深层页岩压裂多级裂缝内支撑剂运移与分布规律

深层页岩天然裂缝与层理缝发育,经体积改造后易形成“主缝+支缝+次微缝”的多级裂缝结构,但受高垂向应力和高水平应力差条件的影响,深层页岩压裂裂缝开度极窄且主次缝开度差异较大。为了明确多级裂缝内支撑剂运移机制与分布规律,搭建了大型可视化支撑剂输送实验系统,研究了泵注排量、液体黏度、支撑剂粒径、支撑剂浓度、裂缝特征参数对支撑剂运移与分布的影响规律,最后基于水电相似原理计算了裂缝整体导流能力并开展了评价分析。研究结果表明:①缝内支撑剂存在多种堆积模式,其形成由流体对支撑剂的携带能力决定;②支撑剂分流效率受多种因素影响,增大排量与减小支撑剂粒径均可提高分流效率;③多级裂缝内,增大排量与压裂液黏度均在一定程度上改善了支撑剂非均匀分布,但裂缝导流能力表现为先增大后减小;④综合支撑剂分流结果与多级裂缝内支撑剂分布规律,推荐坚持“大排量+低黏度”泵注思想,以保证大粒径支撑剂占比,适当混合小粒径支撑剂,构建“近井区高导流+远井区有支撑”的高导流裂缝体。结论认为,基于含多级裂缝的大型可视化支撑剂输送实验系统,全面系统研究了不同条件下多级裂缝内支撑剂运移与堆积的模式,研究成果可为深层页岩压裂泵注工艺参数设计与优化提供理论支撑。

迂曲裂缝内支撑剂运移数值模拟

水力压裂后,储层形成较多的迂曲裂缝,支撑剂在迂曲裂缝中的运移和铺置规律尚不明确,在稠密颗粒流模型的基础上耦合颗粒物料仿真软件,模拟迂曲角度、支撑剂尺寸、注入速率、携砂液密度和支撑剂密度对迂曲裂缝中支撑剂运移和砂堵的影响。结果表明:大多支撑剂会堆积在裂缝第一转折角处,迂曲角度的变化会显著影响支撑剂的运移和砂堵的发生,迂曲角度大,容易发生砂堵且砂堵程度严重;密度大和粒径小的支撑剂发生砂堵时会形成致密的支撑剂堆积,加剧砂堵程度;注入速率大,支撑剂在裂缝中运移距离较远,但注入速度和携砂液密度的增加,会加剧砂堵程度。

粗糙裂缝内支撑剂运移与展布规律数值模拟

粗糙狭窄裂缝壁面造成水力压裂有效裂缝体积减小,极大地影响缝内支撑剂运移与铺置和压裂改造效果。为此,采用Matlab建立自相关高斯分布曲面,并结合分形理论识别分析裂缝粗糙面,采用计算流体动力学—颗粒元(CFD-DEM)双向耦合方法,建立了不同粗糙度的裂缝三维模型,分析了不同支撑剂粒径组合在不同粗糙度缝道内的沉积和运移过程及规律。研究表明:随着缝面由平滑向粗糙变化,支撑剂堵塞明显;在重力作用下小粒径支撑剂(粒径与缝宽比为0.3)具有出更好的运移能力,但难以保证近井端支撑效果;大粒径支撑剂(粒径与缝宽比为0.8)覆盖面积增加158.1%,堵塞于缝口附近,影响后续支撑剂向远处运移,推荐粒径缝宽比为0.4;对于组合粒径加砂方式,推荐采用“先小后大”的注入顺序,以保证支撑剂运移距离和效率。研究结果有助于更好地理解裂缝粗糙度对支撑剂在裂缝中运移的影响,对压裂设计及施工参数优化具有指导意义。

致密气藏水力压裂支撑剂运移影响因素数值模拟

致密气藏水力压裂裂缝中支撑剂的铺置形态直接影响裂缝的导流能力,进而影响压后产能。基于欧拉-欧拉方法,建立了CFD流体动力学数值模拟模型,分析了排量、砂比、支撑剂粒径和密度、组合加砂因素对支撑剂运移规律和铺置特征的影响。结果表明,在胍胶压裂液体系中,排量大于3.5 m^(3)/min、砂比高于25%后,支撑剂充填高度增长不明显;支撑剂密度对缝内支撑剂分布的影响较小;建议使用较小粒径的支撑剂,同时在组合加砂中适当提高小粒径支撑剂的加砂量,有利于裂缝中砂堤高度均匀,从而形成较大的铺砂面积。研究结果优化了压裂施工参数,为水力压裂加砂设计提供了重要指导。

