不同注液速率水力压裂多裂缝扩展规律研究

为了分析影响水力压裂效果的射孔参数,采用TCHFSM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,并配合声发射监测系统和高温-高压动态流量计,以均质水泥砂浆试件为研究对象,对不同注液速率下水力压裂多裂缝同步扩展规律进行研究。研究结果表明:随注液速率增大,射孔裂缝长度和宽度不同程度增加,缝间干扰程度减弱,应力阴影效应减小,射孔间距较大时裂缝扩展更加均衡,压裂效果更佳;随注液速率增大,射孔水力压裂裂缝起裂压力增大,起裂时间变短,受射孔间距影响较小;不同注液速率条件下各射孔注液流量分配差异显著,且受射孔间距影响明显,射孔间距为20 mm和60 mm时,中部射孔注液流量占比分别为7.31%、10.88%、16.12%和31.12%、32.69%、33.44%。

基于多裂缝扩展形态的水平井压裂施工参数优化

为研究多簇压裂裂缝扩展的实际形态对水平井产能预测的影响,进而科学指导压裂施工设计,基于位移不连续法(DDM)研究了布缝间距和布缝数量2个因素对多裂缝扩展形态、流量分配的影响,并采用CMG数值模拟软件结合吉林油田H区块的实际地质参数,建立了单水平井压裂均质模型,基于产能最大化,优选出最佳的压裂施工参数。结果表明,随着簇数增加,进液量百分比极差和裂缝长度极差先增大,后略微减小;当进行4簇射孔压裂时,裂缝2、3的进液量百分比和缝宽都过小;簇间距对多裂缝扩展均匀程度有着重要影响。为了保证多裂缝扩展均匀程度更高,在实际压裂施工中应采用较大的簇间距。在H区块地层参数条件下,最优裂缝簇数为3簇,最佳簇间距为40 m,最优裂缝半长为120 m,最佳裂缝导流能力为10μm^(2)·cm。该区块适合使用黏度30 MPa·s、排量6 m^(3)/min的压裂液进行压裂。

不同岩石多裂缝扩展规律研究

为了研究不同岩石力学性能下多裂缝扩展规律,考虑流体流动对裂缝扩展以及岩石变形的影响,基于扩展有限元方法,建立水力压裂裂缝垂向扩展的数学模型,得到了多裂缝在不同力学性质岩石扩展过程中注入压力、注入点宽度、裂缝偏转度的变化规律,以及裂缝间距在不同岩石中的影响规律。结果表明,随着岩石弹性模量和抗拉强度的增强,相同压裂时间下的裂缝扩展长度增加,孔隙压力增加;岩石等效位移随着岩石弹性模量和抗拉强度的降低而增加,与裂缝数量呈正相关,并且随着裂缝数量的增加,岩石等效位移增加的趋势更明显;随着岩石弹性模量和抗拉强度的增强,裂缝间距对注入点孔隙压力的影响并不明显。当裂缝之间的间距增大到一定程度,裂缝间应力干扰作用减小,裂缝不发生偏转。该研究对不同岩性下水力压裂施工工艺簇间距的优选具有一定的借鉴意义。

人工压裂形成多裂缝的可能性研究

人工裂缝形态对压裂效果至关重要 ,压裂设计中首先要考虑的就是裂缝形态。随着固井质量提高和射孔深度加大 ,井周应力集中变得复杂 ,射孔壁的应力集中已不容忽视。每一个射孔都可能成为一个独立的破裂源 ,射孔方位不同 ,应力集中也不同 ,这可能影响人工裂缝的形成与形态 ,并存在出现多条人工裂缝的可能性。分析套管射孔壁的应力集中状态 ,讨论裂缝延伸的阻力和每一次射孔诱发人工裂缝的优先顺序 ,并讨论应力状态对裂缝形态的影响和初裂缝形态与射孔方位的关系。依据大庆喇萨杏油田应力测试结果 ,分析深射孔条件下的人工裂缝形态 ,结论是 :若射孔方位随机 ,80 0～12 0 0m深度出现人工直立初裂缝或水平初裂缝的概率大体相同 ,所需破裂压力也相近 ,一次压裂可能出现多条裂缝 ;控制射孔方位可以控制人工初裂缝形态 ;由于该区水平最小主应力与垂向主应力相近 ,初裂缝可以保持原来的形态独立延伸。图 3表 2参 5 (刘建中摘 )

