堵转向压裂机理有限元分析

暂堵转向压裂技术是低渗透油气田开发后期增产挖潜的新手段、新方向。文中采用有限元分析方法研究暂堵转向压裂机理,确定转向裂缝起裂位置,分析起裂压力影响因素。研究结果表明:纤维暂堵转向压裂起裂点不唯一,当最小水平应力较大时,裂缝更倾向于从井筒起裂,反之,裂缝更倾向于从初始裂缝中部起裂;破裂压力存在一个区间,当岩石破裂压力在这个区间时,转向裂缝从初始裂缝中部起裂,当岩石破裂压力高于或者低于这个区间时,转向裂缝从井筒起裂;井筒起裂点的起裂压力随着最小水平应力的增大而减小,初始裂缝中部起裂点的起裂压力随着最小水平应力的增大而增大,2个位置的起裂压力均和地层弹性模量无关。该研究对认识暂堵转向压裂机理以及提高缝网改造效率具有重要的理论价值和现实意义。     

射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究

综合考虑井筒内压、原始地应力分布、先压水力裂缝的诱导应力等因素,根据叠加原理及弹性力学理论,建立了射孔水平井分段压裂起裂压力计算模型,分析了初始及后续裂缝的起裂规律。研究结果表明,初始裂缝产生的诱导应力分布受裂缝间距影响。当初始裂缝缝长一定时,沿井筒方向诱导应力逐步降低,直至地应力场趋于原始地应力场;射孔水平井裂缝起裂受射孔方位角的影响,最佳射孔方位由井筒周围地应力分布决定;先压裂缝产生的诱导应力场会导致后续裂缝的起裂压力增大,这种影响会随着裂缝半缝长的增大而增强;半缝长一定时,起裂压力的增加幅度随着裂缝间距的增加递减。      

页岩气藏暂堵转向压裂裂缝扩展规律模拟

暂堵转向压裂技术是提高非常规油气产能的重要方法之一,在非常规油气藏储层改造中已经得到了广泛应用。为进一步认识威远地区页岩气藏暂堵转向压裂裂缝扩展特征,文中通过真三轴大物模实验研究了暂堵转向压裂压力响应与岩样破裂形态,验证了暂堵产生复杂缝网结构的可行性,明确了在不同应力差条件下的暂堵后裂缝起裂规律;同时采用ABAQUS软件黏结单元模拟裂缝的起裂与扩展,研究了不同水平应力差、不同偏转角下暂堵转向压裂裂缝扩展规律。研究结果表明：水平应力差对初次裂缝与暂堵转向裂缝的开启与扩展均具有显著的影响,水平应力差越小时,一次和二次压裂时岩样的破裂压力就越大,岩样越不容易被压碎。裂缝扩展阻力的不断增加,提升了缝内净压力与裂缝宽度;相交缝二次扩展后开启的新裂缝与一次压裂夹角越小,新裂缝扩展效果越好。该研究对威远地区现场压裂和缝网形态预测具有一定的理论指导和借鉴意义。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

基于分形方法的水力压裂分支裂缝分布模拟

对水力压裂裂缝分布位置的准确描述是进行压裂设计及压裂效果评价的重要前提,而在人工裂缝分支的描述方面,尚未开展有关裂缝位置和形态等描述研究。运用分形L-系统建立树枝模型,建立岩石天然薄弱面分布规律的平面模拟描述方法。应用分形相似原理,将天然薄弱面分级,得出各级天然薄弱面剪切、张开判别条件和天然薄弱面起裂后裂缝内压裂液压降梯度。依据天然薄弱面分布模型及裂缝剪切、张性断裂准则,提出水力压裂分支裂缝分布模拟计算方法。计算结果表明,水力压裂分支裂缝数量与井壁处缝内净压力、储层最大与最小主应力差值密切相关。主裂缝附近存在较多分支裂缝,分支裂缝数量随井壁处缝内净压力增加而增多;储层最大与最小主应力差值越小,细小分支裂缝开启数量越多,裂缝沟通面积越大。运用该计算方法能够模拟具有分形特征的裂缝平面形态和开启状况,并为复杂裂缝形成机理分析提供依据。     

Stress redistribution in multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells in shales

Multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells is the main stimulation method in recovering gas from tight shale gas reservoirs, and stage spacing determination is one of the key issues in fracturing design. The initiation and propagation of hydraulic fractures will cause stress redistribution and may activate natural fractures in the reservoir. Due to the limitation of the analytical method in calculation of induced stresses, we propose a numerical method, which incorporates the interaction of hydraulic fractures and the wellbore, and analyzes the stress distribution in the reservoir under different stage spacing. Simulation results indicate the following: (1) The induced stress was overestimated from the analytical method because it did not take into account the interaction between hydraulic fractures and the horizontal wellbore. (2) The hydraulic fracture had a considerable effect on the redistribution of stresses in the direction of the horizontal wellbore in the reservoir. The stress in the direction perpendicular to the horizontal wellbore after hydraulic fracturing had a minor change compared with the original in situ stress. (3) Stress interferences among fractures were greatly connected with the stage spacing and the distance from the wellbore. When the fracture length was 200 m, and the stage spacing was 50 m, the stress redistribution due to stage fracturing may divert the original stress pattern, which might activate natural fractures so as to generate a complex fracture network.     

页岩压裂裂缝网络预测方法及应用

页岩储层天然裂缝发育,加上水力压裂所形成的复杂裂缝网络,可以为油气流动提供有效通道,然而复杂裂缝网络扩展对压裂裂缝识别与优化设计也提出了新的技术挑战。为此,综合考虑天然裂缝与水力裂缝相互作用、缝间“应力阴影”等影响,应用流体力学与断裂力学理论,建立了裂缝网络扩展模型（FNPM）,实现了不同力学参数、不同天然裂缝等条件下裂缝扩展方位、几何尺寸、支撑裂缝面积等多指标预测。理论模拟和现场实例应用结果表明：①改造裂缝网络扩展受控因素多,地应力差、簇间距及净压力等参数决定了“应力阴影”效应的强弱,天然裂缝与水力裂缝之间的相互作用机理决定了改造裂缝网络的复杂程度;②地应力差相同时,簇间距越小,“应力阴影”效应越强,水力裂缝扩展偏离主应力方向,裂缝宽度减小,不利于加砂;③天然裂缝内摩擦系数、天然裂缝与水力裂缝夹角越小,净压力越高,天然裂缝越容易开启或剪切,增加了改造裂缝的复杂性;④裂缝扩展方向、裂缝长度二者预测具有较好的一致性,但受天然裂缝发育差异的影响,局部压裂段有一定的差异性。所提出的裂缝预测方法为页岩改造裂缝识别与后期压裂设计提供了技术支撑。     

深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用

为提高深部煤层的煤层气产能,针对其地质特征提出了在深煤层实施多口直井同步水力波及压裂的技术思路。首先基于边界元位移不连续法建立了多裂缝诱导应力数学模型,模拟深煤层诱导应力场分布,分析水力波及压裂复杂缝网形成的可能性,然后采用离散元方法研究应力干扰的裂缝网络延伸情况及其影响因素,最后通过三轴压裂实验和现场应用效果验证了其可行性。结果表明:(1)水力波及压裂技术能增大应力干扰面积和应力干扰强度,促使水平主应力差的减小甚至诱导局部区域的地应力方向发生改变,有利于沟通煤岩中发育的面、端割理,从而形成大规模高效复杂的裂缝网络;(2)水力波及压裂有利于复杂缝网形成的条件包括较小的初始水平主应力差、低泊松比、较小井距、低压裂液黏度、高缝内净压力等;(3)真三轴物理模拟实验结果显示,水力波及压裂技术能够充分沟通煤岩天然裂隙,形成由人工裂缝、面割理和端割理组成的复杂裂缝网络。进而提出了一套深煤层多井同步水力波及压裂工艺优化设计方法,在沁水盆地南部柿庄北地区深煤层选取了5口直井进行先导性试验,裂缝监测及排采数据表明,水力波及压裂井产生的波及体积较大,裂缝网络复杂;较之于常规压裂井,水力波及压裂井不仅见气更早,产量、套压较高且稳定,而且所形成的区域压力降波及邻井,可大幅增加实施井及邻井产量。     