体积压裂多分支裂缝支撑剂运移规律

为进一步明确体积压裂多分支裂缝内支撑剂的运移铺置规律,开展了不同裂缝形态、砂比、分支缝开启时机和不同粒径支撑剂注入顺序条件下的支撑剂运移模拟实验。研究表明,不同位置分支缝的逐级分流使分支后主缝砂堤高度增加,铺置长度减小。分支缝的流量是影响其充填的主要因素,分流作用使得远井分支缝流量小、充填情况较差。倾斜裂缝壁面对支撑剂施加减缓其沉降的摩擦力,提高支撑剂在裂缝纵向的分布。砂比增加可改善近井主缝和远井分支缝的充填并使主缝砂堤长度增加,由于缝高的限制,砂比提高到一定值后裂缝充填情况改善幅度减小。分支缝常开(持续扩展)时分支缝最终的支撑效果最好,但主缝铺置长度短,先关后开(后期扩展)的支撑效果优于先开后关(前期扩展)。不同粒径支撑剂顺序注入可增加主缝和分支缝的铺置长度,先小后大注入可改善近井裂缝充填,先大后小注入时近井裂缝充填情况不如先小后大注入时。

体积压裂低密度支撑剂运移模拟研究

低密度支撑剂在裂缝中的沉降速度较慢,容易随压裂液进入裂缝深处,可以大幅提高压裂后的增产效果,在压裂过程中得到了越来越广泛的应用。为研究体积压裂过程中低密度支撑剂在复杂裂缝中的运移规律,基于计算流体力学,建立欧拉-欧拉固液两相流模型,系统分析不同注入排量、压裂液黏度、注入砂比对支撑剂分布状态的影响。同时开展支撑剂动态运移实验与模拟结果进行对比,结果表明:数值模拟与物理实验所得规律相同,提高泵注排量和增大压裂液黏度可使支撑剂运移到裂缝更深处,增大注入支撑剂含量可有效提高裂缝中形成的砂堤高度,但当砂比增加到15%以上时砂堤平衡高度增长率变小,综合考虑经济性和压裂后的增产效果,现场压裂施工时选取泵注排量5 m^(3)/min,压裂液黏度10 MPa·s,砂比为10%储层改善效果较好。

非常规油气储集层粗糙压裂裂缝内支撑剂运移机理

基于分形插值理论建立了具有粗糙壁面裂缝的生成方法,同时考虑颗粒-颗粒、颗粒-壁面、颗粒-流体的相互作用,建立了基于计算流体力学(CFD)-离散单元法(DEM)耦合的支撑剂-压裂液两相流动模型。经实验数据的检验,证实该模型可以较好地匹配粗糙裂缝内支撑剂的运移情况及堆积过程。经多个方案的数值模拟研究表明:与光滑平板裂缝相比,支撑剂在粗糙裂缝内输送,壁面粗糙凸起会显著影响支撑剂的运移与沉降,裂缝模型的粗糙程度越高,裂缝入口附近的支撑剂颗粒沉降速度越快,其水平运移距离越短,越倾向于在裂缝入口附近堆积,并在较短时间内形成缝内砂堵。裂缝壁面粗糙度在一定程度上可控制流体的运移路径,改变支撑剂填充裂缝的方式,一方面粗糙壁面凸起抬升了支撑剂运移轨迹,使支撑剂流出裂缝,导致覆盖率减小;另一方面携砂液易在粗糙壁面凸起接触点附近发生转向流动,可在一定程度上扩大支撑剂覆盖范围。

