致密油储层压裂裂缝扩展规律分析及影响研究

以鄂尔多斯延长组长7裂缝性致密油储层为例,开展致密油储层裂缝扩展实验研究,分析裂缝扩展的影响因素,并对裂缝扩展规律进行模拟分析,实验结果表明:长7致密油储层岩石杨氏模量、泊松比和抗压强度波动范围广,造成数值差异较大;矿物组成分布差异为3%~46%,平均值为16.85%左右;该区块储层岩石发育部分的天然裂缝,储层最大水平主应力和最小水平主应力差异较大,储层水平和垂直方向上的孔、渗、饱等物性差异较大。天然裂缝的形成和发展受自然裂缝存在与地应力场差异这两个关键因素的显著影响,长7储层原始状态下裂缝的形态呈现低角度。

基于DIC技术的自密实混凝土界面裂缝扩展规律研究

采用自密实混凝土作为堆石混凝土坝的抗冲磨层并与坝体进行一体化浇筑成型是一种新构造,其中抗冲磨层与坝体的界面性能至关重要。通过制作600 mm×600 mm×600 mm自密实混凝土(SCC)试件(C40SCC、C25SCC)及C40、C25SCC分层浇注试件(C40-C25SCC),结合数字图像技术(DIC)开展劈裂抗拉试验,分析了自密实混凝土界面裂缝扩展规律。结果表明:SCC断面破坏形态表现为骨料劈裂和剥落2种破坏形式;C40SCC、C25SCC及C40-C25SCC劈裂抗拉强度分别为1.861、1.416和1.362 MPa;基于DIC技术获取了裂缝相关参数,其中C40-C25SCC裂缝最大开口宽度、扩展时间均为最大,分别为0.125 mm、10.667 ms,C25SCC裂缝最大扩展速度最快,为10.12 m/s。研究表明:骨料的存在及粒径大小改变了试件破坏形态,影响了裂缝开口宽度及扩展速度变化。

页岩水平井多簇喷砂射孔暂堵转向压裂裂缝扩展规律

采用真三轴压裂模拟系统开展了页岩水平井多簇喷砂射孔暂堵转向压裂模拟实验,研究了暂堵剂粒径、暂堵剂浓度、单簇射孔数和簇数对封堵提压、多裂缝转向规律及暂堵剂分布的影响。结果表明:缝内小粒径组合+段内大粒径组合暂堵剂有利于提高封堵压力并促进裂缝多期性转向,添加纤维的组合可快速憋压至超高,但易产生沿着井筒扩展的纵向缝;暂堵峰值压力随暂堵剂浓度的增加而提升,但暂堵剂浓度达到一定值后,进一步增加暂堵剂浓度并不能显著提高暂堵峰值压力;岩样破裂压力和暂堵峰值压力随单簇射孔数增加呈下降趋势,较少的单簇射孔数有利于提高破裂压力及暂堵峰值压力,对多簇裂缝扩展的控制作用更显著;较少的簇数不利于人工裂缝总数及复杂程度的提升,较多的簇数难以实现有效封堵。缝内暂堵时暂堵剂主要分布在复杂裂缝区域,特别是多裂缝相交处,而段内暂堵时暂堵剂优先分布于形成复杂缝的射孔簇孔眼附近。

页岩油储层补能前后四维地应力模拟及加密井复杂裂缝扩展规律研究

针对安83井区长7含油层水平井区采出程度低、剩余油丰富的问题,结合考虑页岩油储层地质力学参数、天然裂缝等的非均质性和各向异性,建立一套地应力场与渗流场耦合机理模拟方法,将传统油藏渗流模拟与地质力学模拟相结合,并通过压裂施工参数、现场试井数据、微地震监测数据等,开展了储层补能前后四维地应力模拟及加密井复杂裂缝扩展规律研究。研究结果表明,该区储层杨氏模量高、泊松比低,易发生破裂;大规模压裂可以形成复杂裂缝,基本上为长250 m、宽80 m的多簇式裂缝条带;水介质补能能够起到均匀补能效果,效果比气介质好;老井补能至原始压力的80%时,压裂裂缝改造充分,裂缝扩展均衡,老井单井补能液量5000 m^(3)最优;300 m加密井补能至原始地层压力的120%时,压裂后改造较充分,单井补能液量25000m^(3)左右最优。该模拟分析方法对同类型油藏地应力模拟及裂缝扩展规律研究有重要指导意义。

