不同注液速率水力压裂多裂缝扩展规律研究

为了分析影响水力压裂效果的射孔参数,采用TCHFSM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,并配合声发射监测系统和高温-高压动态流量计,以均质水泥砂浆试件为研究对象,对不同注液速率下水力压裂多裂缝同步扩展规律进行研究。研究结果表明:随注液速率增大,射孔裂缝长度和宽度不同程度增加,缝间干扰程度减弱,应力阴影效应减小,射孔间距较大时裂缝扩展更加均衡,压裂效果更佳;随注液速率增大,射孔水力压裂裂缝起裂压力增大,起裂时间变短,受射孔间距影响较小;不同注液速率条件下各射孔注液流量分配差异显著,且受射孔间距影响明显,射孔间距为20 mm和60 mm时,中部射孔注液流量占比分别为7.31%、10.88%、16.12%和31.12%、32.69%、33.44%。

不同岩石多裂缝扩展规律研究

为了研究不同岩石力学性能下多裂缝扩展规律,考虑流体流动对裂缝扩展以及岩石变形的影响,基于扩展有限元方法,建立水力压裂裂缝垂向扩展的数学模型,得到了多裂缝在不同力学性质岩石扩展过程中注入压力、注入点宽度、裂缝偏转度的变化规律,以及裂缝间距在不同岩石中的影响规律。结果表明,随着岩石弹性模量和抗拉强度的增强,相同压裂时间下的裂缝扩展长度增加,孔隙压力增加;岩石等效位移随着岩石弹性模量和抗拉强度的降低而增加,与裂缝数量呈正相关,并且随着裂缝数量的增加,岩石等效位移增加的趋势更明显;随着岩石弹性模量和抗拉强度的增强,裂缝间距对注入点孔隙压力的影响并不明显。当裂缝之间的间距增大到一定程度,裂缝间应力干扰作用减小,裂缝不发生偏转。该研究对不同岩性下水力压裂施工工艺簇间距的优选具有一定的借鉴意义。

基于能量守恒的半解析半数值多裂缝扩展模拟方法

为研究水平井在进行水力压裂时的裂缝扩展机理,将无量纲近似解与能量守恒相结合,建立一种半解析半数值的多裂缝扩展模拟新方法,并开发高精度和高效率的裂缝扩展程序C5Frac。使用该方法分别针对单裂缝和多裂缝扩展进行模拟,并使用隐式水平集算法(implicit level set algorithm,ILSA II)进行对比验证。结果表明:单裂缝扩展时,C5Frac计算得到的裂缝半径、缝口宽度和进液效率与参考解的误差均在1%以内;多裂缝扩展时,C5Frac计算得到的裂缝半径、缝口宽度和缝内流量与ILSA II非常接近,裂缝总面积与ILSA II的误差保持在5%以内,且运算效率得到明显提高。该模拟方法可以在保证结果准确性的同时大大减少计算时间,可为多裂缝扩展数值模拟研究提供新思路。

水平井分段压裂平面三维多裂缝扩展模型求解算法

针对多层油气藏水平井分段多簇压裂设计问题,提出平面三维多裂缝扩展模型高效解法。采用三维边界积分方程计算固体变形,考虑井筒-射孔-裂缝耦合流动及缝内流体滤失。利用显式积分算法求解流固耦合方程,根据尖端统一解析解和最短路径算法计算裂缝扩展边界。方法的准确性通过与径向裂缝解析解、隐式水平集算法和有机玻璃压裂实验对比得到全面验证。与隐式水平集算法相比,新算法计算速度大幅提高。以浙江油田页岩气水平井为例,重点分析了平面应力分布、射孔数分布等对多簇裂缝扩展与进液的影响。研究表明,减小单簇射孔数可以平衡簇间应力非均质分布的影响;调整各簇射孔数量可以实现均衡进液,各簇射孔数差别应控制在1~2孔;增加高应力簇的射孔数有利于均匀进液,但进液均匀并不等于裂缝形态一致,裂缝形态受应力干扰和层间应力剖面共同控制。

致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响

为了研究致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响,采用300 mm×300 mm×600 mm天然砂岩进行真三轴水力压裂实验,实验过程中采用2套压裂液注入系统分别独立控制2条水力裂缝,实验后将试件连续切片分析实验结果,同时采用三维流固耦合数值模拟方法研究孔隙压力场对水力裂缝扩展的影响。结果表明:在致密砂岩压裂中,由于孔隙压力场的存在,无论是簇内裂缝还是簇间裂缝扩展,当缝间距与裂缝半长的比值较小时,裂缝之间表现为相互吸引;当缝间距与裂缝半长的比值较大时,裂缝之间的相互影响较弱,多裂缝之间未出现相互排斥现象;除缝内净压力、缝间距、应力差外,裂缝周围孔隙压力场也是影响多裂缝扩展的重要因素;孔隙压力的增大减小了有效应力,岩石更容易发生剪切破坏,从而加速了裂缝的非平面、非对称双翼扩展;现场致密砂岩多段分簇压裂应增大簇间和簇内射孔间距,可避免压裂液滤失导致裂缝长度的减小,增大储层的改造体积。