井平台多井压裂裂缝扩展、支撑剂运移规律与参数优化

基于位移不连续方法和欧拉-欧拉法建立了井平台多井压裂模式下三维裂缝扩展与支撑剂运移耦合模型,以实际井平台参数为例研究了多井压裂裂缝扩展形态与缝内支撑剂铺置规律。研究表明:井平台压裂模式下裂缝起裂及扩展受段内、段间及井间等多种应力干扰的共同影响,裂缝展布形态具有各簇非均衡、两翼非对称以及跟端倾向等特征;裂缝形态及宽度对缝内支撑剂运移能力影响显著,支撑剂主要铺置在近井缝宽较大区域,而缝宽较窄处容易快速桥接形成高浓度砂堆,整体支撑剂铺置范围有限;增大井间距离有利于降低邻井干扰作用,促进两翼裂缝和支撑剂均匀展布,以储集层有效改造面积或者多裂缝扩展均衡程度最大为目标,井平台存在最优井间距离;降低簇间距离能够提升储集层改造程度,但簇间距离过低并不能有效增加缝内支撑面积;增大压裂段间隔时长有助于降低段间应力干扰,拉链压裂模式下段内各簇裂缝扩展和支撑剂铺置更加均衡。

高速通道压裂过程中支撑剂运移规律研究

高速通道压裂是近年在非常规致密油气资源开采中出现的新技术.为了研究高速通道压裂过程中支撑剂运移规律,基于CFD-DEM方法,建立高速通道压裂三维模型,首先对纤维柱的有无、纤维柱的排列方式和纤维柱尺寸对高速通道形成的影响,并进一步研究压裂液黏度、支撑剂密度对支撑剂运移规律的影响.结果表明:随着纤维加入压裂液中,支撑剂颗粒流速出现差异性变化;由并行排列变为交错排列,支撑颗粒的流速由快变慢,流速较快的颗粒出现在裂缝底部的数目减少;采取纤维柱交错排列方式且纤维柱半径较小,有利于快速形成支撑柱,获得较高的裂缝导流能力;随着压裂液黏度的增大,纤维吸附颗粒数目在不断减少;当压裂液密度为1000 kg/m^(3)时,支撑柱颗粒数目随支撑剂密度的增大而缩减少,而压裂液密度增大为2000 kg/m^(3)时,支撑柱颗粒数目则呈现增大趋势.研究成果丰富了高速通道压裂技术的研究.

致密气藏水力压裂支撑剂运移规律实验研究

以苏里格致密砂岩气藏储层为研究对象,基于水力压裂支撑剂运移物理模拟实验,通过描述不同压裂液泵注排量、砂比、黏度、支撑剂粒径和密度等条件下砂堤的铺置形态,分析了支撑剂的运移展布规律。研究结果表明,单一粒径不能满足裂缝内导流能力的均匀分布,组合加砂的方式可有效提高人工裂缝的导流能力,同时采用满足携砂性能要求的较低黏度压裂液(≥10 mPa·s)与低密度支撑剂作为组合,可满足支撑剂远距离铺置的目标,获得较长的有效支撑裂缝,后续再采用高密度支撑剂或者降低施工排量使近井地带的裂缝得到有效支撑。研究结果可用于分析苏里格致密砂岩气藏水力压裂砂堤形态,确定合理的施工参数,提高该类气藏水力压裂的成功率。

薄煤层水力裂缝宽度变化对支撑剂运移的影响

水力压裂仍是低渗透性储层提高渗透性且获得经济产能的主要途径,尤其针对薄煤层,不同裂缝宽度裂缝内支撑剂运移规律受多个因素影响。文中采用数据建模、数值模拟和工程试验的方式,研究了压裂液参数、支撑剂参数对不同裂缝宽度支撑剂的铺砂面积和有效支撑裂缝长度的影响。结果表明:裂缝宽度影响和制约了支撑剂的运移,对于裂缝较发育且缝宽较宽储层,提高施工排量、压裂液黏度和优化支撑剂粒径与砂比,能有效地增大裂缝内支撑剂的铺置面积和有效裂缝长度。针对裂缝不发育且裂缝宽度较小储层,优化支撑剂的粒径和砂比,有利于增大裂缝的有效支撑裂缝长度。针对薄—中厚煤层,采用“高前置液占比、小粒径支撑剂、低砂比、短段塞式加砂方式”,能够有效提高其压裂波及范围和有效支撑效果,研究成果成功应用于贵州薄煤层煤层气开发。

支撑剂运移和沉降铺置规律研究进展

为明确支撑剂在裂缝中的运移沉降规律、分布特征和不同施工参数的影响,对支撑剂铺置规律实验研究进行分析和总结,有助于压裂施工方案的设计与优化。结果表明:(1)现阶段对支撑剂沉降铺置规律研究的手段主要以数值模拟和室内试验为主,有助于支撑剂铺置规律的理论研究,但也存在一定局限性;(2)支撑剂在光滑平板模型和粗糙壁面裂缝模型中的运移方式、分布特征和最终铺置形态存在明显的差异。相比于光滑平板模型,粗糙裂缝模型中会出现“涡流”、突变、高导流通道、虫洞等局部现象,这是光滑平板模型所不具有的;(3)砂比、缝宽、注入位置等都会对支撑剂颗粒的有效铺置产生很大影响。因此,选择合适的施工参数对压裂开发方案的优化有极其重要的意义。