多裂缝储层水力裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统,对多裂缝储层水力裂缝与多裂缝干扰后影响水力裂缝走向的各种因素进行了研究,并分析了压力曲线特征。试验结果表明:水平主应力差和逼近角是决定水力裂缝走向的主要因素,高水平应力差和高逼近角有利于水力裂缝穿过多裂缝,水平主应力差越大,水力裂缝形态越平直;天然裂缝带发育程度和天然裂缝面摩擦系数也是影响裂缝走向的主要因素,天然多裂缝越发育,越易造成压裂液大量滤失进而产生多水力裂缝,摩擦系数越小,水力裂缝越易沿天然裂缝转向;天然多裂缝带的存在,会造成水力裂缝形态的非对称性;水力裂缝的扩展具有非稳态特性。

水平井分段压裂平面三维多裂缝扩展模型求解算法

针对多层油气藏水平井分段多簇压裂设计问题,提出平面三维多裂缝扩展模型高效解法。采用三维边界积分方程计算固体变形,考虑井筒-射孔-裂缝耦合流动及缝内流体滤失。利用显式积分算法求解流固耦合方程,根据尖端统一解析解和最短路径算法计算裂缝扩展边界。方法的准确性通过与径向裂缝解析解、隐式水平集算法和有机玻璃压裂实验对比得到全面验证。与隐式水平集算法相比,新算法计算速度大幅提高。以浙江油田页岩气水平井为例,重点分析了平面应力分布、射孔数分布等对多簇裂缝扩展与进液的影响。研究表明,减小单簇射孔数可以平衡簇间应力非均质分布的影响;调整各簇射孔数量可以实现均衡进液,各簇射孔数差别应控制在1~2孔;增加高应力簇的射孔数有利于均匀进液,但进液均匀并不等于裂缝形态一致,裂缝形态受应力干扰和层间应力剖面共同控制。

水力压裂多裂缝产生机理及影响因素

在对某些复杂地层进行水力压裂施工时,常会遇到异常高压及脱砂现象,有时还会导致施工的失败,而多裂缝是产生这些现象的主要原因。本文从水力压裂的原理出发,采用机理剖析的方法,分析了导致多裂缝产生的主要因素。分析认为,多裂缝的格局取决于小裂缝能否顺利连接,地应力状况对裂缝的连接与起裂方位有重大影响;天然裂缝的发育程度是决定多裂缝起裂的重要因素;地层的倾斜与井眼斜度、起裂方位、射孔等对裂缝的连接起支配作用。搞清多裂缝的产生机理对水力压裂过程中预防多裂缝的产生有着重要的意义。

多裂缝防治措施研究

在对某些复杂地层进行水力压裂施工时,常会遇到异常高压及脱砂现象,有时导致施工失败,而多裂缝的产生是这些现象的本质原因。通过大量的调研分析,系统总结了多裂缝的防治措施。主要包括对地层的准确认识、合理的完井措施、合理的施工参数及流体参数、多级支撑剂段塞技术、前置液量的选择、小型测试压裂辅助补孔等措施。

致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响

为了研究致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响,采用300 mm×300 mm×600 mm天然砂岩进行真三轴水力压裂实验,实验过程中采用2套压裂液注入系统分别独立控制2条水力裂缝,实验后将试件连续切片分析实验结果,同时采用三维流固耦合数值模拟方法研究孔隙压力场对水力裂缝扩展的影响。结果表明:在致密砂岩压裂中,由于孔隙压力场的存在,无论是簇内裂缝还是簇间裂缝扩展,当缝间距与裂缝半长的比值较小时,裂缝之间表现为相互吸引;当缝间距与裂缝半长的比值较大时,裂缝之间的相互影响较弱,多裂缝之间未出现相互排斥现象;除缝内净压力、缝间距、应力差外,裂缝周围孔隙压力场也是影响多裂缝扩展的重要因素;孔隙压力的增大减小了有效应力,岩石更容易发生剪切破坏,从而加速了裂缝的非平面、非对称双翼扩展;现场致密砂岩多段分簇压裂应增大簇间和簇内射孔间距,可避免压裂液滤失导致裂缝长度的减小,增大储层的改造体积。

