页岩储层水力裂缝和天然裂缝交互规律

页岩储层的大量天然裂缝会在水力压裂中影响水力裂缝扩展路径,厘清二者交互规律对于明确储层裂缝扩展机制及优化裂缝网络具有指导意义。文中利用真实页岩岩心,在提前预置单一裂缝基础上,模拟水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝的交互行为;采用单一变量法,研究水力裂缝逼近角、注入孔深度、天然裂缝胶结强度、围压对二者交互行为的影响。结果表明:交互状况有水力裂缝打开天然裂缝、沿天然裂缝穿行一定距离后偏转、穿过天然裂缝3种,而打开时最大滑移量和最大滑移速率在所有交互结果中最高,偏转时次之,穿过时最小;相比张性起裂,裂缝剪切起裂下最大滑移速率较小,最大滑移量较大。逼近角大、注入孔深度小、天然裂缝胶结强度大、围压高均有利于水力裂缝均衡扩展;反之,则易沟通天然裂缝形成复杂缝网。该研究成果对改善裂缝网络形态及优化页岩储层压裂设计具有一定的借鉴意义。

致密砾岩水力裂缝扩展大型矿场实验

砾岩储层由于砾石的存在而具有极强的非均质性,砾岩压裂成缝机理复杂.受限于岩样尺寸和实验条件,室内压裂物理模拟受砾石尺寸效应影响显著,裂缝扩展时间尺度小.为真实记录裂缝动态扩展过程,反映现场实际工况条件下的压后裂缝宏观整体形态,搭建一套超大尺寸(2.0 m×2.0 m×1.0 m)真三轴水力压裂矿场实验平台,通过万吨级应力加载装置、真实管汇和压裂泵车,实现现场真实工况条件下的砾岩水力压裂模拟.基于该平台,分析了水平应力差、压裂液黏度和单孔进液速率对砾岩压裂裂缝动态扩展过程和压后裂缝宏观整体形态的影响规律.实验结果表明,砾岩压裂趋于在井筒处形成“纵向缝+横切缝”的复杂多裂缝形态,远离井筒后,横切主缝扩展优势逐步显现,局部遇砾形成分支缝;12 MPa高水平应力差条件下,压后近井区域形成多缝竞争扩展的复杂裂缝带,横切主缝向远端延伸优势减弱;压裂液黏度低于50 mPa·s时,压后横切主缝扩展优势显著,当压裂液黏度高于50 mPa·s时,近井区域形成复杂多裂缝形态;单孔进液速率超过0.3 m^(3)/min后,井筒处趋于形成多条纵向缝,易导致段间压窜.研究成果有助于深化认识砾岩储层压裂裂缝真实形态,为砾岩水力压裂方案设计提供理论指导.

砂泥互层储层条件下水力裂缝扩展实验研究

鄂尔多斯盆地某区块发育丰富砂岩和泥岩多薄互层的页岩油资源,该区块层理、裂缝发育,非均质性特征显著,压裂改造中裂缝的扩展机理不明确,体积压裂改造难度较大。针对该区块开展了室内真三轴水力压裂物理模拟实验,探究了层理、地应力、排量等因素对裂缝穿层扩展的影响。研究结果表明:500 mm×500 mm×500 mm的天然露头砂泥夹层型岩样水力裂缝形态主要以复杂缝为主,层理发育程度越高,水力裂缝越偏向于水平方向;水平应力差的增大可以增加水力裂缝垂向穿层能力;高排量可以提高分支缝的开启概率,增大形成复杂缝网的概率。

砂-页交互陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

陆相页岩储层砂-页互层发育,层间岩石力学性质与地应力差异大,水力裂缝穿层扩展困难,导致压裂改造效果不佳。文中基于有限元+黏聚力单元法建立了砂-页交互陆相页岩储层三维水力裂缝穿层扩展数值模型,采用解析解与室内实验验证了模型的准确性,采用单因素和极差分析法开展算例研究,全面揭示了地质与工程因素对水力裂缝穿层扩展的影响规律。研究结果表明:高层间应力差、高层间抗张强度差、低层间弹性模量差、高隔层厚度均不利于水力裂缝穿层扩展,增大施工排量与压裂液黏度能有效提升水力裂缝穿层扩展能力;各因素影响程度的顺序为层间应力差>层间弹性模量差>层间抗张强度差>隔夹层厚度>注入排量>压裂液黏度。采用上述模型针对实例井开展施工参数设计,推荐单簇注入排量不低于2.5 m^(3)/min,前期施工压裂液黏度不低于20 mPa·s,现场应用效果良好,验证了模型的工程应用价值。

