工厂化压裂多裂缝应力干扰与延伸规律研究

相比于传统的压裂形式,工厂化压裂可有效提升压裂设备利用率并降低劳动强度,所以这种压裂形式备受青睐。而深入研究工厂化压裂可以为技术应用提供支持,因此,针对工厂化压裂多裂缝应力干扰与延伸规律进行了研究。在探究过程中利用位移不连续法构建了相应的数学模型,且对单井多簇压裂和多井工厂化压裂进行了分析。研究结果表明,应力阴影效应会对多裂缝同步扩展造成影响,但是相比于不同步压裂,同步压裂的效果更好,因此需要根据实际情况进行工厂化压裂施工设计。

不同水力压裂顺序下煤层气井组应力干扰效应研究——以沁水盆地柿庄南区块为例

煤层气井常采用井网布置方式进行开发,不同的水力压裂顺序引起不同的应力干扰效应。为了查明不同水力压裂顺序下煤层气井间应力干扰效应,本文以沁水盆地柿庄南区块3组煤层气井网15口井为研究对象,应用ABAQUS有限元模拟软件,模拟了煤层气井网中3种水力压裂顺序(先周围后中心、对角、先中心后周围)的应力分布特征及干扰效应,提出了相应的水力压裂顺序建议。结果表明:当施工排量为6.00~8.00 m^(3)/min,液量为430.00~580.00 m^(3)时,(1)先周围后中心、对角、先中心后周围压裂时,距中心井、对角线井、周围井不同距离,依次分为应力释放区、集中区和原始应力区。先周围后中心压裂时,中心井三区范围依次为≤15.00 m、15.00~140.00 m、>140.00 m。对角压裂时,对角线井三区范围依次为≤60.00 m、60.00~150.00 m、>150.00 m。先中间压裂时,周围井三区范围依次为≤60.00 m、60.00~144.00 m、>144.00 m。(2)煤层气井网采用四点法布置,井间距超过300.00 m,可有效避免煤层气井之间的应力干扰,降低煤层气井压裂时的施工难度。

水平井体积改造应力干扰计算模型及其应用

基于位移不连续边界元法,引入应力校正因子,建立裂缝介质应力场计算模型。模型计算精度与三维位移不连续模型接近,并显著减小了计算复杂度。在此基础上,基于断裂准则和扩展速度模型,建立了多裂缝扩展形态算法,对多裂缝应力干扰及应力干扰下裂缝扩展形态进行了计算研究。结果表明：应力干扰作用范围由缝高或缝长的最小尺寸决定,对缝长大于缝高的裂缝,应力干扰作用范围为1.2～1.5倍缝高,对缝长小于缝高的裂缝其范围为1.2～1.5倍缝长;缝间距相对缝高越大或净压力相对原场主应力差越小,裂缝偏转位置距离井筒越远,裂缝偏转角度越小。3簇等间距布缝时,中间裂缝沿直线路径扩展,而非等间距布缝时,中间裂缝会向间距远的裂缝一侧偏转,且存在单一主扩展裂缝。

水平多裂缝交错扩展及其诱导应力干扰研究

QA油田X储层埋深较浅,高角度天然裂缝发育,水力压裂后形成的水力裂缝形态较为复杂,压后效果时好时坏,给压裂设计及施工带来诸多困难,急需弄清该储层水力裂缝的形态,以确定合理的压裂施工方案。首先,采用三轴岩石力学测试系统对X储层岩石力学特征进行测试,观察天然裂缝形态。其次,建立砂泥岩相间的二维平面渗流应力损伤耦合有限元模型,采用二次应力起裂准则作为水力裂缝是否起裂的判断依据,以幂律流来表征流体在Cohesive单元内的流动。模拟了X储层水力压裂多裂缝交错延伸的裂缝形态,探究了水力裂缝几何形态及压裂液排量、地应力、压裂液黏度对缝间应力干扰的影响,揭示了复杂多裂缝交错扩展的干扰机理,发现该储层具有形成复杂裂缝的力学和工程地质条件,为该区域的压裂改造提供理论指导。

