裂缝气藏气井产能特征及产能方程修正方法研究

裂缝性气藏具有地质储量丰富和单井产能高的特点,目前常规理论二项式产能方程在裂缝性气藏中的适用性较差,理论计算得到的紊流项远小于实测结果。针对上述问题,以塔里木盆地克深气田为例,从地质认识、测试资料、渗流规律和数值模拟等方面总结了裂缝性气藏的产出特征。分析表明,井筒与天然裂缝相交处是天然气的主要产出井段,气体在天然裂缝的聚集增大了裂缝性气藏气井生产过程中的紊流效应,导致高速非达西效应明显,理论二项式产能方程不能准确评价其产能。在理论二项式产能方程的基础上,回归克深气田理论与实际非达西流系数的关系,建立了裂缝性气藏二项式产能方程修正方法,并用实测数据验证了产能模型的可靠性。实例分析表明,克深气田气井开采过程中绝大部分能量都消耗在紊流效应上,因此,裂缝性气藏开发时需要控产降低压力损失。将理论计算得到的结果代入到“一点法”经验公式中,结果表明,较低的生产压差条件下计算得到的气井产能远高于实际结果,建议合理测试生产压差为地层压力的4%∼10%为宜。

水中高压电脉冲作用下径向预制裂纹扩展规律

为研究水中高压电脉冲作用下页岩多条预制裂纹同步扩展应力干扰作用对裂纹扩展影响,通过裂纹扩展轨迹、扩展长度、平均宽度、偏转角度和裂纹间等效应力分布的变化规律,综合考虑裂纹夹角、裂纹数量、水平地应力差等因素对裂纹起裂、扩展的影响。采用真三轴高压脉冲水力压裂试验平台进行实验室压裂试验和扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)数值模拟计算,利用PCAS(pore and cracks analysis system)裂隙分析软件分析裂纹几何形态特征。结果表明:水中高压电脉冲作用下,预制裂纹可沿径向及轴向起裂、扩展;径向双裂纹间夹角越大,缝间干扰作用越弱,裂纹扩展曲折程度越好,扩展效果越好;等夹角径向三裂纹扩展,中间裂纹受应力干扰、受抑制作用最大,不等夹角径向三裂纹扩展,远离中间裂纹的右侧裂纹受干扰最小,扩展效果最好;随着水平地应力差增加,裂纹间应力干扰作用增强,裂纹扩展效果逐渐减弱。研究成果可为分析水中高压电脉冲作用下页岩多预制裂纹扩展过程和规律提供一定的参考。

基于递减分析的页岩油气可采量评估

目前,对非常规油气储层渗流特征缺乏全面深入的认识,对页岩油气井生产数据的分析和预测仍存在较大的不确定性,给页岩油气可采量评估带来很大的挑战。结合实例,通过分析页岩油气可采量评估主要环节的特点,得出如下结论:1)页岩油气井流动阶段诊断十分重要,可以有效降低后续递减分析预测可采量的风险。页岩油气井生产状态的改变,对可采量的影响不容忽视。2)根据在产井产量及可采量预测建立的典型生产曲线,其样本井的合理选取以及可采量的统计对比,直接影响未开发区块可采量的合理性。3)井间压窜干扰对老井和新井的可采量影响较大,需要对井距与压裂规模的匹配性做深入的研究。由于裂缝传导率和有效渗透率均随压力的下降而降低,同时存在井间干扰等因素,递减分析和数值模拟相结合是评价页岩油气可采量的有效方法。

火山岩气藏未动用储量评价优选及开发技术界限研究

为了合理确定火山岩气藏未动用储量区块开发动用次序,给出相应的开发技术政策等问题,采用层次分析方法对未开发储量区块进行了优选排队,确定了12个典型区块的开发动用次序;采用蒙特卡洛法重新估算了典型区块的地质储量,评价后地质储量分险在23%~35%之间,储量分险较高;结合人工智能辅助评价技术对典型区块开展了敏感性分析、自动历史拟合、最优化方法以及不确定分析等研究,给出一种新的开发指标预测方法和界限研究;应用盈亏平衡原理,给出了火山岩气藏未开发储量区块的动用技术界限,单井初期经济极限产量1.92×10^(4) m^(3)/d,经济极限井控地质储量1.57×10^(8) m^(3),经济极限有效厚度11.05 m。为类似火山岩气藏未开发储量评价与开发提供参考依据。

