致密储层缝内暂堵转向压裂裂缝扩展规律数值模拟

基于损伤力学理论,建立了储层渗流-应力-损伤耦合裂缝扩展数值模型,将模型结果与室内真三轴水力压裂物理模拟实验结果进行了对比,验证了模型的准确性,并基于该模型探讨了压裂液黏度、排量、水平地应力差以及储层岩石非均质性对缝内暂堵转向压裂效果的影响。研究结果表明:(1)储层渗流-应力-损伤耦合裂缝扩展数值模型是联合流体流动控制方程与岩石变形方程形成整体控制方程,通过在初始裂缝扩展路径上某一区域人为设置高强度的岩石物理力学参数和较小的储层渗透率值,实现缝内暂堵的模拟。(2)缝内暂堵转向压裂裂缝扩展模型数值模拟的分支缝数量、主裂缝面积、主裂缝延伸方向等与室内真三轴水力压裂物理模拟实验的结果基本一致,该模型可实现缝内暂堵后基质的破裂与新裂缝扩展模拟,对缝内暂堵转向压裂裂缝扩展情况也具有较好的模拟效果。(3)压裂液的黏度和排量越大,缝内暂堵转向压裂裂缝长度、改造面积及偏转角度均明显增大,且逐渐由单一裂缝向复杂裂缝转变。当水平地应力差小于7.5 MPa时,缝内暂堵转向压裂的效果较好;当水平地应力差为10~15 MPa时,压裂效果变差;当水平地应力差大于15 MPa时,裂缝几乎不偏转;储层非均质性会影响裂缝局部的扩展路径,但对裂缝总体扩展趋势影响甚微。

体积压裂多分支裂缝支撑剂运移规律

为进一步明确体积压裂多分支裂缝内支撑剂的运移铺置规律,开展了不同裂缝形态、砂比、分支缝开启时机和不同粒径支撑剂注入顺序条件下的支撑剂运移模拟实验。研究表明,不同位置分支缝的逐级分流使分支后主缝砂堤高度增加,铺置长度减小。分支缝的流量是影响其充填的主要因素,分流作用使得远井分支缝流量小、充填情况较差。倾斜裂缝壁面对支撑剂施加减缓其沉降的摩擦力,提高支撑剂在裂缝纵向的分布。砂比增加可改善近井主缝和远井分支缝的充填并使主缝砂堤长度增加,由于缝高的限制,砂比提高到一定值后裂缝充填情况改善幅度减小。分支缝常开(持续扩展)时分支缝最终的支撑效果最好,但主缝铺置长度短,先关后开(后期扩展)的支撑效果优于先开后关(前期扩展)。不同粒径支撑剂顺序注入可增加主缝和分支缝的铺置长度,先小后大注入可改善近井裂缝充填,先大后小注入时近井裂缝充填情况不如先小后大注入时。

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,该成果可为非常规油气储层现场压裂设计提供更加全面的参考依据。

基于Pickering乳化技术环氧树脂相变支撑剂的制备及评价

常规固体支撑剂普遍存在运移能力差、刚性结构易堵塞裂缝等缺陷,可以液相注入的支撑剂成为主要发展方向。基于乳化热固性树脂体系研发一种相变支撑剂并对其进行评价。相变支撑剂体系基于双酚A型环氧树脂,采用二亚乙基三胺与丁基缩水甘油醚的加成物作为固化剂,树脂质量1%的SiO_(2)固体颗粒作为乳化剂,随后分别加入树脂质量1.25%的中空玻璃微球和树脂质量25%的无水乙醇用于降低树脂密度和稀释树脂。通过工艺优化,得到粒径为4.5、3、2~2.5、2、1和0.5 mm的支撑剂颗粒。对所得支撑剂进行评价,结果表明:由于材料的低密度和高强度,支撑剂的运移能力和导流能力可充分满足针对高闭合压力的非常规储层的开采需要。

甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究

甲烷原位燃爆压裂是通过地面投放的助燃剂与地层产出的甲烷气,在页岩气井筒内目标层段原位燃爆,实现强化压裂储层的新技术。其中明确甲烷爆燃压裂中储层岩石动态破坏规律,是确保压裂效果和井身安全工艺设计的基础。基于此,为明确甲烷原位燃爆压裂过程中,聚能流体泄入性冲击破岩规律及其主控因素敏感性,借助岩石动态冲击损伤模拟实验装置,针对龙马溪组海相页岩露头,开展拟三轴、真三轴条件下的冲击压裂破岩实验共24组,通过对冲击破岩过程中模拟井眼压力的高频跟踪、压后岩样破裂形态及裂缝面特征观测,分别考察了120~285 MPa理论峰值压力、20.9~131.7 MPa/ms理论加载速率、储层应力与层理方位等对冲击破岩的影响,用铜箔对模拟井眼孔壁密封考察了应力冲击与泄入冲击对岩样破坏形态的影响。结果显示:聚能流体泄入性冲击可形成楔裂效应,降低页岩动态破裂强度,页岩动态强度与升压速率的正相关性弱于纯应力冲击;平行层理页岩、较低的地应力水平,均可减小页岩动态破裂强度;纯应力冲击更易形成复杂缝网,裂缝表面凹凸性强;聚能流体泄入冲击致裂后的裂缝走向平直,且随着升压速率增大,其裂缝条数及复杂程度增加、裂缝面剥离碎裂现象增强;模拟井眼轴线与页岩层理面平行时,压后裂缝面平整、粗糙度小、起伏小;模拟井眼轴线与页岩层理面垂直时,压后裂缝走向曲折、表面起伏大、裂缝网更复杂;页岩水平挤压应力较小,压后裂缝面粗糙,伴随有大量脱落物;随着岩样挤压应力增大,流体楔入基质实现二次冲击的阈值升高,压后页岩脱落物粒径逐渐减小。基于不同参数组合下页岩冲击破坏模式的对比分析表明:甲烷原位燃爆冲击过程是应力冲击与流体泄入性冲击的复合作用,随着冲击升压速率的提升,聚能流体泄入性冲击作用程度逐步加大,压后页岩逐步呈现出应力致裂-流体协同扩缝(27 MPa/ms)、应力致裂-流体冲刷破坏(52 MPa/ms)以及纯应力致裂-流体二次冲击破缝(116 MPa/ms)3种破坏模式;基于实验结果建立的3种破坏模式与加载速率、储层应力的关系图版,用于不同应力条件下甲烷原位燃爆冲击参数的优化设计。

缝洞型油藏一井多靶分段压裂开发效果数值模拟

为了研究缝洞型油藏一井多靶分段压裂开发效果,基于离散缝洞模型,建立了考虑基质—裂缝渗流和溶洞自由流耦合的缝洞型油藏油水两相流动模型及数值模拟方法,分析了天然裂缝发育程度、底水及压裂簇数对开发效果的影响。结果表明:在无底水条件下,天然裂缝发育程度仅影响采油速度,对累计产油量影响很小;在有底水条件下,底水沿天然裂缝上升会驱替溶洞中原油,产油量会随天然裂缝密度增大而升高;溶洞尺寸和压裂裂缝对缝洞型油藏产能具有显著影响;当天然裂缝发育程度较高时,每段一簇和多簇压裂裂缝开发效果差异明显减小,即采用一簇压裂裂缝便可控制整个缝洞甜点区域。

基于CDEM的页岩甲烷原位燃爆压裂数值模拟

甲烷原位燃爆压裂是一种利用原位解析的甲烷气体作为爆源的页岩气储层改造方法。基于连续-非连续单元法(CDEM),结合朗道爆源模型和线弹性拉剪复合断裂本构建立甲烷燃爆压裂数值模型。针对页岩气储层开展直井甲烷燃爆压裂数值模拟,分析燃爆峰值压力、增压速率、初始最小主应力、应力差以及天然裂缝参数对燃爆裂缝扩展的影响。结果表明:甲烷燃爆压裂在井周形成复杂裂缝,随着峰值压力和增压速率的增大以及初始最小主应力的减小,燃爆裂缝扩展范围会增加,其中峰值压力的影响最显著;在应力差的影响下燃爆裂缝范围偏向最大主应力方向,且应力差越大这种偏差越明显;天然裂缝能够增强燃爆压裂效果,其分布密度越大、缝长越长、与最大主应力方向夹角越小,燃爆裂缝扩展范围越大。