考虑应力干扰的多簇压裂水平井产能分布规律

为探究考虑应力干扰作用下多簇压裂水平井产能分布规律,有机结合多簇裂缝扩展与产能计算模型开展数值模拟研究。首先基于位移不连续法建立多簇裂缝同步扩展数学模型,采用牛顿迭代法构建求解算法;其次应用位势理论和叠加原理,通过划分裂缝单元的方法,考虑裂缝无限导流和有限导流能力两种情形,构建产能计算方法。结果表明:多簇裂缝同步扩展时,应力干扰作用不仅影响裂缝扩展路径,而且还影响裂缝几何参数,然而此应力干扰作用有利于提高井产量;产量与裂缝间距、半长有关,且裂缝间距对产量的影响程度高于裂缝半长的影响程度;考虑裂缝变导流能力时产量低于考虑裂缝恒定导流能力时产量;提出的计算方法可用于计算任意裂缝形态下产能分布,与实际情况更加相符。

深埋煤层气同步压裂应力干扰机理研究及应用

受美国页岩气水平井同步压裂的启发,提出在深煤层对两口或多口相邻直井进行同步压裂。基于位移不连续法建立了垂直裂缝在水平面的诱导应力分布数学模型,分别对单口直井压裂及两口正对直井同步压裂进行应力干扰分析。结果表明,相比于单井压裂,同步压裂能在井间区域产生更强及更大范围的应力干扰,甚至能使深煤层水平主应力方向发生改变,有利于水力裂缝转向延伸沟通割理裂缝,从而形成复杂裂缝网络。利用离散元软件UDEC模拟同步压裂缝网扩展,结果显示两口正对邻井的间距控制在190 m以内能够保证远场复杂缝网的形成。裂缝监测及排水采气数据表明,深煤层直井同步压裂比单井压裂形成的增产改造体积更大;同步压裂井见气更早,产量更高,产气潜力较大。

应力干扰对致密油体积压裂水平井产能的影响

致密油储层的孔喉细小,渗透率低,油井没有自然产能,开发难度大。水平井体积压裂是致密油开发的主要手段。目前关于水平井体积压裂下的致密油产能预测模型研究,均没有考虑到裂缝之间应力干扰的影响,计算结果往往偏大。该文研究了裂缝之间应力干扰对水力裂缝宽度变化的影响,分析了应力干扰对于致密油体积压裂水平井产能的影响。研究结果表明,裂缝之间的应力干扰会降低水平井的产能,在考虑应力干扰的时候,水力压裂的最优裂缝数目会减小,而且裂缝的高度对水平井产能的影响较大。

页岩储层多缝应力干扰下裂缝起裂角计算新模型

页岩储层具有低孔、低渗的物性特征。对页岩储层进行增产改造形成复杂裂缝网络是高效开采页岩气的有效手段，但改造过程中多裂缝同时扩展时产生的干扰应力会对裂缝走向产生影响。考虑远场地应力、多缝扩展应力干扰条件下，结合不同起裂理论，建立了水力裂缝被天然裂缝捕获后在天然裂缝端部重新起裂时起裂角计算模型。分析得到，考虑多缝应力干扰条件下，水力裂缝和天然裂缝长度对该情况下的起裂角影响较小，但随着裂缝间距的增大，干扰应力减小，起裂角先增大后减小；且在高逼近角条件下，由于多缝于扰应力的影响，随缝内净压力增大，裂缝起裂角变化不大。而在低逼近角条件下，起裂角随净压力变化，净压力越大，起裂角越小。

体积压裂应力干扰现场应用的规律

通过室内岩心地应力测试,利用多缝应力干扰理论分析应力场变化特征,结合现场压力测试诊断和微地震裂缝监测结果,验证不同缝间距下的应力干扰对裂缝延伸的影响规律。结果表明:裂缝一旦转向延伸后,随缝间距的缩小,应力干扰导致裂缝转向的程度增加,提高了体积缝的复杂程度,但抑制了缝长方向的延伸,影响裂缝对砂体控制范围。因此,对于既定应力差的地层,尤其对于水平应力差异小的地层,须合理设计缝间距,在利用应力干扰提高体积缝复杂程度同时,要考虑裂缝方向正常延伸,保证裂缝长度上对砂体的整体控制。

页岩气藏水平井分段压裂缝间应力干扰全三维模拟

已有多裂缝应力干扰分析模型多基于二维或拟三维假设,该类模型只能考虑裂缝沿水平面的扩展与水平方向的就地应力大小,同时对裂缝形态有较强约束。为了更加准确地分析三维空间多裂缝干扰模式,建立了基于三角形单元位移不连续方法的全三维多裂缝扩展数值模型,对采用二维与三维模型预测的应力干扰强度进行了比较,计算了多裂缝扩展引起的三维空间应力分布。模拟结果表明:全三维压裂模型能够更加准确地刻画地层应力分布与裂缝形态。与二维模型预测的结果相比,三维模型预测的裂缝间应力干扰更弱,预测的裂缝变形诱导应力变化和裂缝扩展速度更小。

