水平井分段压裂簇间应力作用分析北大核心CSCD

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力分析

为了提高水平井分段多簇压裂射孔簇的起裂效率,针对段内多条裂缝同步扩展的特点,考虑裂缝间的应力阻隔效应以及缝内有效净压力的变化,根据待压段的诱导应力建立了不同射孔簇破裂压力计算模型,并分析了各射孔簇破裂压力的变化规律。通过研究得出认识:水平井分段多簇压裂多条裂缝同步扩展时存在应力阻隔效应,待压段受到的诱导应力为之前各段最后一簇裂缝缝内有效净压力产生的诱导应力的叠加;距离上一段压裂位置最远的射孔簇破裂压力最低,段内多射孔簇间的破裂压力差异随着时间的延长而增大,多簇起裂的最好时机是在施工初期,可在短时间内迅速提高排量,利用射孔孔眼的节流效应提高井底压力,实现多簇裂缝的依次起裂;段内较小的应力变化会引起较大的破裂压力差异,诱导应力引起的各射孔簇破裂压力的变化在射孔参数设计和压裂参数优化时必须得到重视。     

水平井分段压裂簇间应力作用分析

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

致密油层多簇裂缝扩展缝内注入压力与缝间应力场耦合响应研究北大核心CSCD

针对致密油层体积压裂过程中缝内注入压力与缝间应力场耦合响应问题,建立了多簇裂缝扩展流-固耦合模型,采用裂缝扩展单元表征岩层破裂与渐进扩展,协同计算多个求解域、模拟多裂缝同步延伸,研究多簇裂缝扩展过程中缝内注入压力与缝间应力场的动态变化,定量评价射孔簇间距对流-固耦合响应的影响规律。研究结果表明:多簇裂缝扩展缝间应力场干扰导致裂缝延伸压力上升,而缝内高压流体诱导缝间应力场转向;减小射孔簇间距有利于增大缝间应力干扰,但导致多裂缝延伸压力差异显著;应优化射孔方案调控流-固耦合影响,促进多裂缝均衡扩展。本文研究成果可为水平井多簇裂缝均衡扩展调控提供理论依据。     

基于孔弹性效应的水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析

页岩等非常规油气储层水平井分段压裂改造用液规模大，返排效率低，其诱发的孔弹性效应不可忽视，然而孔弹性效应对缝间应力干扰、多裂缝竞争扩展的影响机理尚未明晰。为了揭示压裂液滤失诱发的孔弹性效应对地应力场及多裂缝扩展的影响规律，基于平面三维多裂缝模型，在考虑液体滤失诱发的孔弹性效应的基础上，建立了水平井压裂裂缝扩展数学模型，并开展了水平井多簇压裂裂缝扩展数值模拟研究，针对孔弹性诱导应力导致多裂缝扩展不均匀提出了解决的工艺手段。研究结果表明：(1)孔弹性应力与裂缝诱导应力具有相似的效果，其大小约为裂缝诱导应力的30%，影响范围约为裂缝诱导应力的40%；(2)孔弹性效应会增大缝内压力、强化缝间应力干扰、加剧裂缝不均衡扩展，与不考虑孔弹性效应的模拟案例相比，考虑孔弹性效应后裂缝宽度降低约8%，缝内压力升高约0.5 MPa，井底压力升高0.62 MPa，各簇瞬时进液差异系数升高6.5%、整体进液差异系数升高5%；(3)保持限流射孔摩阻为3～6 MPa可在一定程度上克服孔弹性效应对各簇均衡进液的负面影响。结论认为，孔弹性效应研究可为水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析提供重要的理论支撑和依据，该成果可...     