考虑压裂液渗吸的压后压裂液返排的数值模拟

压后压裂液返排是水力压裂施工过程中的关键步骤,在非常规致密储层中压裂液的渗吸现象不容忽视.基于油水两相渗流理论、伯努利方程和连续性方程,建立考虑压裂液渗吸的返排数值模型,通过数值计算获得返排过程中的压力和排量等数据;根据支撑剂回流模型计算压裂液返排临界出砂流量,基于控制支撑剂回流和压裂液快速返排的原则,设计一套返排制度优化方法.将数值模拟结果与中国大庆油田LX3井实际返排数据对比验证,对长庆油田M87井进行返排工作制度设计,并分析了地层产出液黏度和初始地层压力对压裂液返排的影响.结果表明:返排过程中存在地层流体向裂缝渗流现象,原始地层压力改变对压裂液返排影响明显,而地层产出液的影响甚微.LX3井返排流量和井口压力的数值计算结果与现场监测结果基本相符,平均误差分别为13.8%和15.5%,验证了返排数值模型的准确性较高,可用于指导现场压裂返排施工设计.

甲烷原位燃爆压裂数值模拟研究

为了探究燃爆压裂裂缝的扩展规律,通过块体离散元与有限元结合的连续-非连续单元法建立甲烷燃爆冲击致裂数学模型。基于朗道爆源模型描述燃爆压力变化,利用线弹性-断裂本构模型描述岩石基质的力学行为。基于建立的燃爆压裂数值模型,进行了直井、水平井和层内的燃爆压裂数值模拟,分析了直井燃爆压裂的裂缝扩展规律以及段间距、燃爆段长、工艺方法等因素对水平井燃爆压裂裂缝扩展规律的影响以及层内从单级到多级燃爆的变化规律。结果表明:直井燃爆压裂产生多条径向裂缝;优选缝间距为5 m、适当增加燃爆段长、选择分步燃爆的压裂工艺,可以取得更大的破裂度和裂缝范围;层内多级燃爆压裂提高储层破裂度7%以上,破裂范围实现x方向增加2.68倍,y方向增加3.8倍,大幅度提高页岩气渗流能力。

评价页岩压裂形成缝网能力的新方法

页岩储层的"体积压裂",使美国页岩气产业取得巨大成功,有效评价压裂裂缝网络形成的难易程度,是压裂开采的首要目标,目前国内外尚未发现有效的评价方法,为此开发了一种新的测试方法。针对10种岩芯,测试岩石力学参数,并对比分析常用的3种页岩脆性评价方法。采用压后裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度对裂缝进行定量表征,并对压后崩落碎块进行对比分析。通过实验认为,杨氏模量和泊松比判别法与塑性系数判别法用于评价岩石脆性,精确度更高;脆性岩石通常表现为高杨氏模量或(和)低泊松比的特征,与单轴抗压强度、抗张强度和压入硬度没有对应关系;压裂裂缝的分布具有统计意义上的分形特征,分维可用于定量评价压后裂缝网络复杂度;硬度越高,压后裂缝密度越小;脆性越强,压后裂缝密度越大。新方法是岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征的综合体现,用于评价页岩压后形成缝网的能力,不仅直观可靠,而且简单有效,有利于现场推广应用,对于今后页岩气或致密砂岩气开发的理论研究和现场应用具有一定的指导意义。