基于水力压裂裂缝扩展规律的天然气开发应用

为进一步探究致密砂岩地质环境下的天然气资源开采工作注意事项,以西南地区某地致密砂岩地质环境下的天然气田为研究案例,应用ABAQUS数值模拟分析软件,结合前期地质勘查资料展开较为详细的建模分析,重点探究了应用水平井分段压裂技术开采时,水力裂缝长度和分段间距两项关键指标对开采效果可能造成的影响。结果显示,在实际开采过程中,应当控制井壁处诱导应力差值,避免其过大或过小,因而也需要避免水力裂缝长度和分段间距过低或过高;相对而言,控制水力裂缝长度为100~200 m内,且控制分段间距为50~100 m时,有利于致密砂岩地质环境下的复杂裂缝的产生,此时对开采工作也相对较为有利。

层理特征对油页岩水力压裂裂缝扩展规律影响的数值模拟研究

目前水力压裂是油页岩储层开发的主要技术手段之一,油页岩层理特征的差异对压后裂缝形态起主要影响作用,目前研究大多聚焦在层理发育程度对裂缝扩展的影响,忽略层理厚度本身对水力裂缝扩展的影响。以鄂尔多斯盆地旬邑地区油页岩为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,构建应力-损伤-渗流的水力压裂裂缝扩展模型,并采取全局FEM-CZM的数值模拟方法,分析层理厚度、层理间距、地应力场对水力压裂裂缝扩展的影响规律,对比不同影响因素下裂缝的破坏类型、裂缝长度和层理沟通面积。结果表明:(1)层理厚度影响层理面对水力裂缝的拦截能力,在层理厚度较大时,会导致裂缝在层理面上扩展的倾向更强,发生张拉破坏,所对应的裂缝长度和层理沟通面积更大。(2)层理间距影响水力裂缝到达层理面的时间,较小的层理间距水力裂缝会直接穿透层理面,较大的层理间距增加裂缝扩展的阻力,伴随层理间距越大,发生张拉破坏,水力裂缝长度和层理沟通面积越大。(3)地应力场决定水力裂缝扩展方向,垂向地应力差较大时,垂向应力会对层理有压实作用,导致更容易穿透层理面扩展,垂向地应力差较小时,水力裂缝在层理面扩展多发生弯曲、分支情况,所对应裂缝长度和层理沟通面积均增加。建议在压裂施工选址方面选择层理厚度较大、层理间距较大、垂向地应力场较小的区域,更有利于形成高效渗流传热通道,该研究可为旬邑地区油页岩水力压裂施工提供指导。

页岩纹层结构对水力裂缝扩展规律的影响

根据鄂尔多斯盆地延科1井陆相页岩岩心特征,制备了岩性相似的混凝土样品。利用正交实验法四因素三水平设计原理,并采用真三轴水力压裂实验系统进行实验,以模拟水平主应力差、射孔套管与纹层的夹角、纹层厚度和间距对水力裂缝扩展规律的控制作用。结果表明:当水平主应力差较小时,试样的主破裂面为平行于纹层走向的面,一级裂缝走向的模式为:穿过纹层—在纹层层面处发生较大偏转—沿着纹层层面扩展—发生较大偏转—穿过纹层;当水平主应力差较大时,试样的主破裂面为垂直于纹层走向的面,一级裂缝走向的模式为:穿过纹层—发生较大偏转—穿过纹层。水平主应力差越小,裂缝偏转的角度越大,压裂效果越好;射孔套管与纹层的夹角越小,致裂性越好;页岩纹层的厚度适中时,分支裂缝多,压裂效果较好;凝灰岩纹层的厚度较小时,压裂效果好。水力压裂效果对水平主应力差最敏感,射孔套管与纹层的夹角次之。

“井工厂”不同压裂模式下裂缝扩展规律数值模拟研究

“井工厂”压裂模式可以提高页岩储层体积改造效率和降低施工成本,明确各压裂工艺下诱导应力场的影响因素以及水力裂缝扩展规律对体积压裂缝网预测和工艺优化具有重要意义。为此,利用多孔介质流−固耦合理论和应力叠加原理,建立水平井多裂缝分时扩展力学模型,采用扩展有限元方法,在ABAQUS商业软件上进行二次开发,分析“井工厂”压裂模式下诱导应力影响因素及人工裂缝扩展规律。研究结果表明:改进拉链式压裂产生的诱导应力最大,在保证裂缝转向的同时,可维持裂缝长度和宽度;段间距的增加可有效降低逐次顺序压裂和改进拉链式压裂的诱导应力,并可调整常规拉链式压裂井间应力波动;在改进拉链式压裂模式下,增大井间距可降低后施工水平井各缝受到的缝间应力干扰,但对其他2种工艺的影响不尽相同;井筒两侧诱导应力场的差异程度决定同条裂缝半长的扩展竞争程度,诱导应力小的一侧裂缝优先扩展。