压裂水平井支撑剂运移及产量研究

根据压裂水平井实际情况,首先建立了支撑剂在三维裂缝的运移分布和水平井压后产能预测模型;结合裂缝三维延伸模型、温度场模型和压裂优化设计方法研制了压裂水平井设计软件。其中支撑剂运移模型通过引入支撑剂对流质量传递方程,考虑了支撑剂对流、温度分布、压裂液滤失等因素对支撑裂缝尺寸的影响;产能预测模型考虑了水平井压后形成的多裂缝间的相互干扰、裂缝条数、裂缝间距、裂缝导流能力、裂缝平面与水平井筒夹角等因素对水平井压后产能的影响。通过实例应用,模拟结果与实际情况吻合程度高,表明了模型的可靠性。

大型复杂裂缝支撑剂运移铺置虚拟仿真装置的开发

为满足行业新技术教学科研工作、工程实践锻炼以及创新能力培养的需求,基于非常规油气藏体积压裂技术理念,开发设计了一套大型复杂裂缝支撑剂运移铺置虚拟仿真装置。该装置创新性地实现了对于不同走向、倾向和倾角的分支裂缝、不同裂缝壁面粗糙度、不同壁面滤失速率、不同缝宽和水平井压裂的模拟,拓宽了裂缝规模尺度和施工参数的选择范围,装置功能和自动化程度大幅提升,可有效开展多种水力压裂工艺条件下的支撑剂运移铺置实验模拟。该装置进一步完善了相关技术领域的实验教学和科研手段,提供了更加丰富的实习、实训和实践环节,有助于师生开展科研创新,指导现场实践,也为"科研辅助翻转课堂"教学模式的探索提供了有效的平台。

复杂裂缝中支撑剂运移铺置规律数值模拟

裂缝型储层压裂过程中易沟通天然裂缝形成复杂缝网,而压裂裂缝中支撑剂的铺置严重影响压后增产效果。采用考虑精确捕获颗粒运动的CFD-DEM耦合方法,建立复杂裂缝三维模型,探究注入流速、压裂液黏度、支撑剂密度对复杂裂缝(分支缝位置、角度和级数)中支撑剂运移铺置规律的影响。结果表明分支缝的位置和角度决定进入分支缝支撑剂的比例;注入时间相同,位于主裂缝1/3处分支缝砂堤面积是2/3处分支缝的2倍,30°分支缝砂堤面积是150°分支缝的3.2倍;对于多级分支缝,二级裂缝中砂堤形态多为抛物线形,三级裂缝为三角形;裂缝复杂程度越高,分支缝总分流效应越大,主缝中砂堤平衡高度越高;将优于支撑剂输送的参数与优于支撑剂沉降的参数进行再组合,较高流速(大于0.4 m/s)+线性胶+低支撑剂密度(小于2000 kg/m^(3))和较低注入流速(0.2 m/s)+滑溜水+高支撑剂密度(3000 kg/m^(3))的施工方式既能有效提高裂缝远端及分支缝的铺置效果,也能保证近井筒区域的充填。

压裂支撑剂运移和铺置虚拟仿真装置的应用

压裂支撑剂运移和铺置虚拟仿真装置优化整合了压裂实验仿真平台,可让学生进行综合设计型和"前瞻后拓"型实验项目的实验,并借助中国石油大学国家级实验教学示范中心的"杠铃式"双向教学体系,以及"开放式、分散式、预约式、自助式"于一体的实验教学模式,促成了压裂理论学习、室内实验与矿场实践有机结合,真正程度上建立了产学研的深度融合。此实验装置有助于培养、锻炼学生建立起立体化的工程实践思维,也有助于教师进行科研与技术创新。目前该套实验装置已在本科生实验教学和实习、实训、实践环节中得到充分应用,收效明显。