水平井压裂多裂缝同步扩展数值模拟

采用有限单元法对水平井压裂多裂缝同步扩展问题进行数值分析。考虑压裂过程中高压流体、岩层变形/破裂与裂缝扩展之间的多物理场耦合响应,建立多裂缝同步扩展力学模型;采用裂缝单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径。应用有限元方法求解耦合模型并编制计算程序,模拟水平井多裂缝同步起裂、扩展和转向过程。研究结果表明:水平井多裂缝同步压裂,起裂压力相差较小;延伸压力受缝间应力干扰影响,中间裂缝处压力高于两侧裂缝;随裂缝扩展,多裂缝之间应力干扰效应提高,主应力方向偏转范围增大,促使复杂裂缝的形成;通过优化射孔簇间距与数量可增强裂缝间应力干扰效应,增加水平井多裂缝扩展的复杂性。

考虑爆燃气体滤失和多裂缝的复合射孔裂缝扩展动态模拟

裂缝几何尺寸参数的准确预测是复合射孔优化设计和增产增注效果评价的前提条件,在复合射孔实施过程中,爆燃气体滤失和多裂缝会对裂缝扩展形态产生影响。在分析中外爆燃气体驱动裂缝扩展数学模型的基础上,结合流体力学、弹性力学和线弹性断裂力学理论,建立了全面考虑爆燃气体滤失和多裂缝的复合射孔裂缝扩展数学模型,通过假设与多个变量相关的裂缝内爆燃气体压力分布函数,利用迭代法实现了模型的数值耦合求解,获得了裂缝几何尺寸随时间的动态变化规律。实例计算结果表明:地层渗透率和裂缝条数对复合射孔裂缝扩展形态影响很大,缝长随地层渗透率和裂缝条数的增加而减小;不考虑爆燃气体滤失和多裂缝导致计算得到的缝长偏大,且相对误差随地层渗透率和裂缝条数的增大而增大。

考虑射孔孔眼磨蚀对多裂缝扩展的影响规律

我国非常规油气资源丰富,压裂技术是其开发的重要手段,其中极限限流压裂技术是促进水平井压裂段均匀改造的关键技术,但井下监测表明射孔孔眼动态磨蚀严重,制约了工艺应用效果。为了解决射孔孔眼动态磨蚀带来的多裂缝扩展形态不确定性影响,提高现场工艺实际应用效果,在水平井多裂缝竞争扩展模型基础之上耦合孔眼动态磨蚀模型,然后根据实际井下射孔成像数据校正数值模型,研究了孔眼磨蚀作用下多裂缝扩展行为以及限流射孔参数优化方法。研究结果表明:(1)孔眼磨蚀作用将显著增大孔眼直径和流量系数,迅速降低射孔摩阻,加剧各簇流量分配和多裂缝扩展的非均匀程度;(2)段内应力均匀分布时,孔眼磨蚀作用随着限流作用增强而增加;(3)段内应力非均匀分布时,高应力簇裂缝扩展容易受到抑制作用,考虑孔眼磨蚀作用后将进一步加剧各簇裂缝流量分配的非均衡程度,甚至导致高应力簇裂缝停止进液,裂缝不能充分扩展。结论认为,研究结果对孔眼动态磨蚀机理研究以及改进压裂工艺设计具有重要理论和现实意义,有助力我国非常规气油气的高效开发。

致密砂岩储层多裂缝扩展形态及影响因素

为研究多裂缝扩展时应力干扰下裂缝延伸规律及形态影响因素,应用扩展有限元方法,结合断裂力学最大主应力断裂准则,建立多裂缝扩展的流固耦合模型。结果表明:多裂缝扩展方向在近井带相互排斥,且随液体的注入,裂缝的长度和宽度变大,受地层滤失影响,裂缝增长速度逐渐减小。裂缝形态受岩石力学参数及工程因素影响,当弹性模量较大时,裂缝扩展长度和宽度有所增加;当泊松比较大时,易形成中间长、两侧短的裂缝形态;当地应力差较小时,两侧裂缝转向角度较大。裂缝间距越小,裂缝间扩展时相互竞争越激烈;注入速度越大,裂缝尺寸越增加。该结果为油田合理制定施工方案、提高油气采收率提供依据。