在役城市隧道衬砌裂缝扩展规律及其温度效应研究

为了获得在役隧道衬砌裂缝扩展量随时间及温度的变化关系,针对重庆市某在役隧道的长期监测数据进行了分析研究,得到了裂缝扩展速率随温度的变化关系以及同一温度下裂缝宽度随时间的发展关系,并将不同温度下的量测数据转换到同一温度条件下,结合时间序列建模方法建立了考虑温度影响的隧道衬砌裂纹扩展量预测时模型;同时,为了增加模型结果的可信度,分别对模型的短期预测误差和长期预测误差进行了分析,结果表明:模型在短期预测中具有较高的精度,而长期预测误差也会随着预测步数的增加而趋于常数。

基于三维重构技术的裂缝扩展规律研究

水力压裂裂纹的起裂、贯通、扩展行为与地层应力状态、储集层岩石的岩性、颗粒结构等多重因素有关,因此常规均质模型无法准确地反映岩石参数及其裂缝扩展规律。而基于真实油藏砂岩,利用切片实验、电镜扫描探针实验、CT扫描实验等,获取准确的岩石矿物颗粒物理力学性质和孔隙(裂隙)结构信息,并通过模拟退火法进行了岩石模型的三维重构,针对数字岩心,开展了均质和非均质两种不同数值模型下的水力压裂裂缝扩展数值模拟研究。研究表明:对模型裂缝的扩展起主要作用的是颗粒以及裂隙;水平应力差越小,裂缝起裂压力越高,裂缝扩展长度越小;通过模三维重构技术建立非均质模型的结果更有参考价值。该方法对于水力压裂裂缝扩展机理的深入精确研究具有一定的指导意义。

坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律分析

为探究不同因素对水力裂缝扩展行为的影响,以塔山煤矿坚硬顶板砂岩为研究对象,采用扩展有限元法模拟裂缝扩展过程,分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展行为的影响。结果表明:单裂缝扩展时,应力比和泊松比越大,抗拉强度越小,越有利于裂缝延伸,且稳定扩展压力越小;应力比和泊松比越小,抗拉强度越大,越有利于裂缝张开;注液间隔时间对裂缝扩展影响较小。双裂缝扩展时,注液速率和裂缝间距越大,越有利于裂缝延伸;注液速率越大和裂缝间距越小,越有利于裂缝张开;注液速率减小,裂缝间距增大,稳定扩展压力减小。针对坚硬顶板砂岩的水力压裂,此研究可为煤矿现场设计与施工提供参考和借鉴。

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明:对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。

非均质厚储层多级射孔压裂裂缝扩展规律

为研究常规压裂与多级压裂两种不同改造方式下的裂缝扩展规律及增产机理,制备力学参数接近真实地层的人造岩心,采用真三轴加载方式模拟地层真实三向地应力环境,自主设计并开展了常规射孔压裂与多级射孔压裂物理模拟实验。研究结果表明:多级射孔笼统压裂时纵向应力均质情况下,岩石在射孔位置同时起裂,产生的多条裂缝在垂直方向同时扩展,扩展的裂缝会在裂缝尖端周围产生局部应力,从而彼此干扰,出现复杂裂缝情况。多级射孔分段压裂当第一条裂缝存在时,缝内的压力会改变周围的应力场,进而改变局部最大和最小主应力的方向,进行第二次压裂时,新的裂缝会受到第一条裂缝的局部应力场影响,沿着新的应力方向扩展,并不会与第一条裂缝重合,从而引起空间裂缝的形态变化。相同条件下多级射孔压裂比集中射孔笼统压裂的裂缝面积大,相同施工规模条件下射孔分段数目越多裂缝越复杂,裂缝与储层接触面积越大。针对低渗透非均质厚储层而言,推荐采用多级射孔、分段注入方式进行压裂。

深层页岩气井拉链式压裂裂缝扩展及窜通规律

针对深层页岩气井工厂开发模式下拉链式压裂裂缝扩展及窜扰规律认识不清的问题,基于有限元-离散元方法,建立了考虑天然裂缝带影响的拉链式压裂裂缝扩展流-固耦合模型,采用实验数据与现场监测压力涨幅数据验证了模型的可靠性,并以川南深层页岩气储层为例,研究了不同特征天然裂缝带影响下压裂裂缝的扩展及窜扰规律。结果表明:大逼近角裂缝带对压裂裂缝正向扩展及井间窜通具有阻挡作用,停泵期间水力裂缝在净压力驱动下存在继续扩展行为;高应力差下,随裂缝带逼近角增加,响应井压力涨幅、压裂裂缝总长度分别呈先减小再增加及先增加再减小的趋势;与小逼近角裂缝带相比,大逼近角天然裂缝带发生窜通所需时间更长,窜通难度更大;响应井压力涨幅与裂缝带带宽负相关,与天然裂缝长度正相关;窜通时间、压裂裂缝总长及压裂效率则与裂缝带带宽正相关,与天然裂缝长度负相关;随布孔错位距离增加,裂缝窜通概率减小,但错位距离与响应井压力涨幅、裂缝总长度之间的规律性不明显。

