页岩气离散裂缝网络模型数值模拟方法研究

页岩气开发已经成为当今世界各国的焦点,然而关于页岩气的理论研究还处于起步阶段。目前关于页岩气数值模拟方法的应用大多局限于常规油气藏数值模拟所采用的连续介质模型,但页岩气藏天然裂缝发育,非均质性强,连续介质模型不能准确表征页岩气特有的渗流特征。基于离散裂缝网络模型(DFN),从渗流理论出发,建立页岩气离散裂缝网络渗流数学模型,表征页岩气在干酪根中的扩散效应,孔壁的吸附—解吸附效应,纳米孔隙中的滑脱效应、Knudsen扩散效应以及裂缝内的非达西渗流规律。利用有限差分法求解渗流方程并进行敏感性分析。最终得出：①页岩气不同生产阶段,产气机理不同|②滑脱效应和Knudsen扩散效应对页岩气产能影响较大,而吸附—解吸附效应和干酪根中的扩散效应对延长页岩气稳产期起到关键作用。通过和现有页岩气数值模拟软件CMG(2012版)计算结果对比,该模型在模拟裂缝性页岩气藏时更符合实际情况,为页岩气数值模拟的研究奠定了基础。     

天然裂缝性油藏的离散裂缝网络数值模拟方法

针对裂缝性油藏中大裂缝、微细裂缝和孔隙等多种储渗介质共存的现象,将大裂缝作为控制流体流动的一维实体,组成离散裂缝网络,进行显式表示,将孔隙和微细裂缝组成的系统作为基岩介质,建立了天然裂缝性油藏两维两相数值模拟模型。采用加权余量法,建立有限元方程并进行了求解。对油藏有无裂缝及大裂缝的方位、长度和分布对水驱油的影响进行了研究。结果表明：大裂缝的存在会严重改变水驱油藏中注入水前缘的前进方向和速度,大裂缝与注采井间连线夹角越小及长度越大,都会导致注入水窜进越严重,从而使得油井见水早,含水率高;多条大裂缝的存在会造成剩余油分布的极度非均质及剩余油富集区的形成。     

页岩气藏数值模拟研究现状

从页岩气藏气体赋存方式和流动机理、气藏建模方法及数值模拟理论研究和实际应用3个方面阐述了国内外页岩气藏数值模拟技术的研究进展,为该技术的深入研究提供参考。最后,对页岩气藏数值模拟研究进展进行总结,认为存在4个有待于改进和研究的问题：①完善储层模型以考虑有机质的影响;②需要阐明单相气体解吸附、扩散和渗流过程的运移规律和主控因素,并建立气、水两相流动数学模型和数值模型;③天然裂缝和压裂诱导裂缝的准确建模是页岩气藏数值模拟的关键,实际应用中应综合考虑其他监测技术的结果;④针对页岩气藏数值模拟,还需要形成相应的标准和规范,以便更好地指导该类气藏开发。     

裂缝性油藏离散裂缝网络随机生成及数值模拟

裂缝性油藏裂缝表征及数值模拟是当前油田开发领域研究的难点和热点.为了克服连续性介质模型在裂缝描述和计算效率上的缺点,采用随机生成的离散裂缝网络进行裂缝性油藏数值模拟.首先应用地质统计学方法随机生成与实际裂缝在统计意义上等效的裂缝网络,并对其简化物理模型进行几何离散;然后通过计算不同维数控制体单元之间的传导系数,建立基于控制体积有限差分方法的油-水两相流动的数值计算格式;最后通过算例验证了该方法理论与算法的正确性.该方法对裂缝进行显式地降维处理,提高了网格生成效率,缩短了计算时间.     

基于产气剖面的页岩气离散裂缝网络反演方法

页岩气井压后裂缝描述对页岩气井生产动态预测、生产后期重复压裂设计以及加密井井眼轨迹设计等具有重要意义。以涪陵页岩气田开发和地质参数为基础,基于高效离散裂缝网络（EDFN）数值模拟方法,研究裂缝长度、压裂段裂缝累计总长、裂缝间距、裂缝相对位置等对压裂段贡献率的影响,通过水平井生产动态解释得到的裂缝特征参数反演离散裂缝网络。以JY46-3HF开发井产气剖面、产气贡献率和裂缝特征参数的相关性为基础,建立压裂裂缝网络模型,各压裂段产气贡献率模拟结果和实测结果高度吻合。研究结果表明,压裂段产气贡献率和压裂段裂缝累计总长正相关,裂缝间距、裂缝相对位置则通过影响裂缝对基质区域控制的大小影响压裂段对页岩气井的贡献率。     