燃爆诱导水力压裂多裂缝耦合起裂规律

为了明确多相位裂缝组合下的应力干扰作用及其对后续水力压裂裂缝起裂压力的影响,基于原有预存单条诱导裂缝的应力场计算模型建立预存多条诱导裂缝的耦合应力场计算模型,分析诱导应力影响下的井周周向应力场变化规律,再结合断裂力学判据计算后续水力压裂预存裂缝的起裂压力,并对预存裂缝长度、相位、水平主应力差异系数及预存裂缝条数等4个因素对预存裂缝起裂压力的影响进行了分析。研究结果表明:(1)预存裂缝后近裂缝区域周向应力差明显增大,甚至出现水平主应力反转;(2)随新增预存裂缝长度增加,原预存裂缝起裂压力先增后降,在新增预存裂缝长度增加到原预存裂缝长度时,原预存裂缝起裂压力迅速降低,而后下降趋势变平缓;(3)高相位裂缝的起裂压力大于低相位裂缝的起裂压力;(4)随着裂缝条数的增加,新增预存裂缝起裂压力逐渐降低,但起裂压力差减小的趋势不明显;(5)多相位裂缝的应力干扰作用影响裂缝的起裂压力,较长高相位裂缝和较短低相位裂缝均有利于多相位裂缝的同时起裂;(6)多裂缝同步延伸会产生更为复杂的应力干扰作用,激发水力压裂复杂缝网的演化,实现均衡的压裂改造。结论认为,该研究成果可为燃爆诱导压裂射孔相位、诱导裂缝规模及后续水力压裂施工泵压等压裂施工设计提供理论指导。     

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。     

用于提高低-特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术

在对低孔隙度、低渗透 特低渗透砂岩油气藏压裂中,由于储层基质向裂缝的供油气能力较差,仅靠单一的压裂主缝（不管缝有多长、导流能力有多高）很难取得预期的增产效果。因此,提出了适合低孔隙度、低渗透、不含天然裂缝储层的“缝网压裂”技术。其核心思想是利用储层两个水平主应力差值与裂缝延伸净压力的关系,实现远井地带（而不仅仅局限于近井筒区域）的“缝网”效果,增加储层基质向人工裂缝供油气能力,提高压裂增产改造效果。论述了“缝网压裂”技术的适用条件、工艺设计思路及应用方法。在此基础上,对“缝网压裂”的实现途径进行了探索,包括水平井及应用“层内液体爆炸”技术等。缝网压裂技术对理论和现场施工有重要的参考价值。     

低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化新方法

水平井分段多簇压裂中簇间距的大小是决定水平井分段多簇压裂成败的关键因素。为提高低渗透油气藏储层压裂改造效果,需建立合理的簇间距优化模型,而现有的优化方法多以应力反转半径作为最佳间距,并未定量化表征压裂后的储层改造效果。为此,基于弹性力学基础理论和位移不连续法建立了考虑水力裂缝干扰模式下的复杂地应力场计算模型,研究了天然裂缝在复杂地应力场条件下发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的规律,再以获得最大缝网波及区域面积为优化目标,形成一种新的簇间距优化方法。研究结果表明:(1)张开的水力裂缝会在其周围产生诱导应力,压裂液的滤失则会导致地层孔隙压力变化,相应的地层孔隙弹性应力也会发生变化;(2)天然裂缝剪切破裂区域与张开破裂区域重叠,且前者要远大于后者,可采用天然裂缝剪切破裂区域面积来表征复杂裂缝网络波及区域的大小。采用该方法指导了现场水平井的簇间距优化设计,实验井压裂后取得了理想的增产效果,为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂的簇间距优化设计提供了借鉴和指导。     

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。     

弹塑性储层水力压裂裂缝扩展研究

随着水力压裂技术在非常规油气资源开发中的大量应用,越来越多的学者发现传统的线弹性断裂力学不能对弹塑性储层中水力裂缝扩展进行准确预测。鉴于此,基于Mohr-Coulomb塑性理论,在考虑储层岩石塑性变形、压裂液流动与水力裂缝扩展非线性耦合的基础上,通过插入Cohesive单元的方法,建立三维多孔介质弹塑性土体模型,以此来研究弹塑性地层不同工况下水力压裂裂缝扩展规律。研究结果表明：水力裂缝在扩展过程中会在尖端产生明显的塑性应变,阻碍裂缝扩展;地层的抗拉强度越大,裂缝尖端的塑性应变越大,岩石的破裂压力越高,裂缝呈现出“短宽缝”的形态;增大压裂液的排量,会明显改变水力裂缝的形态,容易形成“长宽缝”,与此同时会使裂缝的扩展压力显著升高,给压裂作业带来困难。研究成果可为该地区现场压裂施工提供参考。