气水两相下降流中泡状流与段塞流转换边界研究

针对塔河油田气水混注驱替“阁楼油”过程中泡状流与段塞流转换边界不清的问题,利用数值模拟方法对气水两相下降流中泡状流与段塞流进行了模拟分析。结果表明:在气相表观流速为0.01~1.00 m/s、液相表观流速为0.03~2.00 m/s、管径为76 mm的模拟条件下,管道中主要为泡状流和段塞流;与模拟结果相比,Barnea、Kokal、薛玉卿模型预测的转换边界偏小,Bhagwat和Yijun模型预测的转换边界偏大;随着气相表观流速增加,泡状流向段塞流转换时所需液量逐渐增大;在低液量条件下,越靠近管道中心,气泡数量越多,空隙率越大;随液量增加,单个小气泡体积减小,气泡在整个管道横截面上分布越均匀。基于漂移模型,考虑气泡群滑脱速度,建立了新的泡状流与段塞流转换边界模型,216组文献数据验证结果显示,新模型准确率为95.37%,准确度较高。建立的泡状流—段塞流转换边界模型,不仅可提高井筒压力、温度模型的计算精度,同时对塔河油田现场注入井井口参数优化、注入设备优选和提高“阁楼油”驱替效率有很好的理论指导意义。

流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态的智能预测

水力压裂作为页岩气储层开采的核心技术,在压裂过程中水力裂缝的扩展会遇到天然裂缝,与天然裂缝相交后压裂缝的扩展特征对缝网的形成有明显影响,从而影响最终压裂改造效果。基于内聚力单元建立了基于断裂力学的页岩气储层渗流-应力-断裂耦合的水力裂缝与多个天然裂缝相交扩展模型,研究了不同天然裂缝倾角、天然裂缝尺寸、应力差、压裂液排量和黏度下水力裂缝与天然裂缝扩展形态规律。采用基于Bagging算法集成支持向量机(support vector machines, SVM)、决策树(decision tree classifier, DTC)、逻辑回归(logistic regression, LR)、K最邻近算法(K-nearest neighbor, KNN)的裂缝形态分类器对裂缝相交扩展形态进行预测,并将Bagging算法预测结果与SVM、DTC、LR、KNN预测结果进行比较。研究结果表明:基于Bagging集成算法对水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态预测准确率达到了92.58%,相较于单个算法,最高提升了17.95%,其中应力差越小、天然裂缝倾角、裂缝尺寸越大和压裂液排量、黏度越低越容易产生剪切缝,反之容易形成穿层缝。通过建立的水力压裂预测结果的数据集对裂缝扩展的路径和形态进行智能化预测,为利用人工智能和机器学习算法进行完井压裂优化设计提供了方法参考和对实际压裂过程优化设计提供了重要参考依据。

岩性差异对裂缝穿层扩展的率相关断裂特征影响

薄互层致密砂岩储层由于层间岩性差异、纵向非均质性强等原因,导致主裂缝难以垂向扩展,提高裂缝扩展速率可有效促进裂缝穿层扩展。为研究裂缝穿层断裂过程中的率效应机制,采用人工预制水泥-砂岩试件进行了三点弯断裂试验,通过数字图像法监测了裂缝扩展至层间接触界面处时的断裂过程区(fracture process zone,FPZ)发育特征;基于断裂动力学理论,提出了考虑率效应的裂缝扩展路径预测模型。研究结果表明:低速扩展时裂缝形态曲折,FPZ呈现短、宽的现象,高速扩展时裂缝平直,FPZ呈现长、窄的特点;FPZ存在离散性,且存在相互吸引的特点,裂缝从低弹性模量岩石向高弹性模量岩石低速扩展时层间接触界面处会提前产生高应变区,导致裂缝扩展至层间接触界面处时沿层扩展,高速扩展无此现象;岩石抗拉强度与裂缝穿越单元体的平均抗拉强度呈正相关关系,低扩展速率裂缝优先沿微缺陷扩展,导致岩石抗拉强度降低,高扩展速率裂缝优先沿自相似方向扩展,穿过大量高强度单元导致岩石抗拉强度增加;裂缝与层间接触界面夹角越大,裂缝越容易穿层扩展,裂缝与层间接触界面夹角为30°时,夹角影响效果最大,夹角超过30°时影响效果逐渐下降。研究结果对水力压裂参数优化、增加水力裂缝高度、提高薄互层致密砂岩油气产量具有重要意义。

裂缝-孔隙型枯竭气藏储气库一体化注采运行评价

为诊断评价裂缝-孔隙型枯竭气藏储气库注采运行状况及单井注采能力,针对中原油田储气库,建立考虑应力敏感的裂缝-孔隙型储层-井筒-地面一体化模型,以一体化模拟为手段,以地层压力、注采气量界限为约束,分析储气库注采能力影响因素,诊断储气库注采运行制约瓶颈,评价储气库系统注采能力。研究表明:井口和井底压力、油管尺寸等对储气库注采气量影响较大;储气库气藏压力低于27 MPa,所受应力超过50 MPa,采气指数明显下降,应力敏感性更强;低压时可能存在临界携液情况,但无冲蚀影响;压力下合理注气量为71×10^(4)m^(3)/d,合理采气量43×10^(4)m^(3)/d。此研究可为裂缝-孔隙型储气库注采运行评价提供参考。

