基于FrackOptima的PKN型水力裂缝数值模拟分析

使用FrackOptima全三维水力压裂软件模拟计算了PKN型水力裂缝在存储效应主导条件下和滤失效应主导条件下的扩展过程。该软件首先使用边界元素进行离散化网格划分,然后通过边界元算法进行数值模拟。将数值计算结果和相关参数条件下的PKN模型半解析解进行对比。结果表明,在缝高方向上仅设置5个元素的条件下,数值计算结果就能够和半解析解较好地吻合,最大误差不超过10%。研究结果验证了该软件的精度和效率,为进一步使用该软件进行水力压裂实际方案的优化提供了理论基础。

基于PKN模型的压裂裂缝延展参数计算及分析

油田现场水力压裂前期设计常采用直观快捷的PKN模型,该模型假设裂缝空间分布为一均匀的椭球体。基于PKN模型理论公式,将研究区实际压裂参数作为输入,建立压裂缝长的迭代计算方法,并针对两口现场井的典型均质层和非均质层,实现压裂缝长的预测计算。通过构建岩层渗透率非均质参数,利用微地震实测压裂缝长数据,研究储层非均质性对裂缝两翼缝长的影响关系,指出岩层的非均质系数越大,裂缝两翼延展的不对称性越强。研究发现,由岩层非均质参数可以估算实际压裂缝长与预测裂缝长之间的最大偏差,该结果可以很好地修正实际压裂前期设计中PKN模型的预测结果,有效地提升压裂施工工艺的成功率。

KGD、PKN和修改的P3D水力压裂设计模型的计算与对比

水力压裂设计的模型建立和模拟计算对压裂施工有着重要的意义。对矿场最常用的2种二维水力压裂设计模型(KGD、PKN)和拟三维模型(P3D)进行了分析,对拟三维模型进行了一些修改以得到真正的三维结果。并通过使用MATLAB脚本语言编制程序求解KGD、PKN和修改的P3D模型,利用MATLAB方便的三维图形绘制工具将结果可视化展示。对比3种模型的结果得出结论:拟三维压裂模型相比二维的KGD、PKN模型能反映出更多的裂缝信息;修改的拟三维模型相比三维模型更能真实地反映压裂施工的实际情况;PKN模型和KGD模型在内在力学机理上有着显著的差别,但是在某些相似的条件下(不考虑滤失的情况)所得到的结果在趋势上是一致的;修改的拟三维模型中,裂缝在缝长方向由半圆形变成半椭圆形,在缝宽方向上这个趋势不明显。该计算模型与结论对水力压裂数值模拟的深度研究具有指导意义。

CDM-PKN压裂模型研究

现场实践表明,高裂缝内净压力、不规则的施工压力剖面和裂缝高度延伸等,都与传统的二维压裂模型预测结果相差较大,且传统的二维压裂模型无法解释异常高施工压力。施工压力预测的部分难题可以通过修改基本模型或修正压力下降方程来解决,但其根本原因是线弹性断裂力学(LEFM)采用的裂缝延伸法则自身存在不足。连续损伤力学(CDM)理论可以解决基于线弹性断裂力学理论模型本身存在的矛盾,既能解释净压力,也能有效预测宽短裂缝。通过引入Kachnoanov参数和微裂隙之间的平均距离,并将线弹性断裂力学与连续损伤理论结合,建立CDM-PKN模型,能够有效解释异常高施工压力,既可以解释实际施工压力剖面,也能够预测裂缝长度、宽度和流体效率。CDMPKN模型充分应用了CDM理论的优点,可以用来解释裂缝高度的移动和水力压裂中的相关现象。

裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征分析

为分析裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征,基于等效平面裂缝思想和PKN模型,建立裂缝性地层水力裂缝延伸数学模型及求解方法。模拟计算表明:水力裂缝沿天然裂缝转向延伸时,缝宽在转向延伸段明显减小,在延伸路径上表现为非连续变化特征;受转向延伸段缝宽减小对流体流动的节流作用,转向延伸段的流体压力梯度增大,导致井底施工压力升高;水力裂缝沿天然裂缝转向延伸距离越长或转向延伸次数越多,则井底施工压力上升幅度越大。本文模型为分析裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征提供了手段,为裂缝性地层水力压裂工艺参数设计提供了理论依据。