大型复杂裂缝支撑剂运移铺置虚拟仿真装置的开发

为满足行业新技术教学科研工作、工程实践锻炼以及创新能力培养的需求,基于非常规油气藏体积压裂技术理念,开发设计了一套大型复杂裂缝支撑剂运移铺置虚拟仿真装置。该装置创新性地实现了对于不同走向、倾向和倾角的分支裂缝、不同裂缝壁面粗糙度、不同壁面滤失速率、不同缝宽和水平井压裂的模拟,拓宽了裂缝规模尺度和施工参数的选择范围,装置功能和自动化程度大幅提升,可有效开展多种水力压裂工艺条件下的支撑剂运移铺置实验模拟。该装置进一步完善了相关技术领域的实验教学和科研手段,提供了更加丰富的实习、实训和实践环节,有助于师生开展科研创新,指导现场实践,也为"科研辅助翻转课堂"教学模式的探索提供了有效的平台。

疏松砂岩地层压裂充填支撑剂粒径优选

在疏松软地层中实施压裂充填工艺,出砂和支撑剂的嵌入是造成裂缝失效的主要因素,而两者都与支撑剂的粒径有密切的关系。针对金县油田高渗储层,设计模拟裂缝壁面的嵌入与砂侵和裂缝端部的砂侵试验。在不同压力下,对两种不同粒度组成的模拟地层砂进行测试,获得支撑剂在软地层中的嵌入程度、不同粒径支撑剂及其组合下的出砂量、出砂粒径以及砂侵后的导流能力。结果表明:在软地层中,支撑剂的嵌入程度随支撑剂粒径的增加而增大,随地层砂粒度中值的增大而减小;压裂充填防砂支撑剂粒径应优选为5～9倍的地层砂粒度中值;支撑剂粒径是地层砂粒度中值的6～9倍时,可形成内部砂桥;适合于压裂充填防砂的支撑剂粒径组合方案是粒径为地层砂粒度中值6～9倍的支撑剂与小于6倍的支撑剂体积比为3∶1。

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。

复杂裂缝中支撑剂运移铺置规律数值模拟

裂缝型储层压裂过程中易沟通天然裂缝形成复杂缝网,而压裂裂缝中支撑剂的铺置严重影响压后增产效果。采用考虑精确捕获颗粒运动的CFD-DEM耦合方法,建立复杂裂缝三维模型,探究注入流速、压裂液黏度、支撑剂密度对复杂裂缝(分支缝位置、角度和级数)中支撑剂运移铺置规律的影响。结果表明分支缝的位置和角度决定进入分支缝支撑剂的比例;注入时间相同,位于主裂缝1/3处分支缝砂堤面积是2/3处分支缝的2倍,30°分支缝砂堤面积是150°分支缝的3.2倍;对于多级分支缝,二级裂缝中砂堤形态多为抛物线形,三级裂缝为三角形;裂缝复杂程度越高,分支缝总分流效应越大,主缝中砂堤平衡高度越高;将优于支撑剂输送的参数与优于支撑剂沉降的参数进行再组合,较高流速(大于0.4 m/s)+线性胶+低支撑剂密度(小于2000 kg/m^(3))和较低注入流速(0.2 m/s)+滑溜水+高支撑剂密度(3000 kg/m^(3))的施工方式既能有效提高裂缝远端及分支缝的铺置效果,也能保证近井筒区域的充填。

微型水力压裂模拟教学实验装置开发

为有效实施基于CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法,参考国内科研用大型真三轴水力压裂模拟实验装置结构,设计了一种微型水力压裂模拟教学实验装置。该装置具有微型化、结构紧凑、节省实验经费、实验操作简便安全的特点,不仅适用于学生实验课堂的实践操作,激发学生兴趣,提高水力压裂实验的教学效果,同时可方便精确地开展页岩等非常规储层岩心的体积压裂模拟科研实验。