超临界CO_(2)压裂迂曲裂缝内支撑剂运移特征

在“双碳”目标引领和水力压裂受水资源影响下,超临界CO_(2)压裂是发展的主要趋势。为了明确支撑剂在超临界CO_(2)致裂裂缝内的运移特征,利用激光形貌扫描技术对超临界CO_(2)压裂后的岩石裂缝面进行重构,结合CFD—DEM方法建立了迂曲裂缝内超临界CO_(2)携砂运移模型,对比平板裂缝分析了迂曲裂缝内支撑剂的运移和铺置特征,研究了支撑剂密度、携砂液注入速度和砂比等关键参数对支撑剂在裂缝内输送和分布的影响。研究结果表明:(1)相较于平板裂缝,迂曲裂缝中的超临界CO_(2)携砂液流动路径具有曲折和多变的特点,支撑剂运移时在横向和纵向上具有更强的波动性和跳跃性;(2)支撑剂在迂曲裂缝内的铺置形态呈现出波浪状甚至簇团状的非均匀分布特征;(3)低密度支撑剂在迂曲裂缝内具有更好的通过性,高注入速度能够降低迂曲裂缝结构对支撑剂堵塞的影响;(4)迂曲裂缝中过低的注入砂比并不能够获得好的裂缝支撑效果,模拟条件下最优值在3%附近。结论认为,模拟实验研究结果对认识超临界CO_(2)压裂携砂液泵注过程中砂堵发生机制以及优化现场压裂设计具有重要的理论和工程意义。

煤层气水力压裂缝内变密度支撑剂运移规律

针对煤层气水力压裂有效支撑缝长过短且缝内铺砂浓度分布不均匀的问题,研究变密度支撑剂颗粒在裂缝内的运移规律。采用Pseudo Fluid模型考虑了裂缝内支撑剂颗粒之间的相互影响,借助Visual Studio 2012设计平台编制相应计算软件,并通过与现场监测值进行对比,校核了软件计算的准确性。讨论了压裂液黏度、裂缝壁面、排量和支撑剂密度等参数对缝内铺砂浓度和有效支撑缝长影响规律,分析了超低密度支撑剂在不同围压和温度工况下的破碎率。结果表明:坚果壳支撑剂在围压为69 MPa、环境温度为90℃工况下破碎率<2%,满足现场需求;随着压裂液黏度、施工排量增加,裂缝支撑长度增加,缝内铺砂更加均匀;支撑剂颗粒直径增加使得裂缝支撑长度降低;采用变密度支撑剂较单一陶粒砂有效支撑半缝长增加了19.5 m,且铺砂效果更均匀。

玛湖凹陷乌尔禾组砾岩储集层裂缝支撑剂运移规律

玛湖凹陷乌尔禾组致密砾岩油藏水力压裂裂缝形态复杂,支撑剂运移铺置规律尚不清楚,影响了储集层压裂效果。通过对不同形态迂曲裂缝进行重构,利用Fluent中的两相流模型,在考虑支撑剂与粗糙缝面相互作用的基础上,分析了砾石粒径、砾石数量以及砾石处缝宽衰减等对支撑剂运移铺置的影响。研究结果表明,砾石粒径对支撑剂运移的影响较为明显,砂堤平衡高度与砾石粒径呈负相关,平衡时间与砾石粒径呈正相关;砾石数量对支撑剂运移的影响较小,砂堤平衡时间和平衡高度与砾石数量呈负相关;砾石处缝宽衰减对支撑剂运移的影响很大,随砾石处缝宽衰减程度增大,砂堤平衡高度和平衡时间均减小。

滑溜水压裂主裂缝支撑剂运移模拟实验研究

人们现在日益增长的能源需求使越来越多的目光聚焦于非常规油气藏的开发上,而使用滑溜水的水力压裂技术是用于非常规油气藏的重要技术,在页岩气与致密砂岩气等非常规油气藏的开采上有着不可替代的作用。水力压裂的增产效果取决于能否形成有效导流能力的裂缝,而有效导流能力的裂缝又取决于支撑剂在裂缝中的铺置情况,所以实验探究支撑剂在裂缝内的运移情况与铺置规律有利于现场施工取得更好的增产效果。在查阅与学习文献资料的基础上,使用“水力压裂裂缝与射孔模拟实验系统”来研究各种因素对支撑剂运移沉降形成的砂堤形态的影响。分析了因影响因素改变而造成的砂堤平衡时间、砂堤平衡高度、砂堤前缘距离、砂堤前缘高度的变化规律。