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。

超深致密砂岩气藏应力敏感性实验研究

超深致密砂岩气藏储层地质条件特殊、工程作业复杂,建井及生产阶段极易遭受严重的储层损害,储层裂缝应力敏感性损害是超深致密气藏的重要损害形式。以塔里木盆地超深超致密砂岩气藏为研究对象,针对裂缝岩样,开展原状裂缝岩样、重复加载/卸载应力变化路径及钻井液、酸液处理后的裂缝样品的应力敏感性损害实验评价。实验结果显示:超深致密砂岩原状裂缝应力加载过程应力敏感系数介于0.36~0.72,平均0.56,敏感程度中偏强;应力卸载过程介于0.18~0.62,平均0.44,敏感程度中偏弱;循环加载过程中,裂缝渗透率有持续降低的趋势,且有效应力降低后渗透率恢复率极低;油基钻井液处理后致密砂岩裂缝应力敏感性系数介于0.57~0.58,酸液处理后裂缝应力敏感性系数增至0.64~0.69。分析认为,钻井液固相侵入以及工作液处理造成的致密砂岩杨氏弹性模量和抗压强度降低、泊松比增加是工作液加剧裂缝应力敏感性损害的主要机理,敏感性分析显示杨氏模量变化较泊松比变化对裂缝应力敏感程度的影响更显著。研究成果对超致密气藏工作液优选及合理生产压差的制定具有一定借鉴意义。

Optimizing the Diameter of Plugging Balls in Deep Shale Gas Wells

Deep shale gas reserves that have been fractured typically have many relatively close perforation holes. Due to theproximity of each fracture during the formation of the fracture network, there is significant stress interference,which results in uneven fracture propagation. It is common practice to use “balls” to temporarily plug fractureopenings in order to lessen liquid intake and achieve uniform propagation in each cluster. In this study, a diameteroptimization model is introduced for these plugging balls based on a multi-cluster fracture propagationmodel and a perforation dynamic abrasion model. This approach relies on proper consideration of the multiphasenature of the considered problem and the interaction force between the involved fluid and solid phases. Accordingly,it can take into account the behavior of the gradually changing hole diameter due to proppant continuousperforation erosion. Moreover, it can provide useful information about the fluid-dynamic behavior of the consideredsystem before and after plugging. It is shown that when the diameter of the temporary plugging ball is1.2 times that of the perforation hole, the perforation holes of each cluster can be effectively blocked.

水平井分簇压裂数值模拟

在水平井分簇压裂中,压裂液不均匀分配导致水力裂缝不均匀扩展,直接影响了页岩储层开采效果。基于有限元法建立了考虑储层非均质性的水平井分簇压裂数值模型,通过全局嵌入0厚度内聚单元,模拟水力裂缝随机扩展;结合概率密度函数,随机分配内聚单元网格的弹性模量、抗拉强度来表征页岩储层的非均质性。在此基础上,研究了排量和非均质性对分簇压裂裂缝扩展规律的影响。结果表明:储层非均质性越强,水力裂缝受缝间应力干扰作用越明显,其扩展形态也越复杂;注入排量较高有利于降低裂缝复杂性,实现水力裂缝均匀扩展。

压裂裂缝参数对致密气藏开发的影响因素研究

压裂投产是致密气藏开发的主要手段,但由于压裂裂缝的几何形态差异和地质非均质性导致致密气藏压裂后的产能参差不齐。为进一步明确致密气藏压裂裂缝参数对产能的影响规律,基于鄂尔多斯盆地致密气藏地质特征,采用CMG-Stars软件建立致密气藏机理模型,通过数值模拟方法研究压裂段长度、段间距、半缝长和缝高等参数对致密气藏产能的影响规律。研究结果表明:压裂段长度越长,段间距越密、半缝长越长和缝高越高,其产能越好。本次研究优化的裂缝参数为压裂段长度为50m,段间距为30m,半缝长为300m,缝高为20m。该研究结果可以为致密气藏压裂工艺参数设计提供理论指导。

