准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩细观变形破坏数值模拟

我国西部准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩致密油资源丰富。因砂砾岩储层中含有众多成分及强度大小不一的砾石,导致砂砾岩力学特征受砾石的形状、尺寸及物性影响较大,进而影响砂砾岩油藏的压裂裂缝复杂程度和压裂改造效果。鉴于此,针对准噶尔盆地百口泉组砂砾岩储层特征,建立了随机不规则多边形砾石的生成方法,并基于颗粒离散元法建立了砂砾岩力学数值模型,研究了典型砾石含量和分布对砂砾岩细观力学特征的影响机理。砂砾岩变形破坏数值模拟结果表明:低强度砾石对裂缝延伸的屏蔽作用较弱,裂缝大多呈“穿砾”模式,而高强度砾石对裂缝的屏蔽作用较强,裂缝更多呈“绕砾”模式;围压增加,岩石抗压强度明显增加,峰值应变能及滑移能也呈线性增加,且应变能增长显著;含不同砾石组合的砂砾岩储层中,剪切微裂缝数量随围压的增加而增加,且具有线性特征关系,高围压下含高强度砾石的砂砾岩具有更显著的塑性及延性特征,且存在明显的二次破坏现象;随低强度砾石的减少或高强度砾石的增加,砂砾岩的弹性模量增大,且抵抗变形能力增强,而不同砾石组合情况下,围压对砂砾岩弹性模量的影响较小;砂砾岩宏观破坏带的形成发育过程很大程度受控于内部细观结构,且受围压、砾石类型(力学强度)等的影响较大。

裂缝性页岩气储层三维多簇水力裂缝竞争扩展数值模拟

页岩气水平井多簇水力裂缝延伸效率是影响压裂效果的关键,现场监测发现大量射孔簇无法进液、多簇非均匀起裂扩展问题突出,深入认识三维空间中天然裂缝对多簇水力裂缝竞争扩展的影响规律具有重要意义。为此,基于离散格子方法建立三维全耦合随机裂缝性页岩储层三簇压裂数值模型,精细刻画多簇水力裂缝竞争起裂、扩展以及天然裂缝相互作用的全过程演化规律,研究地应力差、簇间距、压裂液黏度及排量等参数影响下多簇水力裂缝扩展行为,提出多簇延伸效率的施工对策。结果表明:水力裂缝与天然裂缝相遇时表现为穿透、转向、分叉等单一或多种复合模式;天然裂缝网络会加剧多簇裂缝竞争扩展时的应力阴影效应,中间受到抑制的射孔簇容易沿天然裂缝转向或者分叉并与其他射孔簇发生融合,降低整体改造面积;地应力差越小、簇间距越小,缝间应力干扰越明显,裂缝延伸规模越小;增大压裂液黏度或排量,中间簇水力裂缝受应力干扰程度减弱,延伸距离更远,建议现场在前置液阶段适当提高压裂液黏度、在主压裂阶段增大排量,以提高多簇水力裂缝的延伸效率。研究成果可为页岩气储层射孔分段以及压裂参数优化设计提供指导。

低渗透油藏储层多尺度裂缝的建模方法研究

低渗透油藏储层中流体的流动是一个横跨致密基质、天然裂缝、水压裂缝、井筒的典型多尺度力学行为明确油藏储层中裂缝的尺度分级,建立精确的低渗透储层多尺度裂缝模型,探究多尺度之间的级联耦合作用过程和内在联系,是低渗透油藏渗流研究的关键,也是实现超低渗透油藏有效开发的重要理论基础。根据复杂学科的多尺度关联方法及油藏多尺度裂缝建模的相关文献资料,明确提出了油藏中多尺度裂缝的尺度分级标准,总结归纳了多尺度关联方法和低渗透油藏储层多尺度裂缝模型,分析了按连续介质思想和离散介质思想构建的几种代表模型的优劣。在此基础上,提出了储层裂缝多尺度建模的建议,并指出了低渗透油藏多尺度裂缝建模研究的趋势。

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。

页岩层理弱面对裂缝穿层扩展的影响数值模拟研究

层理弱面是影响页岩油气水力裂缝穿层扩展的关键因素之一,而层理弱面强度主要由黏结强度、内摩擦角以及抗张强度决定。为探究层理弱面对水力裂缝穿层扩展的影响机理,基于三维块体离散元法建立了含层理弱面页岩压裂数值模型,研究了黏结强度、抗张强度以及内摩擦角对水力裂缝穿层和裂缝扩展形态的影响。数值模拟结果表明:层理黏结强度对水力裂缝穿层扩展存在显著影响,黏结强度较低时水力裂缝主要为横向扩展,并伴随着较大的层理激活程度;而高黏结强度下水力裂缝穿层能力较强,主要呈近圆形扩展;层理激活主要为剪切破坏,即层理抗张强度对水力裂缝扩展无明显影响,在实际工程中可忽略不计;水力裂缝的穿层能力随内摩擦角的增大而增强,在低内摩擦角下水力裂缝易沿层理扩展。

裂缝扩展与输砂动态耦合的缝内支撑剂铺置特征

裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合是目前水力压裂数值模拟技术面临的挑战之一。为了探究页岩动态裂缝缝内支撑剂铺置特征,基于三维离散元方法,建立考虑层理的页岩储层裂缝扩展与支撑剂运移动态耦合数值模型,分析了不同支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度和支撑剂注入方式下的裂缝扩展与支撑剂铺置规律。研究表明:粒径越小,支撑剂铺置范围越广,铺置越均匀,粒径为150μm的支撑剂的铺置面积与铺置效率是粒径为600μm的支撑剂的1.8倍;支撑剂密度不是影响裂缝扩展和支撑剂运移的主要因素;压裂液黏度越高,裂缝面积和铺置面积越小,铺置效率越高,黏度从1 mPa·s增至15 mPa·s,裂缝面积减少45%,铺置面积减少34%,铺置效率增大12%;支撑剂注入方式为阶梯注入时,压裂液造缝与携砂效果最好。该研究成果可为页岩储层有效改造提供理论指导。

射孔模式对水力压裂裂缝起裂与扩展的影响机制研究

高效射孔技术为油气开发的降本增效提供重要的技术支撑。由于孔眼周围应力场分布的复杂性,以及有效的模拟研究手段较少,射孔条件下水力裂缝起裂延伸机制认识仍不明晰。首先建立一种在室内条件射孔与压裂工艺联作的实验模拟方法,实现了大尺度岩石样品(762 mm×762 mm×914 mm)的射孔与压裂模拟实验,同时通过三维离散格子模拟方法建立等尺度射孔水力裂缝起裂扩展全三维数值模型。通过物模与数模相结合研究,直观揭示不同射孔模式下的裂缝起裂规律。结果表明:受层理和地应力场影响,射孔孔眼周围的裂缝起裂形态复杂;增加射孔深度可明显降低裂缝起裂压力和延伸压力;相比螺旋射孔模式,定面射孔模式可明显降低近井区裂缝起裂形态的复杂程度,提高孔眼进液效率,裂缝延伸压力降幅可达25%,有利于后期加砂压裂的平稳性。长7储层的现场试验表明,定面射孔策略显著降低施工起裂压力和延伸压力,降幅分别为21%和14.2%,展示出了良好的应用前景。