裂缝性页岩储层水力压裂多簇裂缝扩展的FEM-DFN数值模拟

为有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝的随机扩展并准确描述其拉张、剪切和混合损伤行为,建立渗流-应力-损伤耦合的裂缝扩展有限元-离散裂缝网络模型,并通过黏性主导的解析模型进行验证。研究不同天然裂缝逼近角、簇间距、水平应力差和压裂泵注排量下的多簇裂缝扩展数值模拟,探讨天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机制。研究表明:(1)水力裂缝与天然裂缝主要存在水力裂缝穿过天然裂缝、水力裂缝开启天然裂缝和水力裂缝被天然裂缝阻止3种相互作用机制;(2)随逼近角越大,天然裂缝越容易使水力裂缝扩展方向发生偏转甚至阻止水力裂缝扩展;(3)簇间距、水平应力差和泵注排量的提高均能在一定程度上促进多簇裂缝扩展的均匀程度。本文模型能更加准确地描述水力压裂多簇裂缝的扩展行为,可为裂缝性页岩储层的水力压裂数值模拟提供新手段。

非均匀应力场影响下的裂缝扩展模拟及投球暂堵优化

水平井投球暂堵是实现致密油气藏压裂段均匀改造的关键技术,但目前针对压裂施工中实施不同投球暂堵工艺措施后多簇裂缝扩展形态的研究成果却较少,致使现场投球暂堵工艺措施的制订缺少相关的理论支撑,影响了该工艺在压裂施工现场的应用效果。为此,基于边界元方法建立了水平井"井筒-孔眼-裂缝扩展"全耦合模型,提出了暂堵球分配的计算方法,进而模拟在初始非均匀应力场条件下进行段内暂堵转向时暂堵球的投球数量、投球时机、投球次数及其对多簇裂缝扩展的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,射孔孔眼摩阻的限流作用会平衡诱导应力干扰带来的进液量差异,使得各簇裂缝中流体流动受到的阻力差距缩小;(2)当考虑初始应力场非均匀分布的影响后,各簇裂缝进液量发生明显的变化,高应力区域甚至出现不进液的无效射孔簇,而实施投球后,无效射孔簇会产生新的裂缝;(3)当初始最小水平主应力差(△σh)超过3 MPa时,在施工中期适当增加投球数量(大于单段总射孔数的一半),或者在中前期进行投球暂堵(包括在中前期分批次投球),有利于降低各簇裂缝的非均匀扩展程度;(4)当初始△σh低于2MPa时,应减少投球数量或在施工中后期投球,否则会加剧各簇裂缝的非均匀扩展。

煤层顶板水平井穿层压裂适应性数值模拟

中国煤层气资源丰富,但煤层物性差、开发难度大,压裂是实现煤层气有效动用的关键技术之一。由于煤层强度低、易破碎、易坍塌,不利于后续压裂改造,煤层顶板水平井压裂技术为软煤层煤层气开发提供了新的思路。然而,目前适合上述压裂工艺的有利地质条件不明晰,水平井离煤层顶面距离、簇间距等参数的确定尚缺乏理论依据。为此,基于平面三维多裂缝扩展模型,同时考虑层间垂向断裂韧性及滤失非均质性,建立了煤层顶板水平井分段多簇压裂裂缝扩展数学模型。研究结果表明:①煤层为相对低地应力时,压裂裂缝沟通煤层的效果好,压裂效果较为理想,而煤层为相对高地应力时,压裂效果则较差;②水平井与煤层顶面距离对穿层压裂效果有重要影响,特别是在“低—高—低”地应力组合剖面下,为获得理想的压裂效果,建议水平井与煤层顶面距离在4 m以内;③地应力组合剖面是压裂效果的关键控制因素,煤层断裂韧性、滤失系数为次要控制因素。结论认为,该研究成果为我国煤层气有效动用和效益开发提供了理论支撑。