碳酸盐岩裂缝型储集层全直径岩心水侵规律实验

阿姆河右岸海相碳酸盐岩气藏断层及裂缝发育,局部水体能量活跃,开发效果受水侵影响显著。通过高温高压复杂缝洞储集层全直径岩心驱替实验,分析裂缝渗透率、裂缝贯穿程度和水体倍数对气藏水侵的影响,结合水气比动态变化特征,研究不同裂缝岩心的水侵规律。结果表明,裂缝贯穿程度越高,裂缝渗透率越大,水体倍数越高,则对应水侵模式中水气比曲线的斜率越大,说明水侵、水窜越严重,而裂缝未贯穿区域对暴性水淹能起到较好的抑制作用。在上述认识基础上,通过水侵模式分析诊断曲线,进一步分析了不同水侵模式的特征,优化了研究区气藏水侵诊断的指数图版。

考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究

为深入探讨裂隙性储层水力压裂缝的穿隙特征及影响因素,基于RFPA2D有限元软件,根据焦作矿区煤岩测试结果,模拟岩石破裂过程,分析裂缝形成的主导因素;其次,运用ABAQUS中Cohesive单元,考虑裂缝尖端应力场和煤层内部原生裂隙系统的耦合作用,根据该矿区地质条件和二1煤层物理力学参数,建立有限元分析模型,并进行压裂缝延伸的数值模拟。结果表明:不同地质条件下压裂缝延伸路径分为3种基本模式,即定向直线延伸、转向折线延伸和二次转向折线延伸;裂缝尖端应力差、原生裂隙发育特征是影响水力压裂缝形态与分布的关键因素。在应力差较小时,原生裂隙的力学性能对压裂缝分布形态起主导作用,随着应力差增大,其主导作用逐渐减弱。应力差过小、原生裂隙强度过弱,均易在原生裂隙处发生交叉转向,从而容易触及含水层,诱发各种地下水害。

基于能量演化的超深层高温页岩脆性评价方法

深层/超深层页岩气是未来勘探开发重点攻关对象。目前川东南某页岩气井的最大钻探垂深已达6600 m,地层温度高达180℃。为揭示高温页岩力学性质及脆性特征,以该井垂深为5942.34~5951.75 m的龙马溪五峰组真实岩心开展180℃实时高温三轴压缩实验,提出了基于矿物组分权重的能量演化脆性评价方法,并以此评价其脆性。该方法同时考虑岩石矿物组分和破坏过程中的能量演化,能更准确地定量评价高温岩石脆性。结果表明:页岩抗压强度随温度/围压的增加而增加,弹性模量、泊松比受温度/围压的影响较小;破坏模式随围压的增加由脆性张剪性贯穿多裂纹破坏向脆塑性单裂纹剪切破坏转变;计算得到该超深页岩层段脆性指数高,表明其具备形成复杂缝网的物质基础。

基于离散元法的压裂裂缝特征研究

为了探究弱面发育页岩压裂裂缝特征,基于三维块体离散元方法,建立考虑层理弱面和天然裂缝弱面的页岩储集层压裂裂缝扩展模型,分析了不同施工排量、压裂液黏度、层理抗拉强度和天然裂缝内聚力下的压裂裂缝特征。研究表明:高排量泵注和高压裂液黏度能够减少近井筒层理对水力裂缝的限制,增加水力裂缝穿层能力,当压裂液黏度达到10 mPa·s时,水力裂缝能够连续穿过6条层理;与天然裂缝连通的层理,其抗拉强度不是影响自身开启的主要因素;天然裂缝内聚力越大,其抗剪强度越大,开启程度越低。当井筒周围发育层理和天然裂缝时,通过提高前置液阶段排量、增大压裂液黏度,可以促使水力裂缝充分延伸;对于容易形成简单双翼裂缝的页岩储层,在前置液阶段泵注适量酸液,可以溶解天然裂缝填充物,从而达到降低天然裂缝内聚力,增加其开启程度,提高裂缝复杂度的效果。

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和复杂耦合流动机理的建模,并开发了高效的数值模拟算法,对于压后页岩的产能评价具有一定的意义.

深部砂岩力学实验及储层开采出砂影响规律

为研究深部储层砂岩在高温、高压、高应力状态下的开采出砂规律及主控因素,以克深区块为研究对象,开展了相应的岩石力学实验和数值模拟分析。实验岩心取自该区块致密砂岩储层,通过实验获得了高温高压下岩石的弹性模量、内聚力和内摩擦角等参数及其变化规律。结合实验结果和该地区地质特征,建立了深部砂岩储层直井开采热流固耦合模型,并利用有限元软件进行求解;通过分析储层Mises应力、等效塑性应变等参数变化特征,结合出砂判别标准,得到了不同开采条件下的出砂影响规律。采用正交试验设计方法进行了出砂敏感性因素分析,获得了其出砂的主控因素。研究结果表明:水平地应力的非均匀程度对储层开采出砂的影响最大,岩石胶结强度和生产压差的影响次之,地层温度变化影响相对较小。