层理性页岩气储层复杂网络裂缝数值模拟研究

在考虑天然裂缝的条件下,为了更好地对层理性页岩气储层的复杂网络裂缝进行数值模拟,采用模拟非连续介质的通用离散元程序（UDEC）,基于渗流-应力耦合数值算法,建立了人工水力裂缝与天然裂缝相互作用的网络裂缝数值计算模型,并利用该模型分析了水力裂缝长度、天然裂缝倾角、内摩擦角及施工净压力对缝网扩展的影响。结果表明:水力裂缝从近井筒处裂缝尖端起裂扩展,并沿着天然裂缝的走向发生剪切破坏,且随水力裂缝长度增长,天然裂缝网络连通面积增大;天然裂缝倾角较大,形成复杂缝或网络缝的概率也相对较大;天然裂缝内摩擦角越小,天然裂缝连通面积越大,越易形成复杂网络裂缝;水平地应力差在一定范围内,净压力系数越大,裂缝的扩展形态越复杂,相邻裂缝的尖端越易连通形成网络裂缝。数值模拟研究结果可为进一步认识远井地带页岩气压裂裂缝扩展机理提供指导。      

复杂裂缝网络页岩气藏自适应网格剖分方法

网格是油气藏数值模拟的基础,传统网格剖分方法制约着复杂裂缝网络页岩气藏数值模拟技术的发展,研究裂缝性介质高效网格剖分方法具有重要意义。笔者以裂缝节点为基础,基于图像像素点原理、距离最近原则和对数加密方法,提出了一种网格数量少、计算精度高、可以处理任意复杂裂缝网络分布的自适应网格剖分方法(AMM)。研究结果表明,AMM中裂缝网格控制面积比NFFLOW中的控制面积更接近实际情况;AMM可以处理任意复杂裂缝网络和复杂边界条件模型;相比已有网格剖分方法,AMM可大幅度降低计算网格数量。在用于页岩气藏数值模拟时,AMM可以同时解决由复杂裂缝引起计算网格多、精度低等问题,为实现矿场尺度页岩气藏数值模拟奠定基础。     

基于离散裂缝的致密油藏重复压裂数值模拟研究

致密油藏储层物性差,大多采用压裂方式开发,当产量下降时需要重复压裂进行增产。建立了基质与人工裂缝相互耦合的致密油藏重复压裂渗流模型,采用离散裂缝模型对压裂形成的人工裂缝进行分析,用三种网格划分体系剖分基质系统、初次压裂裂缝、重复压裂裂缝系统。研究结果表明:裂缝长度和导流能力对重复压裂后的产能影响较大,在生产实际中应采用与储层性质匹配的裂缝长度和导流能力;启动压力梯度对于致密油藏的产能影响明显,在生产设计时需要重点考虑。     

考虑启动压力梯度的页岩气藏数值模拟

页岩气作为一种重要的非常规能源,其渗流及开发原理越来越受到关注。在页岩气井开采过程中,为了全面认识井底压力的响应特征及影响因素,根据页岩气渗流机理、吸附气解吸特征、渗流理论和质量守恒定理,建立双孔介质页岩气藏数学模型。模型以启动压力梯度和等温吸附的原理为前提,应用有限差分法,得到数值模型,编制相应程序对数值模型求解,分析了启动压力梯度、几何因子、储容比、Langmuir压力、Langmuir体积对气井井底压力变化的影响。结果表明:双重介质模型能够准确描述吸附气在储层中的解吸过程、基质系统和裂缝系统之间的窜流过程;考虑启动压力梯度更加接近实际地层;考虑吸附解吸作用使井底压力缓慢降低,探测地层边界较晚;利用地层参数分析及室内实验可以间接求出页岩气藏解吸附过程中Langmuir压力和Langmuir体积,这对气井井底压力分析和产能预测非常重要。     

页岩气藏渗流特征及数值模拟研究进展

通过对页岩气藏解吸—扩散理论、非达西渗流、开采过程中孔、渗演化特征进行总结的基础上,分析了页岩气藏的扩散和渗流规律;同时对页岩气藏试井解释技术、数值模拟模型建立、页岩气藏和压裂水平井耦合方法等数值模拟技术进行了综述,总结了页岩气藏模拟的关键技术。针对目前页岩气藏在开发过程中存在的问题和挑战,提出自己的见解,并对未来的发展趋势进行了展望。     