考虑射孔孔眼磨蚀对多裂缝扩展的影响规律

我国非常规油气资源丰富,压裂技术是其开发的重要手段,其中极限限流压裂技术是促进水平井压裂段均匀改造的关键技术,但井下监测表明射孔孔眼动态磨蚀严重,制约了工艺应用效果。为了解决射孔孔眼动态磨蚀带来的多裂缝扩展形态不确定性影响,提高现场工艺实际应用效果,在水平井多裂缝竞争扩展模型基础之上耦合孔眼动态磨蚀模型,然后根据实际井下射孔成像数据校正数值模型,研究了孔眼磨蚀作用下多裂缝扩展行为以及限流射孔参数优化方法。研究结果表明:(1)孔眼磨蚀作用将显著增大孔眼直径和流量系数,迅速降低射孔摩阻,加剧各簇流量分配和多裂缝扩展的非均匀程度;(2)段内应力均匀分布时,孔眼磨蚀作用随着限流作用增强而增加;(3)段内应力非均匀分布时,高应力簇裂缝扩展容易受到抑制作用,考虑孔眼磨蚀作用后将进一步加剧各簇裂缝流量分配的非均衡程度,甚至导致高应力簇裂缝停止进液,裂缝不能充分扩展。结论认为,研究结果对孔眼动态磨蚀机理研究以及改进压裂工艺设计具有重要理论和现实意义,有助力我国非常规气油气的高效开发。

水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变演化机理

在平面三维多裂缝扩展模型基础上,构建了压裂监测井光纤应变与应变率的计算模型,提出了水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变正演计算方法。基于该方法,开展了水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变与应变率数值模拟分析,结果表明,裂缝扩展诱发光纤应变演化可分为应变增强、收缩汇聚和直线状汇聚3个阶段;应变率演化可分为应变率增强、收缩汇聚、直线状汇聚、停泵应变率反转4个阶段。光纤应变停泵后不变,但应变率会出现反转,光纤应变率反转可反映注入动态;根据分布式光纤应变与应变率的直线状汇聚带,可判断裂缝扩展至光纤的时刻与井间压窜,同时可依据各簇裂缝扩展到光纤监测井的时刻识别多裂缝非均匀扩展现象,评价裂缝非均匀扩展程度;光纤监测井水平段位于裂缝高度范围内时,可识别裂缝延伸至光纤的时刻,而光纤监测井水平段位于裂缝高度以外时,汇聚条带不明显;多段压裂施工中,受上一压裂段应力干扰的影响,后续压裂段的光纤应变可能不再出现压裂初期的张应变区域,但光纤应变率动态可有效呈现每一段压裂裂缝的扩展动态,单段压裂的光纤应变率演化规律适用于多段压裂。

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学和有限差分法的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。

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。

多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统研制及验证

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,为真实模拟多簇压裂过程,了解段内多裂缝扩展规律及相互干扰机制,研制多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统。该试验系统在已有大型真三轴水力压裂试验系统的基础上设计多通道压裂井筒、复合包裹层状人工试样,增加多簇分流与监测系统、应变监测系统,具体特点如下:(1)多通道压裂井筒可设置若干个相互独立的射孔簇起裂位置,并确保各射孔簇位置充分起裂扩展;(2)综合考虑试验机容许最大试样尺寸、裂缝扩展路径最大化、缝间应力干扰、裂缝起裂扩展后的压力保持、层理影响等因素,制备边长500 mm的复合包裹层状人工压裂立方体试样;(3)多簇分流与监测系统能够对各簇通道瞬时流量、压力、累积注入体积实时监测,有助于了解各簇通道间的流量竞争及分配机制;(4)应变监测系统可实时监测记录压裂过程中各射孔簇及裂缝扩展路径周围岩体的变形特征,能够进一步探究水力裂缝的断裂行为;(5)该系统不仅能够模拟多簇裂缝起裂与扩展,也能够选择性关闭充分进液扩展的若干通道,模拟现场初次压裂后投球暂堵再次压裂的工艺。开展的真三轴多簇压裂试验验证了该系统的有效性,试验结果表明,后续起裂的射孔簇破裂压力呈逐渐增大的趋势,改造面积呈减小的趋势。该试验系统的研制为研究分段多簇压裂技术提供了新方法,可推进对多簇水力裂缝起裂与扩展规律及缝间应力干扰机制的深入研究。

水力压裂裂缝应力场变化规律

水力压裂过程中裂缝周围应力场对裂缝的转向、扩展有重要影响,研究裂缝周围应力分布影响因素对压裂参数优化设计具有指导意义。基于裂缝扩展有限元方法,建立了裂缝扩展的数学模型,利用Abaqus软件研究了不同裂缝倾角(裂缝与最小水平主应力方向夹角)、主应力差(最大水平主应力与最小水平主应力之差)对裂缝壁面正应力和剪应力的影响;不同射孔角度(射孔方向与最小水平主应力方向夹角)对裂缝延伸轨迹和裂缝壁面剪应力、切向位移的影响;不同射孔簇间距对裂缝几何形态、剪应力、孔隙压力的影响。研究表明:当裂缝倾角增加时,裂缝壁面的正应力逐渐减小,剪应力呈先增大后减小的趋势,且在裂缝倾角为45°时达到最大;当裂缝倾角不变时,裂缝壁面正应力和剪应力随主应力差的增加而增加;裂缝转向半径随着射孔角的增加而减小;在主应力差高于6MPa时,45°射孔角有利于裂缝入口岩石产生剪切破坏;在多裂缝同时扩展过程中,当裂缝间距减小时,应力干扰区域内的剪切应力逐渐变大、裂缝周围流体分布逐渐减少;对于高应力差储层改造,采用缩小簇间距和45°方向射孔的密切割射孔方式有利于岩石产生剪切破坏。