太原组灰岩水力压裂裂缝扩展规律

为探究鄂尔多斯盆地太原组灰岩储层的水力压裂裂缝扩展规律,首先,基于三轴水力压裂物理模拟实验,对灰岩露头采样加工成300 mm×300 mm×300 mm正方体试样,根据水力压力曲线和压裂后裂缝扩展形态对灰岩的裂缝扩展规律进行分析;然后,根据太原组地质资料构建数学模型,从杨氏模量、泊松比、压裂液用量、压裂排量和顶底板夹层组合方面对于裂缝长度和高度进行模拟。结果表明,①灰岩样品表面存在较多的天然裂缝和层理面,又不同于页岩的层叠形式,裂缝开启后会快速和天然裂缝沟通,最大主应力垂直于天然裂缝时,对缝网形成更为有利;②压裂液黏度提高可以使主裂缝高度大幅提升,压裂过程中增大压裂排量可以开启更多天然裂缝和层理面;③数值模拟得出,杨氏模量大于20 GPa、泊松比小于0.16的灰岩更有利于形成更大面积的人工裂缝,压裂液用量、压裂排量和夹层顶底板组合等参数也对人工裂缝有控制作用。

基于XFEM的再生复合路面反射裂缝扩展研究

为了探究裂缝扩展路径及在不同条件下的扩展规律,该文基于ABAQUS软件中扩展有限元方法(extended finite element method,XFEM)模拟分析沥青混凝土半圆弯曲断裂试验中的裂缝扩展规律。通过对比他人试验及数值模型数据,验证了基于XFEM的有限元模型分析裂缝扩展的有效性。此外,该文建立干法油石分离再生复合路面二维模型,研究模型中施工缝宽度、预埋裂缝长度、偏转角及预设位置对裂缝尖端应力影响,结果表明尖端应力随着裂缝长度、偏转角增加而增大,而随着施工缝宽度增大呈现先减小后增大趋势,随着偏移距离变大则先增大后减小。该文研究结果有助于复合路面反射裂缝定量分析与表征,为复合路面设计及后期养护提供了参考与依据。

压裂裂缝在砂泥岩薄互层中的扩展规律

基于有限元的数值模拟方法,建立不同砂泥岩薄互层的非均质模型,系统有效地研究了泥岩特性参数对压裂裂缝扩展的影响规律,以现场实例单井为基础设计了复杂砂泥岩薄互层水平井压裂模型。模拟结果表明:脆性泥岩条件下,缝长与压裂压力的变化主要取决于主应力差的大小;塑性泥岩条件下,缝长与压裂压力的变化受主应力差大小和泥岩层厚度的联合控制;主应力越大,层理界面强度越大,层理对裂缝扩展的影响越小。

砂岩轴向预制裂缝的起裂和扩展规律试验研究

针对坚硬顶板难垮带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向压裂技术。采用300mm×300 mm×300 mm红砂岩试样,进行了真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同预制裂缝方位角对裂缝的起裂与扩展规律的影响。结果表明:不同预制裂缝方位角时,压裂裂缝均沿预制裂缝的尖端起裂,并形成单一裂缝。随着预制裂缝方位角的增大,起裂压力逐渐增大;达到相同偏转角时,裂缝延伸长度逐渐减小并在45°时取得最小值,45°之后,裂缝延伸长度先增大后减小。

基于扩展有限元法的混凝土重力坝裂缝扩展仿真研究

以坡月水库5#坝块为研究对象,采用扩展有限元法和水容重超载法对该坝块进行裂缝扩展仿真研究,探究该坝块的临界超载系数,研究重力坝坝踵部位裂缝扩展规律。结果表明:①5#坝块在满库水位下的水容重临界超载系数为1.4,可为坡月水库该坝块的极限承载能力提供参考依据。②大坝基本处于受压状态,仅坝踵周围和水力劈裂处产生拉应力,且最大拉应力均出现在坝踵部位。同一超载系数工况下,相同高程处的下游坝面位移比上游坝面位移大;坝体不同高程处的位移随高程的增大而增大;不同超载系数工况下,坝踵部位的拉应力、上下游坝面处的位移均随超载系数增大而增大。③裂缝扩展过程中,应力集中区沿裂缝扩展路径向裂缝尖端部位移动,当裂缝尖端的拉应力达到材料的抗拉强度时,裂缝继续扩展;当应力集中区移动到裂缝尖端且裂缝尖端的拉应力小于材料的抗拉强度时,裂缝停止扩展,研究成果可为重力坝坝踵部位裂缝扩展研究提供参考。

水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟

为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律,在分析煤岩界面性质的基础上,应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况,探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素,垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大,越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层;煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素;现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数(排量、注入点与界面的距离)以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。