基于位移不连续模型的多裂缝应力干扰极限距离计算

利用MTS试验装置对"R13区块"的致密砂岩岩心进行小试样试验,获得"R13区块"致密砂岩的岩石力学参数(弹性模量、泊松比等)。忽略地层内水力裂缝面的不规则性,将其简化为互相平行的光滑裂缝面。考虑到地层在裂缝面的不连续性,将裂缝视为连续地层的内部不连续边界,采用位移不连续理论建立边界元模型,研究多裂缝系统周围的地层应力分布和不同簇数、不同布缝方式下的裂缝群缝间应力干扰的极限距离。结果表明,人工多裂缝的出现明显改变了裂缝周围应力场的分布,裂缝群簇数越多影响距离越大,但簇数的增加对影响距离的改变逐渐趋于平缓,呈对数增长,而段内裂缝间距(20~30 m)的改变基本不影响应力干扰的极限距离。基于位移不连续理论的边界元模型能够准确地计算裂缝群周围地层应力场分布和裂缝群缝间应力干扰极限距离。

应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律

穿层压裂是提高煤层顶板水平井产气量的关键技术,而应力干扰对煤层顶板水平井穿层分段压裂效果具有重要影响,为此,建立顶板水平井穿层分段压裂数值模型,研究应力干扰对穿层分段压裂裂缝扩展的影响规律。结果表明:煤层的岩石力学参数、压裂段间距和压裂施工方式是影响顶板水平井穿层压裂段间干扰的3个重要因素,随着煤层泊松比的降低,叠加应力逐渐增加,段间干扰程度增加;随着段间距离的增加,叠加应力逐渐减少、应力干扰逐渐减弱;顶板岩层内的叠加应力和应力干扰程度明显大于煤层;渗流扩散泄压施工产生的叠加应力明显低于连续压裂施工,段间干扰程度明显降低。研究得出连续施工的中硬煤层分段间距在90 m左右,软煤层分段间距在70~80 m较合理。扩散泄压压裂施工段间距相应降低,中硬煤层的分段间距在70 m左右、软煤层分段间距在60 m左右较合理。工程实践表明,顶板水平井分段压裂裂缝穿透了煤层,形成了较长裂缝,取得了较好的产气效果,实现对煤层的高效穿层压裂改造,研究结果为顶板水平井穿层压裂段间距优化提供了理论依据。

水平井多段压裂裂缝同步扩展应力干扰分析

基于储层地质力学特征,综合考虑压裂液流动与岩体变形耦合作用机制,建立段内多簇同步扩展有限元分析模型。控制方程通过变形转化成以压力为变量的函数,采用离散耦合方法模拟计算裂缝形态与流体压力,从而分析不同敏感因素下多裂缝同步扩展过程中的缝间应力场变化、裂缝转向特性。结果表明:多簇裂缝同步扩展时,应力干扰对于裂缝延伸以及几何形态作用明显,由于受两侧裂缝延伸诱导应力场的叠加效应,中间缝宽度、长度均小于两侧缝;同时,两侧裂缝尖端区域最大水平主应力受诱导应力作用而改变方向,从而产生裂缝转向;对于高弹性模量储层,缝宽对应力干扰更加敏感,施工设计必须考虑加大簇间距,防止出现砂堵现象。

基于位移不连续法的水力裂缝应力干扰分析

基于二维常位移不连续法及其三维校正方法,建立水力裂缝应力干扰边界元数学模型并给出了模型求解的关键步奏和MATLAB程序构架,实现多条水力裂缝应力干扰计算,对于致密油气储层压裂优化设计具有重要的指导意义。敏感性分析表明,单条裂缝离散的裂缝单元数量N=20能够满足计算的精度要求;裂缝内的流体压力将会扰动裂缝附近局部的应力场,在裂缝的长度范围产生诱导压应力,而在裂缝的尖端产生拉伸诱导应力,最小水平主应力方向上的诱导应力值和分布范围均大于最大水平主应力方向的诱导应力分布;多裂缝之间的应力干扰会引起局部应力场的非对称分布,裂缝间距越小,受挤压越严重,相应区域的裂缝宽度将会减小;随着裂缝条数的增加,区域的应力场分布将更加复杂。

