页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.

水平井多裂缝同步扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了水平井多裂缝同步扩展的数值模拟研究。考虑井筒和裂缝内流体流动,耦合岩体变形,建立了多裂缝同步扩展数学模型,利用裂缝尖端渐近解隐式求解裂缝扩展步长,并采用扩展有限元方法对模型进行了求解。通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型与算法的正确性,并将数值算法运用于2个算例。多裂缝同步扩展时,两侧裂缝的长度和宽度比中间裂缝的大。裂缝间距越小时,两侧裂缝偏离初始最大主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;地应力差越小时,两侧裂缝偏离初始最大主地应力方向角度越大。研究结果表明,应力阴影作用对多裂缝同步扩展轨迹和几何形态具有重要作用,且裂缝间距越小,地应力差越小,应力阴影作用越强,裂缝形态越偏离单裂缝扩展形态。

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。

基于扩展有限元的页岩水力压裂数值模拟

考虑裂缝内流体流动和周围岩石应力变形,建立了页岩人工裂缝扩展的数学模型,分别采用有限元和扩展有限元求解裂缝流场和岩石应力场,并通过Picard迭代方法耦合求解,计算结果与经典模型结果吻合,验证了模型正确性.在此基础上,分析了岩石弹性模量、Poisson(泊松)比和注入速度对裂缝几何形态的影响以及水力裂缝任意角度逼近天然裂缝扩展动态.结果表明:弹性模量和注入速度对裂缝形态具有重要影响,而Poisson比对裂缝形态影响较小;随着页岩脆性增高,压裂裂缝趋于"长窄型"扩展;地应力差和逼近角越大,水力裂缝越易贯穿天然裂缝;水力裂缝与天然裂缝相交处裂缝宽度存在相对较大的降低;扩展有限元方法避免了计算过程中的网格重构与网格加密,减少了计算量,该模型可以为页岩压裂设计提供理论指导.

基于颗粒流的页岩破裂机理试验研究

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了基于颗粒流的页岩破裂数值试验研究。根据页岩的岩石力学性质,采用并行PSO算法反演得到页岩颗粒细观力学参数,并基于PFC离散单元模型分别进行了预制2条裂纹下的巴西劈裂和水力劈裂数值试验,通过改变试验参数分析了裂纹相互作用对其扩展的影响。数值模拟发现:巴西劈裂试验预制裂纹夹角为30°和45°时,垂直裂纹扩展至倾斜裂纹时停止扩展转而从倾斜裂纹两端开裂并扩展,变形由弹性变形变为塑性变形;裂纹夹角为90°时,垂直裂纹贯穿水平裂纹,变形主要是弹性变形;水力劈裂试验中,预制裂纹夹角越小,倾斜裂纹越容易发生剪切破坏,垂直裂纹越趋于改变扩展方向,扩展路径越复杂。研究表明,裂纹倾角对页岩气藏水力压裂缝网的形态具有重要作用,岩体应变达到峰值后轴向应力-应变呈现先减小后增大的余弦波函数关系,且倾角越小压裂缝网越复杂。

基于并行PSO算法的岩石细观力学参数反演研究

用颗粒流方法(PFC)模拟岩石细观参数的校准过程主要采用反复试验,既依赖于经验又费时。提出了一种基于并行粒子群优化(PSO)算法的细观力学参数反演方法,该方法 PSO算法中微粒的适应值取宏观力学参数模拟计算值和试验值间的误差平方和,采用Open MP技术实现了PSO算法的并行计算。实例计算结果表明,以反演结果作为计算参数,宏观力学参数模拟计算值与试验值相比,相对误差普遍低于4%;敏感性分析表明,细观参数之间不独立,岩石宏观力学参数与细观力学参数之间存在高度非线性关系;计算效率分析表明,并行PSO算法是一种高效自动的PFC模型细观力学参数反演方法。

幂律型压裂液对裂缝扩展影响的数值模拟

水力压裂作为油气藏增产的重要措施,压裂液的流变性质对裂缝扩展形态起着重要作用。为探寻幂律型压裂液对裂缝扩展的影响,建立了考虑岩石变形和裂缝幂律流体流动的二维非均质油藏水力裂缝扩展数学模型,分别采用扩展有限元和标准有限元法求解应力场和流场,并通过迭代法将两场耦合起来。通过与经典模型计算结果比较,证明了模型能准确地预测裂缝扩展形态。参数敏感性分析表明:岩石弹性模量的非均质越强,越容易形成短、宽型水力裂缝,而泊松比的非均质几乎没有影响;幂律流体流性指数越大,越容易形成短、宽型水力裂缝;幂律流体稠度系数越大,越容易形成短、宽型水力裂缝。该模型可为压裂设计和预测提供理论指导。