水平井“多段分簇”压裂簇间干扰的数值模拟

水平井"多段分簇"压裂是开发低渗透和非常规油气藏的关键技术,能够大幅度提升压裂改造的体积,达到提高油气产量和最终采收率的目的。为了研究水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝的干扰规律,基于多孔介质流—固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用零厚度黏结单元模拟压裂过程中压裂裂缝起裂、延伸造成的损伤,建立了低渗透油气藏水平井"多段分簇"压裂裂缝扩展的三维有限元模型。利用该模型研究了射孔簇数、射孔簇间距、储层参数、施工参数等对水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝干扰的影响。模拟计算结果表明:射孔簇数和射孔簇间距是影响水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝干扰的最大的影响因素。利用该模型对某水平井压裂的射孔簇间距进行了优化,使得该井的油气产量比邻井明显提高,证明了模型对于水平井"多段分簇"压裂优化的可行性和可靠性。     

页岩储层多簇限流射孔裂缝扩展规律

在多簇密集切割压裂情况下,多缝间诱导应力干扰现象严重,使得优化射孔簇参数促进多簇均衡改造变得尤为重要。采用耦合岩石变形和流体流动的多簇限流射孔裂缝扩展模型,结合裂缝形态定量评价指标,展开限流射孔参数对裂缝扩展影响规律研究。结果表明:段内六簇射孔压裂时,密集切割使得多簇间诱导应力场影响区更为复杂,高孔密、均匀布孔时多裂缝非均匀扩展严重,应力阴影效应对段内中部裂缝延伸抑制明显。小孔径等孔径射孔及低孔密限流射孔策略可有效促进段内多簇裂缝均衡扩展;且非均匀限流布孔时,保持段内总孔数不变,增加段内中间两簇布孔数,同时降低段内两端孔数的限流射孔策略可有效优化裂缝形态,提高多簇射孔簇效率。     

页岩储集层水平井段内多簇压裂技术应用现状及认识

水平井段内多簇压裂技术能增加页岩储集层压裂裂缝复杂程度,提高簇间动用率,是有效改造页岩储集层的核心技术。对北美页岩气区块和中国四川盆地南部页岩气区块水平井段内多簇压裂技术的应用现状进行分析,并结合技术原理提出了几点认识：段内多簇压裂应与井间距合理匹配,并配套采用暂堵转向技术和限流射孔技术,增大射孔簇簇效率,促进裂缝均匀扩展,提高段内多簇压裂改造效果;北美页岩气区块采用段内多簇压裂技术增产,实现了页岩储集层高效开采,川南页岩气区块水平井段内多簇压裂技术起步较晚,目前在300~400 m井间距下主要开展了段内为6~8簇压裂现场试验;为了降低压裂成本、提高作业时效,长段多簇压裂将是实现效益开发的一个重要发展方向;但随着段内簇数不断增加,射孔技术、暂堵转向技术、射孔簇数与施工参数合理匹配等方面面临新挑战,亟需进一步研究,从而形成适合不同地区地质工程特征的段内多簇压裂技术。     

页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法

页岩储层水平井密切割压裂过程中同一压裂段内各簇水力裂缝难以维持均衡扩展，这一问题严重制约了压裂改造效果。为此，建立了一套完全流固耦合的水平井密切割压裂多簇水力裂缝同步扩展数值模拟方法，采用水力裂缝体积标准差(δ_v)定量表征多簇水力裂缝均匀发育程度，提出了一套科学完善的页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法。研究结果表明：单段射孔簇数越多，缝间诱导应力干扰作用越强，各簇水力裂缝发育越不均匀；随着每簇射孔数减少，孔眼摩阻增大，δ_v降低，各簇水力裂缝发育越均匀，当δ_v≤0.01后，继续减少每簇射孔数，对水力裂缝均匀发育程度的改善效果有限，且过度减小射孔数量会导致施工压力过高；以δ_v≤0.01为优化目标，针对2口实例井分别开展了等密度与非等密度限流射孔参数优化设计，均取得了良好的增产效果。研究结果可为页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化设计提供理论依据和优化方法。     

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。     

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。     

裂缝干扰下水平井破裂点影响因素分析

为了解水平井分段压裂过程中先压开裂缝诱导应力干扰下后续裂缝破裂点位置的影响因素及其影响规律,指导水平井分段压裂射孔位置的选择,推导建立了非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,在此基础上形成了破裂点计算数学模型。结果表明包括裂缝条数、长度和净压力在内的先压开裂缝参数以及原始主应力状态、水平井方位角和完井方式等都会影响后续裂缝破裂压力大小,从而影响破裂点的位置,其中原始地应力、已压开裂缝条数和长度以及完井方式对破裂点位置存在较大影响,水平井方位角和已压开裂缝净压力对破裂点位置影响较小;对于原始水平主应力差较小的砂岩储层,裂缝间干扰严重会导致应力发生反转,增大后续起裂裂缝破裂压力,导致施工困难,因此应该尽量避免裂缝间干扰;对于页岩储层,目前采用的分段多簇射孔技术,段间距定为60 m左右破裂压力更低,更易于裂缝起裂。     