页岩气藏水平井开采动态数值模拟研究

页岩气藏具有特低孔低渗、吸附气含量高、无自然产能等特点,只有利用水平井技术及大型压裂增产措施,才能获得商业气。为了更为准确地对页岩气藏水平井开采动态进行模拟研究,综合考虑页岩气解吸、扩散、基质内运移和气体滑脱效应等特征,运用数值模拟软件Eclipse建立相应的单井数值模型,并对产能影响因素进行敏感性分析。研究表明,气体滑脱效应在开发中后期有利于水平井产气量的提高,在生产开发过程中,应尽量考虑气体滑脱效应对产气量的影响;天然裂缝渗透率、分段压裂裂缝导流能力、裂缝间距和裂缝半长的变化对水平井产气量影响很大,敏感性很高;水平井分段压裂参数是影响页岩气井产量的重要参数,应对相应压裂参数进行合理优化。     

页岩气藏水平井水力压裂裂缝敏感参数数值分析

在计算页岩气井水平井分段压裂诱导应力和分析缝间干扰机理时,如果将页岩近似为各向同性体,将严重偏离工程实际。文中考虑了页岩弹性各向异性和孔隙渗流应力耦合效应,建立了水平井分段压裂三维有限元数值模型,针对水平井分段压裂方式、页岩力学特性对射孔簇间距的影响规律进行了敏感性研究分析。结果表明,裂缝形成的先后顺序影响裂缝周围诱导应力场,选择压裂方式与顺序压裂方式相比,形成的缝间诱导应力较小,最优缝间距也较小;页岩储层较高的弹性模量会引起较强的缝间干扰,导致缝宽和缝长均减小,页岩弹性模量各向异性越强,最优缝间距越大。所建有限元数值模型克服了仅适用于常规各向同性体诱导应力解析模型的限制,提供了相应的理论参考和技术支持。     

页岩气藏水平井分段压裂渗流特征数值模拟

页岩气藏具有独特的存储和低渗透特征,其开采技术也有别于常规气藏的开采技术,水平井完井技术和分段压裂技术是成功开发页岩气藏的两大关键技术。水平井完井和分段压裂后形成的复杂裂缝网络体系以及吸附气的解吸作用等因素,都给页岩气井的渗流机理研究带来极大挑战。研究表明,利用数值模拟软件来模拟页岩气井的裂缝网络系统,不仅能模拟页岩气的渗流机理,也能为编制页岩气藏开发方案提供可靠的理论依据。因此以Eclipse2010.1数值模拟软件为研究平台,建立了３种考虑吸附气解吸的页岩气分段压裂水平井数值模型,能够模拟页岩气藏水平井的生产动态,对体积压裂后形成的裂缝参数进行优化模拟。结论认为：只有通过增加水平井的数量和储层改造体积（SRV）、选取异常高压区钻井和压裂出具有充分导流能力的裂缝,才能有效提高页岩气藏的采收率,实现页岩气藏的有效开发。     

基于嵌入式离散裂缝模型优化的海陆过渡相页岩气压裂水平井数值模拟

近年来,鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县区块海陆过渡相页岩气勘探开发取得了突破性进展,进一步展示了该领域良好的开发前景,但对该区页岩气水平井产能评价理论的认识还不够深入,从而制约了后续开发井生产方案的优化制订。为了模拟鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相页岩气压裂水平井生产动态,基于嵌入式离散裂缝模型理论,考虑了储层不同类型孔隙中流体流动差异,采用有限体积法建立了地质参数建模与压裂缝网表征相结合的数值模拟技术,并结合压裂改造后裂缝网络的展布特点,对现场实例井进行了生产动态分析。研究结果表明：(1)海陆过渡相页岩气藏压裂水平井整体产量偏低,压裂施工规模和单井产能之间相关性较弱,压裂裂缝的合理表征是生产动态预测的关键;(2)页岩储层渗透率极低,压力传播范围有限,未与井筒或水力裂缝沟通的天然裂缝在生产过程中贡献率较低;(3)天然裂缝为气体在低渗透致密储层提供了渗流通道,提升了水力裂缝网络的复杂度,应优选裂缝发育区对气井进行压裂改造。结论认为,优选压裂改造甜点位置和提高压裂井缝网改造程度是海陆过渡相页岩气藏压裂水平井产量提升的关键,该认识为我国海陆过渡相页岩气高效开发提供了理论支撑。     