基于施工压力曲线的综合滤失系数测试方法及压裂参数优化

在水力压裂施工中,压裂液的滤失性质直接影响压裂液的工作效率,从而影响形成的水力裂缝几何尺寸和导流能力,故准确地测试施工过程中压裂液滤失情况对评价改造效果很重要。以大牛地某气井压裂为例,在二维裂缝扩展模型(PKN)下,利用该模型的净压力公式建立施工压力计算模型,计算施工过程中的施工压力曲线,最后通过计算的施工压力曲线与实际施工压力曲线反演获取压裂液综合滤失系数。研究结果表明,该井施工中压裂液综合滤失系数为0.1 mm/min^(0.5),利用该反演结果,采用统一压裂设计(UFD)方法优化主要的压裂施工参数,优化后,前置液量为490 m^3,施工排量为9 m^3/min。该方法反演效果较好,利用该方法可为判断压裂施工效果和优化施工参数提供一定依据。

地热水在矿山深部岩体单一裂隙中的渗流规律分析

选取PKN模型进行岩体裂隙地热水对流换热量的研究,计算了地热水在裂隙内的对流换热量,通过将裂隙截面展开求解对流换热面积,根据牛顿冷却定律计算得出对流换热量;由裂隙张开度的变化量计算岩体裂隙的渗流量,结果表明,在三维应力一定的条件下,岩体裂隙内地热水的渗流量随裂隙倾角变化而变化。从矿山中选取典型岩样进行加工,使之成为200 mm×100 mm×200 mm的标准岩样。试验结果表明,在裂隙倾角α=0°的情况下,裂缝的渗流量随β增加逐渐减小,并且在随β增加到90°的过程中趋于稳定,表明岩体裂缝为水平裂缝时渗流量最小,维持在一个稳定值;在α=90°的情况下,裂缝的渗流量随β增加逐渐增大,在β增加到90°的过程中,裂缝慢慢变为垂直裂缝,渗流量的变化也趋于缓和,增加到一个稳定值。

水压致裂原地应力测量流体力学因素的理论分析

水压致裂原地应力测量技术的在各行业都得到了广泛的应用,对于提高该方法测量精度的需求日益突出。本文通过梳理水压致裂技术的发展历程,总结出原地应力测量过程中受到流体力学因素的影响,包括流体速率、水力摩阻、粘度、密度和压缩性等五个方面。同时基于KGD和PKN模型,对水压致裂原地应力测量过程中的流体速率和粘度流体力学因素作了理论公式和赋值分析,发现裂缝长度和孔内压力随粘度增高而增大;裂缝长度随速率的增高而增大;因使用条件不同,不同的模型表现出的孔内压力与速率的关系存在差别。通过两种破裂力学模型对流体力学因素进行理论分析,为水压致裂原地应力测量的流体力学影响因素分析提供了借鉴意义。

致密油储层压裂后渗透率预测模型

致密油储层渗透率、自然产能双低的特点决定了开发致密油时,多采用大型水力压裂改造提高储层渗透率、初始产量以及最终采收率,其中压裂后储层渗透率是评价水力压裂效果和单井产能的重要参数。目前对于考虑多因素影响的致密油储层压裂后渗透率理论计算模型的研究尚有不足,大多利用实验测定或者试井测定,这类方法成本较高且操作较复杂,为此文章基于压降试井测试原理,以压裂施工曲线为基础,考虑压裂液漏失和裂缝扩展综合影响,建立了致密油储层压裂后渗透率预测数学模型,可以直接利用压裂施工数据计算出压裂后的渗透率。由于数学模型较复杂,可利用MATLAB软件通过差分离散迭代进行求解。以陆上某地区实际压裂数据为依据,经过计算分析表明,模型计算压裂后渗透率与试井解释渗透率较接近,而试井渗透率为储层有效渗透率,说明文章模型计算结果可信。进一步分析可知,模型的原理和试井原理相同,不同之处在于试井解释软件无法计算考虑压裂液漏失和裂缝扩展综合影响的致密油储层压裂后渗透率,而且试井解释软件需要的参数是要进行试井测试录取资料得到,而文章计算模型只需要在压裂过程中录取压裂施工数据即可,可以节约试井作业时间和成本,在实际矿场具有实用性。计算结果为致密油储层在压裂后的压裂效果评价、产能预测等提供了参考依据。