深层页岩油水平井密切割裂缝均衡扩展数值模拟

中国页岩油储层非均质性强、粘度高和可改造性差,水平井分段多簇射孔体积压裂难以形成复杂的裂缝网络,单缝“缝控储量”低,必须寻求新的工艺突破。通过增加单个压裂段内的射孔簇簇数,使多个射孔簇裂缝在射孔段内均衡扩展,对页岩储层进行密切割,实现页岩油储层的充分改造,是中国页岩油高效开发的关键。考虑数千米长压裂管柱与射孔孔眼的摩阻以及多裂缝之间流体的竞争分配,建立页岩油水平井密切割多裂缝动态扩展的渗流-应力-损伤模型,并通过现场压裂施工数据验证其正确性。根据胜利油田页岩油储层的地质工程特征,开展射孔簇簇数、射孔孔眼数量、压裂施工参数等对多裂缝流体流量分配、应力干扰及裂缝几何形态影响的数值模拟研究发现：单簇裂缝扩展时,裂缝诱导应力最优波及距离为10 m左右;簇间距为10 m时,三簇裂缝均衡扩展射孔密度为20 孔/m,施工排量为12 m³/min,压裂液粘度为30 mPa·s;4个射孔簇时,压裂液均匀分配和裂缝均衡扩展的簇间距为10 m。此项研究为胜利油田页岩油勘探开发的突破奠定了理论基础。     

非均匀应力场影响下的裂缝扩展模拟及投球暂堵优化

水平井投球暂堵是实现致密油气藏压裂段均匀改造的关键技术,但目前针对压裂施工中实施不同投球暂堵工艺措施后多簇裂缝扩展形态的研究成果却较少,致使现场投球暂堵工艺措施的制订缺少相关的理论支撑,影响了该工艺在压裂施工现场的应用效果。为此,基于边界元方法建立了水平井"井筒—孔眼—裂缝扩展"全耦合模型,提出了暂堵球分配的计算方法,进而模拟在初始非均匀应力场条件下进行段内暂堵转向时暂堵球的投球数量、投球时机、投球次数及其对多簇裂缝扩展的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,射孔孔眼摩阻的限流作用会平衡诱导应力干扰带来的进液量差异,使得各簇裂缝中流体流动受到的阻力差距缩小;(2)当考虑初始应力场非均匀分布的影响后,各簇裂缝进液量发生明显的变化,高应力区域甚至出现不进液的无效射孔簇,而实施投球后,无效射孔簇会产生新的裂缝;(3)当初始最小水平主应力差(?σ_h)超过3 MPa时,在施工中期适当增加投球数量(大于单段总射孔数的一半),或者在中前期进行投球暂堵(包括在中前期分批次投球),有利于降低各簇裂缝的非均匀扩展程度;(4)当初始?σ_h低于2MPa时,应减少投球数量或在施工中后期投球,否则会加剧各簇裂缝的非均匀扩展。     

复杂构造区深层页岩气藏射孔参数优化及应用——以涪陵页岩气田白马区块为例

为了实现四川盆地涪陵页岩气田白马复杂构造区深层页岩气储量的有效动用,针对该区地质构造复杂、储层非均质性强、储层埋藏较深、压裂改造难度较大的实际情况,基于平面三维“井筒—多裂缝扩展”全耦合计算模型,考虑不同小层物性与应力的差异,模拟了不同穿行层位、压裂簇数、射孔数量等因素对多簇裂缝扩展差异的影响。研究结果表明：①降低簇间距、增加单段压裂簇数的多簇密切割有利于提高改造段内的主裂缝密度、缩短气体运移距离;②段内簇数并不是越多越好,在相同注入排量及压裂规模条件下,随着压裂簇数的增多,各簇缝长、缝高呈现出降低的趋势,同时多裂缝的非均匀扩展现象加重;③水平井穿行层位及各小层物性特征、应力状态也会影响到水力裂缝的扩展形态,会增强不同小层改造的非均匀性,进而造成最优簇数的不同;④减少单簇射孔数的限流压裂,有利于提高压裂段内改造均匀性、降低各簇进液量差异减小系数,但是较低的射孔孔数则会提高射孔孔眼摩阻、大幅度提高地面施工压力。现场实践结果表明,依据水平井穿行层位优化压裂工艺参数,同时配合限流射孔,压后气井增产效果明显。结论认为,该研究成果为实现白马区块深层页岩气资源的有效动用提供了理论指导与实践检验。     