多裂缝渗流场的边界元解法

运用边界元方法研究了多裂缝渗流场。并将讨论一个均质、稳定的二维多裂缝渗流场 ,建立的数学模型具有可精确描述多裂缝渗流场的特点。在Windows环境下编制了相应的软件。

复杂地质背景下的多裂缝识别

针对利用成像测井资料自动识别多裂缝过程中存在的问题,包括背景图像过于复杂和裂缝轨迹并非严格的正弦波轨迹,依据裂缝与其它地质现象形态的不同,提出了形态滤波算法和窗口扫描技术相结合的处理算法,解决了复杂地质背景下的多裂缝图像分割问题.采用Hough变换的方法对现场实际资料进行了处理与识别,取得了很好的效果.

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。

井筒协调条件下多裂缝的相继开启模型

长期以来,人们认识到水力压裂过程中存在多裂缝现象,然而对于多条裂缝形成的机理认识不清。通过建立考虑裂缝延伸、井筒内流体压缩性的井口压力升高模型,模拟计算了井口压力升高的过程;同时考虑多条裂缝之间开启压力的差别,建立了多条裂缝相继开启的条件。分析表明,井口压力升高的机理是:由于井底流体不能很快扩散出去,因而在井筒内造成憋压;与此同时,流体在裂缝内流动的延伸阻力与射孔摩擦阻力一起与井底压力平衡。多个裂缝开启的条件是,井底压力的升高程度达到了次级裂缝的开启压力,其内在机理是井口液体的注入能力大于已经开启裂缝接纳液体的能力,多裂缝起裂指数Cm大于1。

煤岩压裂多裂缝风险识别及防治机理研究

为了提高煤层气井压裂施工成功率,并掌握施工压力与裂缝形态之间的响应规律,基于140余口煤层气井压裂施工曲线,分析总结了煤岩压裂具有破裂压力不明显,平均施工压力较高,前置液阶段恒定排量时施工压力不断上升等特点。同时从物模实验、G函数分析、净压力拟合3个方面进行了论证研究,认为多裂缝起裂、延伸是上述特点产生的主要原因。研究结果表明:多裂缝延伸时破裂压力不明显或破裂后压力继续上升,平均实验压力偏高;G函数、净压力拟合分析显示煤岩压裂出现多裂缝现象。基于以上研究,提出可调式多段塞压裂工艺防治多裂缝延伸,施工结果表明该工艺可大幅提高煤层气井压裂的一次施工成功率。

射孔对水力压裂多裂缝的影响

为了深刻认识射孔方式如何影响水力压裂的多裂缝问题，在对已报道的实验结果及文献的研究基础上，采用了理论模拟、实例剖析、归纳总结等手段，得到以下结果：（1）射孔方式影响人们对压裂施工压力的大小与多裂缝条数多少的判断。不利的射孔深度、射孔方式能够增加施工压力，影响对等效裂缝条数的判断，减小裂缝的有效宽度，造成加砂压裂困难。（2）射孔方位与多裂缝的形成密切相关。对于具有不利的地应力对比的构造或改造目的层而言，能够造成同方位的多裂缝，导致加砂压裂困难，此时应根据地应力状态选择合理的射孔方式；不同的射孔方式还可能直接造成不同方位的多裂缝，影响压裂改造的效果.（3）射孔长度影响多裂缝的条数.对于裂缝性地层而言，射孔长度与多裂缝条数有着直接的关系，同样影响着加砂压裂的成功不否，而适当缩短射孔段长度对石炭系地层的压裂改造有着积极的意义。结论为：射孔对水力压裂改造中的多裂缝现象具有重要的影响和支配作用。

水力压裂多裂缝起裂射孔参数优化研究

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题,结合岩体力学与损伤力学相关理论,建立了近井筒地层流固一损伤力学模型,采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态,计算表明:初始地应力最小值越小,地层的起裂压力越低;射孔方位角越小,起裂压力越低.随着射孔方位角增大,近井筒微裂缝为45。夹角的拐折裂缝,起裂压力增大,基于此,对于正断层及顺滑断层地应力类型,取射孔方位角小于30°,螺旋射孔夹角30°或45°,对于逆断层地应力类型,螺旋射孔夹角取45°,可有效地实现多裂缝起裂.