射孔井水力压裂模拟实验相似准则推导

由于对裂缝扩展机理的理解有限,水力压裂数值模拟与实际情况相比会产生较大误差。室内水力压裂模拟实验成为研究水力压裂理论的重要途径,但也必须考虑现场原型与实验模型之间物理现象的相似性来建立相似准则以提高模拟实验的可信度。基于相似第二定理,利用相似理论中的方程分析法对全三维水力裂缝扩展控制方程和射孔井裂缝起裂压力方程进行了无因次化,推导出了射孔井水力压裂模拟实验的相似准则,得出了各物理量间的相似比例关系。实验验证结果表明,推导的相似准则能够为水力压裂模拟实验参数的设计提供依据,对其他情况下相似准则的推导也具有较好的借鉴意义。

影响支撑剂嵌入的因素研究

运用FCES-100裂缝导流仪,进行了大量地层岩心的支撑剂嵌入实验研究。通过对比导流能力,全面考察了不同类型、不同铺砂浓度、不同粒径及不同常规性能的陶粒支撑剂在不同岩心和闭合压力条件下的嵌入程度。通过实验发现:支撑剂的嵌入使导流能力大幅度降低;不同类型的支撑剂在相同条件下嵌入程度不同,嵌入程度从大到小依次为石英砂、陶粒、树脂覆膜砂;铺砂浓度越大,嵌入对导流能力的伤害程度越小;支撑剂的嵌入程度随支撑剂粒径和闭合压力的增加而增高;在相同的地层条件下,支撑剂在碎屑岩中的嵌入程度要高于碳酸盐岩;不同常规性能的各种陶粒,在相同的条件下嵌入程度很接近。同时,全面分析、总结了影响支撑剂嵌入的各种因素,这对优化压裂设计具有一定的指导意义。

煤层顶板水平井穿层压裂适应性数值模拟

中国煤层气资源丰富,但煤层物性差、开发难度大,压裂是实现煤层气有效动用的关键技术之一。由于煤层强度低、易破碎、易坍塌,不利于后续压裂改造,煤层顶板水平井压裂技术为软煤层煤层气开发提供了新的思路。然而,目前适合上述压裂工艺的有利地质条件不明晰,水平井离煤层顶面距离、簇间距等参数的确定尚缺乏理论依据。为此,基于平面三维多裂缝扩展模型,同时考虑层间垂向断裂韧性及滤失非均质性,建立了煤层顶板水平井分段多簇压裂裂缝扩展数学模型。研究结果表明:①煤层为相对低地应力时,压裂裂缝沟通煤层的效果好,压裂效果较为理想,而煤层为相对高地应力时,压裂效果则较差;②水平井与煤层顶面距离对穿层压裂效果有重要影响,特别是在“低—高—低”地应力组合剖面下,为获得理想的压裂效果,建议水平井与煤层顶面距离在4 m以内;③地应力组合剖面是压裂效果的关键控制因素,煤层断裂韧性、滤失系数为次要控制因素。结论认为,该研究成果为我国煤层气有效动用和效益开发提供了理论支撑。

弱胶结地层中影响支撑剂嵌入的因素研究

制备预充填疏松砂岩进行嵌入试验研究,通过导流能力的对比,确定出影响嵌入的各种因素及其规律。试验观察了支撑剂在软岩板中的嵌入程度和不同闭合应力、不同支撑剂粒径、不同地层砂粒度组成对嵌入的影响,总结了影响支撑剂嵌入的其他因素,对优化压裂设计有一定的指导意义。

多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置的开发与应用

储层改造技术是目前实现低渗透和非常规油气藏及中深层地热资源高效开采的核心技术。为更好地满足储层改造技术的教学科研工作需求,自主设计了多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置,创新性地实现了针对不同尺寸人造或露头岩心,不同温度、围压和孔压,不同流量的固液两相泵入,以及不同井筒完井工艺条件下的储层改造及渗流模拟实验,提供了主/被动声波结合的声发射检测、温压场和应力应变场检测及压后激光扫描测量等丰富的评价手段。该装置具备功能丰富、操作简便安全、性价比高的突出特点,有助于构建储层改造技术创新实践平台,提升教学科研水平,助推师生创新发展。