水平井体积改造多裂缝扩展形态算法——不同布缝模式的研究

为了探索不同布缝模式的水平井体积改造多裂缝扩展形态,基于位移不连续边界元法,建立了三维非平面裂缝应力干扰计算模型,并根据亚临界裂缝扩展模型和最大周向应力准则,提出了多裂缝扩展形态算法。根据该算法,编程求解了不同布缝模式的裂缝扩展形态,研究发现:(1)多簇压裂模式外侧裂缝为主扩展裂缝,内侧裂缝扩展变短且发生非平面扩展,有利于产生复杂裂缝,单簇压裂有利于单簇缝长的有效延伸;(2)应力干扰只作用于发生交叠的裂缝,并不作用于对称分布的未交叠裂缝;(3)在交错布缝模式下,后续压裂缝与邻近裂缝发生交叠时会向邻近裂缝靠近,偏转角度为5°~6°;交错布缝同步压裂时,井间裂缝以9°~10°的偏转角相互靠近,不利于远井的储层改造,而交错布缝拉链式压裂可提高裂缝延伸长度,增大远井改造体积;(4)多井间隔布缝模式增大了施工缝间距,可减小裂缝偏转幅度,而采用先压裂一段中间井,后在邻井围绕该段压裂的布缝顺序,能够增大裂缝复杂度,提高改造体积。     

页岩气水平井组拉链压裂过程中地应力的分布规律

页岩储层具有低孔隙度、超低渗透率的特征,往往需要通过水力压裂才能使气井具备一定的生产能力。拉链压裂是近年来针对页岩气藏缝网压裂的一项新兴工艺,为了认清压裂过程中裂缝应力干扰后地应力场的分布规律并给页岩压裂设计提供参考,首先假设地层为均质、各向同性弹性体,然后通过位移不连续法,建立起地层应力场分布数学模型,并利用线性叠加原理,得到人工裂缝周围水平应力场的分布情况。研究发现：①裂缝周围的地应力随着与裂缝距离的远近有不同程度的增加;②裂缝尖端处存在应力集中现象,且在裂缝尖端附近产生的拉应力使得水平应力有所减小;③裂缝对水平最小主应力的影响程度大于对最大主应力的影响;④随着裂缝条数的增加,诱导应力的叠加干扰对水平主应力的影响不断增强,且水平应力差异性逐渐减小;⑤在裂缝交错排列的区域内,应力干扰较强,应力场分布较复杂。上述研究成果对页岩气水平井组拉链压裂的优化设计具有指导意义。     

基于最优SRV的页岩水平井压裂簇间距优化设计

水平井分段分簇压裂时的簇间距大小对页岩气藏的压裂改造效果具有重要影响,过小的簇间距设计将导致分簇主裂缝之间的改造区重叠,降低压裂改造效率;而过大的簇间距设计则会在主裂缝之间产生未改造区,影响储层的动用程度。目前的簇间距优化设计主要基于静态模式下进行且以储层潜在改造区为目标,没有发展与实际压裂过程相吻合并以动态储层改造体积（SRV）为目标的簇间距设计方法。为此,考虑裂缝扩展、压裂液滤失和应力干扰相互耦合的作用机制,建立了分簇裂缝扩展下的动态SRV计算模型,以最优SRV为体积压裂设计的目标,对簇间距进行优化设计。在四川盆地涪陵地区焦石坝页岩气田开展了簇间距优化实例应用,验证了所建立方法的可靠性,分析了影响最优簇间距的关键地质工程参数,并针对该气田南、北不同区块不同地质特征,分别绘制了最优簇间距设计参考图版。结论认为,所建立的簇间距优化设计方法对改善目前分簇射孔的盲目性、指导页岩气藏体积压裂优化设计具有重要的作用和意义。