页岩气藏两相流固耦合无网格数值模拟

针对页岩气藏受两相复杂流动与流固耦合作用影响导致产能预测难度大的问题,将渗流场分为主改造区、次改造区和未改造区,结合多流态统一输运模型及等效连续非均匀介质物理模型,建立多尺度气-水两相流动流固耦合数学模型,并利用无网格广义有限差分法对数学模型进行编程求解。研究结果表明：无网格广义有限差分法能适应不同计算域情况,避免传统差分网格与非结构网格耦合所导致的运算不稳定;压降前缘在未改造区的传播仅为20 m左右,固体位移主要发生在次改造区与未改造区的交界区域;忽略应力场的影响,气井投产初期产气量被显著高估,到生产后期这种影响逐渐下降;低初始含水饱和度的页岩气藏更有益于开发,储层优选时应重点考虑含水饱和度。研究成果对流固耦合数值模拟及非常规油气藏产能预测具有指导意义。     

页岩气藏体积压裂水平井产能有限元数值模拟

考虑到压裂过程中的多重复合作用,将压后页岩储层分为支撑主裂缝、缝网波及区与未压裂区。考虑基岩纳米孔隙中气体吸附与解吸、Knudsen扩散、滑脱流、黏性流,以及水压诱导裂缝应力敏感效应,建立了页岩气藏体积压裂生产动态模拟的物理模型和渗流数学模型。结合Galerkin有限元方法,对基质和裂缝渗流方程进行空间上的离散,推导了三角形单元有限元数值模型,给出了压裂水平井二维渗流场内、外边界条件和水力裂缝处理方法,对时间域采用向后差分,最后顺序求解裂缝和基质压力方程,模拟了页岩气藏体积压裂水平井生产动态和压力场分布。该研究为页岩气储层体积压裂产能评价提供了理论模型,对于有限元法模拟双重介质渗流场和产能预测具有现实意义。     

页岩气藏压裂缝网模拟及沟通效果评价

通过缝网模拟及压裂沟通效果评价模型的建立,为页岩气藏压裂水平井裂缝系统描述提供了简洁优化分析方法。在综合模型中,对单井控制区域内的不同类型天然裂缝组进行模拟,构建了天然裂缝模拟模型;与分段压裂参数相结合,提出了裂缝网络与天然裂缝相交后延伸走向计算方法,建立了人工缝网模拟模型;在原有压裂评价参数的基础上,增设了６ 个缝网沟通效果评价指标,用以更深入研究压裂过程中的参数影响程度。在实例分析中,进行了模型缝网模拟与微地震监测、模型压裂效果与数模产能评价２ 个方面的对比,结果具有较高的一致性,验证了模型的适用性。     

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。     

离散裂缝网络随机建模方法

离散裂缝网络模型可以表征裂缝性油藏任意尺度上的非均质性。在前人工作的基础上。对离散裂缝网络随机建模方法做了进一步的研究：考虑了局部断层（或大裂缝）等不连续面对裂缝分布的影响,采用空间变概率的方法确定裂缝位置;采用循环统计方法分析裂缝产状数据。针对裂缝不同属性的特征,分别采用了Fisher分布模型和分形的方法对裂缝的产状和大小进行模拟。计算实例显示,空间变概率方法确定裂缝位置能较好地表征局部断层（大裂缝）对裂缝分布的影响;循环统计方法能有效地避免建模过程中线性统计造成的误差。     

考虑岩石变形的页岩气藏双重介质数值模拟

为了准确预测页岩气产能,指导实际生产,通过考虑岩石变形所造成的渗透率变化以及页岩气黏性流、表面扩散、Knudsen扩散等渗流机理,将地质力学效应与流体流动进行耦合,建立综合考虑应力敏感和页岩气多种渗流机理的数学模型,采用离散裂缝模型对地层微裂缝和水力裂缝进行描述,利用有限元方法进行求解。结果表明,在表面扩散与Knudsen扩散的作用下,页岩基质渗透率增加,使页岩气累积产气量增加,而应力敏感效应使得基质渗透率降低,从而导致累积产气量降低。表面扩散系数和Langmuir体积越大或井底压力越低,页岩气累积产气量越高。对于Langmuir体积越高的页岩气藏,通过降低井底压力进行开采,更有开发潜力。新建模型的模拟结果与实际历史生产数据拟合效果较好,验证了所建模型的准确性。