深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律试验研究

为研究深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律,采用自行研制的TCHFSM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,开展不同压裂孔间距、不同注液速率对多裂缝同步扩展规律的影响试验。通过观察和分析压裂过程中裂缝扩展形态、注液压力演化规律,以及声发射动态响应特征和注液流量演化特征,结果表明:压裂孔间距较小时,左右两侧裂缝扩展长度大于中部裂缝,随着压裂孔间距增大,左中右3条裂缝均衡扩展;增大注液速率可以使起裂压力增高,多裂缝长度增加,有效提高储层改造体积;增大压裂孔间距和注液速率,可以使左中右3个压裂孔的注液流量占比更均衡。

多缝延伸应力干扰理论及其影响因素研究

为了进一步提高水平井体积压裂的压裂成功率和改造效果,开展了多缝延伸应力干扰理论及主要影响因素研究。根据弹性力学、断裂力学理论,结合岩石力学特征,建立了裂缝引起的地层应力变化理论模型;利用解析模型研究缝间干扰的影响因素,明确了影响缝间干扰的主控因素:缝间净压力、裂缝间距、裂缝长度、地层岩性;确定了主控因素对地应力变化的影响关系。研究结果表明:缝间净压力和水平最大、最小应力差近似呈线性关系;裂缝间距增大,缝间干扰增大;裂缝开启初期,裂缝长度增大,缝间干扰增大;泊松比减小,缝间干扰增大。多缝延伸应力干扰理论及其影响因素研究为建立储层内形成有效体积裂缝的优化方法提供了依据。

考虑应力干扰的致密油气压裂设计及实现方法

为掌握应力干扰的优化设计方法和手段,分别建立应力场变化的平面模型和数值模型.采用对比模拟分析的方法,提出压裂滤失引起的孔隙压力升高与人工裂缝支撑对应力场的影响互为反作用,从而导致诱导应力场在裂缝附近存在非转向区域,且可通过优化裂缝间距和缝内净压力来消除非转向区域的论点.研究结果表明：水平主应力差为2MPa,单缝扩展时缝内净压力为16MPa可消除非转向区域;水平差应力为8MPa,净压力为18MPa下,两条裂缝间距为30-60m可消除裂间的非转向区域;水平差应力8MPa和缝间距为20m以下,净压力为19MPa可消除裂间的非转向区域.现场试验时通过水平井段内分簇射孔,并优化施工参数,实现了裂缝间的应力干扰,裂缝复杂程度得以提高.

水平井平行裂缝间诱导应力干扰机制的数值模拟研究

水平井平行裂缝间的诱导应力场相互叠加,造缝机理复杂化。应用数值模拟方法,对多平行裂缝诱导应力相互干扰的机制进行研究。首先对预制单裂缝在垂直和平行裂缝方向上诱导应力的数值解和解析解进行对比,结果表明垂直裂缝表面方向的诱导应力相对平行裂缝表面的诱导应力要大。其次对2条预制平行裂缝及2条同步扩展裂缝周边的诱导应力变化规律进行研究,结果表明小裂缝间距、长裂缝和小主应力差更有利于主应力反转和网状裂缝的形成。最后研究了3条同步扩展的平行裂缝的几何形态,研究表明较小缝间距和较大的水平应力差异系数会造成中间裂缝很难起裂或起裂后迅速止裂,不易形成有效裂缝。较小的主应力比值有利于裂缝转向,产生沿原始最小主应力方向的分支裂缝,更有利于在页岩储层中形成复杂裂缝网络。在合适的地应力条件和缝间距下,中间裂缝能突破"扩展抑制期"而进入"二次扩展期"。

考虑多缝应力干扰的页岩储层压裂转向角计算模型

页岩储层压裂裂缝与天然裂缝相交后,其延伸方向是否改变是决定压裂能否形成复杂缝网的关键因素,转向角增大则有利于与天然裂缝相互连通,最终形成复杂裂缝网络结构。为计算多裂缝扩展时水力裂缝穿过天然裂缝后的转向角,基于线弹性断裂力学理论,建立了考虑远场地应力、裂缝尖端应力集中效应以及多裂缝扩展应力干扰下的页岩储层裂缝与天然裂缝相交后转向角计算模型。通过对比已有单缝模型,发现考虑多缝扩展产生诱导应力时,水力裂缝穿出天然裂缝后的转向角将增大,且裂缝长度、裂缝间距、天然裂缝分布位置、缝内净压力都影响转向角的大小。该模型可用于水平井多段压裂和井工厂压裂裂缝转向角计算,评价缝网压裂可行性、指导缝网压裂设计。