页岩气藏水平井分段多簇压裂与流动数值模拟

为探究页岩气藏水平井压裂参数对产气量的影响,开展了分段多簇压裂与流动的数值模拟研究。裂缝扩展模型考虑应力阴影作用,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量。耦合井筒和裂缝中流体流动,并采用牛顿迭代法求解;考虑页岩气的黏性流、Knudsen扩散和吸附解吸,采用离散裂缝模型对压裂后页岩气的流动进行了求解。模拟结果表明:多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,两侧裂缝偏离最大水平主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;随着水平井压裂段数增加,累积产气量增加,但增加幅度逐步降低;至于压裂段,三簇压裂比两簇压裂累积产气量高;裂缝间距越大时,累积产气量越高。

非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展趋势

非常规油气藏具有岩石致密、孔隙度和渗透率极低、孔隙类型具有多尺度性、强非均质性以及储量丰度低等地质特征,通常采用水平井和大规模"超级"分段压裂的井工厂模式再造一个缝网发育的"人工油气藏"而实现集约化高效开发。本文从高效开发的角度阐述了非常规油气藏开发过程中的工程科学问题:(1)考虑应力场和储层孔隙类型多尺度的地质建模问题(初始建模和压后二次建模);(2)非常规油气藏的裂缝扩展数值模拟问题;(3)非常规油气藏的生产数值模拟及其大规模数值计算;(4)井工厂中水平井和压裂裂缝空间位置的优化设计方法。结合课题组(中国石油大学油气渗流中心)的研究特色。综述了这些工程科学问题的发展现状和趋势,提出了基于非常规油气藏地质模型和数值模拟的井工厂开发模式工程参数的优化设计方法,对非常规油气藏的科学高效开发具有重要的意义。

分段多簇压裂水平井产能计算及其分布规律

应用位势理论和叠加原理,考虑裂缝无限导流与有限导流2种情况,推导分段多簇压裂水平井的产能线性方程组并采用数值分析方法进行求解,得到每簇裂缝的产量及水平井总产量,并通过实例计算分析压裂水平井产能分布及裂缝参数对其影响。裂缝无限导流时,总产量随所有裂缝半长的减小明显下降,水平井两端的外侧裂缝对总产量贡献最高,同一段内的裂缝,中间裂缝对产量的贡献明显比两侧低;裂缝有限导流时,水平井两端的外侧裂缝对总产量的贡献减小,同一段内的裂缝,中间裂缝对总产量的贡献明显增大,但产量分布的总体规律与无限导流时相同;裂缝导流能力对产能的影响比较大,但两者之间并非线性关系;水平井分3段进行压裂、每段2簇即可保证较高产量,压裂设计时应尽量增加裂缝半长与导流能力,重点是水平井两端的外侧裂缝,裂缝导流能力存在最佳值。

常压页岩气地质工程一体化压后数值模拟研究--以DP2井区为例

页岩储层大规模压裂改造后水力裂缝形态以及压后复杂渗流机理和多种作用机制的相互作用是影响压后产能预测及页岩气井网部署的关键。基于地质工程一体化的工作流开展页岩储层水力压裂缝网建模和数值模拟研究,优化开发技术政策,实现经济效益最大化。利用建立的水力裂缝扩展模型模拟压后裂缝网络,该模型考虑水力裂缝间应力阴影、天然裂缝、地应力以及压裂液流动的非均质性,保证了模拟的水力裂缝更接近现场实际,在此基础上考虑气体复杂渗流机理开展压后数值模拟研究。实际应用结果表明:南川区块DP2井区水平应力差异系数小,压裂可形成复杂裂缝网络,水力裂缝在横向延伸方向上有效支撑较好,垂向上有进一步改进提产空间;考虑应力敏感结合经济效益评价,确定最优生产制度为6×10^(4)m^(3)/d,合理水平段长为2000 m。

一种新的注入井大孔道解释模型

砂岩油藏注水开发后期一般都会发育有不同程度的大孔道。为了有效识别大孔道发育程度,对后续调堵剂用量提供依据,在分析目前常用大孔道试井解释模型的基础上,提出了一种考虑大孔道与非大孔道区域相互耦合的注入井径向模型。通过调整反映大孔道发育状况的发育面积和发育倍数两个参数,分析不同发育程度下注入井井底压力变化特征;该模型可以快速再现关井前后压力变化过程和特点,符合矿场监测规律。结果分析表明,考虑窜流影响对井底压力影响明显,通过曲线拟合确定大孔道发育程度,在一个参数确定的情况下可以实现大孔道体积的定量化描述。研究成果对于大孔道治理有一定指导意义。

基于ADI-FDTD模拟的岩石核磁共振横向弛豫特征分析

将复杂的骨架-孔隙系统抽象成等效双孔介质,根据Bloch方程构建数学模型,用交替隐式时域有限差分(ADI-FDTD)和联合反演迭代法(SIRT)进行横向宏观磁化矢量的数值模拟与核磁共振T2谱的反演,定量研究扩散系数、弛豫速率、孔隙组分比和孔隙宽度对核磁响应的影响.结果表明:横向宏观磁化矢量衰减速率与扩散系数和微孔隙分量成正比,与孔隙宽度成反比,与表面弛豫速率基本无关.当扩散系数较大、孔隙宽度较小时,核磁共振T2谱难以直观反映孔隙组分及孔隙结构.应用核磁共振评价孔隙结构时需特别注意扩散系数和孔隙尺寸的影响.

页岩气藏开发中的关键力学问题

简要概述了页岩气资源和开发现状,基于页岩储层的微纳尺度孔隙结构特征、力学特点以及开采方式,系统论述了页岩气开发中的多尺度、多物理场流动动力学的过程与机制,归纳凝练出页岩气微纳尺度流动、页岩人工压裂的裂缝扩展以及分段压裂水平井缝网宏观流动等方面是亟需解决的关键前沿力学问题,并针对各前沿关键力学问题综述了研究进展和发展趋势,为促进我国能源发展尤其是页岩气的科学、有效开发具有重要的意义.

深层油气藏开发中的关键力学问题

我国油气资源的分布格局表明:浅层和中浅层的勘探开发程度较高,但深层和超深层探明程度仍很低,是我国今后增储上产的主要阵地."三高"环境(高温、高压和高应力)是其主要特点,也是勘探开发面临的难题.目前,关于深层油气藏的研究仍局限于油气成藏动力学,亟需开展深层油气藏开采中的关键力学问题研究.对此,本文首先概述了深层油气资源和开发现状,随后基于深部地层的高温度、高压力、高地应力储层特征,系统论述了深层油气开发中的多物理场耦合流动动力学的过程与机制,归纳凝练出深层岩石力学特性、深层人工压裂的弹塑性裂缝扩展以及深层油气藏热流固耦合渗流等方面是亟需解决的关键前沿力学问题,并针对各前沿关键力学问题综述了研究进展和发展趋势,对促进我国深层油气资源的高效开发具有一定的指导意义.

深层油气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟

深层油气藏水力压裂过程中的岩石变形,不仅要考虑弹性变形还要考虑塑性变形的问题,以往的裂缝扩展数值模拟都没有考虑塑性变形.文章基于Drucker-Prager屈服准则和相关联的流动法则建立了弹塑性水力裂缝扩展的数学模型.模型使用润滑理论描述裂缝内流体流动,耦合岩体变形,采用内聚力模型对裂缝扩展过程进行描述.基于有限元方法编制了数值求解器,通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型和算法的正确性.研究结果表明:相比于弹性水力裂缝,在流体注入量相同时,弹塑性水力裂缝长度短,裂缝宽度大,扩展时需要更高的流体压力.由于塑性应变的存在,缝内流体返排后,弹塑性水力裂缝不会完全闭合.随着岩石摩擦角的增大,弹塑性水力裂缝的宽度减小,所需流体压力增大.相对于理想弹塑性,硬化岩石介质中的水力裂缝宽度较小,所需流体压力较大.

碳酸盐岩油藏酸岩反应流动模拟研究进展

酸岩反应流动模拟可用于指导油藏酸化施工,优选注入参数,从而以最小的成本最大程度地改善地层.国内外很多学者基于不同的方法建立了不同的模型对碳酸盐岩油藏酸岩反应流进行了研究,但这些模型尚缺乏科学的归纳与整理.以研究对象的空间尺度为依据,将现有的碳酸盐岩油藏酸岩反应流模型分为孔隙尺度模型、岩心尺度模型及井筒尺度模型,简要概括了每类模型的适用条件及其在应用中的局限性.结合本课题组在酸岩反应流模拟方面所做的工作,重点论述了岩心尺度模型的最新研究进展和发展趋势,给出了岩心尺度模型下一步的研究方向,主要包括:建立更接近地层实际的数学模型,如考虑酸化过程中存在的非达西流和地应力的影响;发展高效的数值算法,将模型的计算区域扩大到油藏尺度;将岩心尺度模型进行尺度升级,得到可以指导油藏酸化施工的优化参数.