不同倾角水力裂缝扩展的邻井光纤监测信号特征研究

考虑到目前光纤信号解释模型均以垂直裂缝为基础,当地层中发育天然裂缝与层理面,将使得水力裂缝在扩展中发生倾斜;其光纤监测信号也将与垂直裂缝产生差异,使得现有光纤信号解释模型不再适用。为此,本文建立了三维倾斜裂缝扩展力学模型,考虑裂缝扩展过程中的拉伸和剪切力学行为,并采用有限元方法进行求解,与Liu和Wu提出的非连续位移方法对比,模拟垂直裂缝扩展条件下的光纤信号特征一致,验证了本文模型的正确性。本文研究了有倾角水力裂缝扩展过程中,不同倾角、倾斜方向、裂缝高度、光纤监测距离和原始地应力状态对光纤应变和应变率的影响。分析发现:倾斜水力裂缝扩展时,邻井光纤监测的应变率瀑布图出现红蓝条带,当水力裂缝倾角处于30~55°时,出现对称的红蓝应变椭圆和红蓝应变率条带。随着倾斜水力裂缝持续扩展,倾斜裂缝击中光纤,应变率瀑布图出现多个心形区。当裂缝倾斜方向发生变化时,光纤监测的应变和应变率瀑布图也能够反映水力裂缝的倾斜方向。随着水力裂缝高度增加,应变率瀑布图红色条带宽度增大,为我们依据光纤监测解释裂缝高度提供了思路。对于同样形态和尺寸的水力裂缝,不同原始应力状态下的光纤监测信号具有明显的差异,其中,正断层应力状态下的光纤监测信号具有最为明显的条带特征。在本文计算条件下,随着光纤监测距离每增加100 m,光纤监测到的应变和应变率信号强度减小一个数量级。本文研究对通过邻井光纤信号解释水力裂缝形态、尺寸,进而指导邻井光纤布置具有重要指导意义。

基于扩展有限元的现场尺度水力裂缝扩展机制模拟研究

干热岩储层水力压裂形成复杂缝网对于建设增强型地热系统(EGS)至关重要。为了深入认识干热岩储层水力裂缝扩展机制,揭示工程参数和地质参数对水力裂缝扩展的影响规律,本文以青海共和盆地某干热岩储层为研究对象,基于扩展有限元(XFEM)数值模拟软件ABAQUS展开研究,建立现场尺度的干热岩储层模型,实现热流固耦合分析水力裂缝的扩展机制。结果显示:正断型应力状态下,裂缝发生了很明显的朝向Z轴的转向,走滑型应力状态下,裂缝扩展主要沿水平方向,有轻微倾向于Z轴转向的趋势,逆冲型应力状态下,裂缝沿水平方向扩展;随着弹性模量的增大,裂缝的起裂压力减小,裂缝延伸的注水压力也减小,弹性模量越大裂缝起裂的时间越早,泊松比越大水力裂缝的破裂压力越大,破裂压力整体呈现出正断型>走滑型>逆冲型;随着温度的升高,水力裂缝破裂压力减小,大约降低2~3 MPa左右,3个应力状态下都呈现出相同的趋势。本文丰富了干热岩水力裂缝扩展的数值模拟手段,相关研究成果可为干热岩储层中水力压裂扩展预测与不同参数对其的影响分析提供技术支撑。

横向切槽几何形状对煤岩水力裂缝扩展影响分析

为解决煤层渗透率低、抽采量小、抽采率低等特点的煤层气抽采难题,针对红庆河煤矿3-1煤层,考虑用试错法调整模型的细观参数来匹配煤样的宏观性质,建立了基于颗粒离散元程序的煤岩水力压裂流固耦合模型,采用颗粒粘结模型及光滑节理模型模拟煤岩结构特征,研究了条形、三角形和正方形预制横向切槽对煤岩起裂难易程度和裂缝扩展形态的影响规律。模拟结果表明,预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、扩展,在控制相同的水压且围压比为1.0等变量的条件下,条形切槽的煤岩水力压裂裂缝条数最少但平均缝长最长,正方形切槽的煤岩水力压裂裂缝条数最多但平均缝长最短;综合对比下,正方形的横向切槽比条形槽和三角形槽更易形成复杂的缝网、增大煤层有效改造体积,3种横向切槽均能减小煤岩的起裂难度,横向切槽的尖端角越多,起裂难度越小;煤岩水力压裂中距离横向切槽孔较近部分的破坏形式主要为张拉破坏,裂缝较为平直且不出现分叉,距离横向切槽孔较远部分开始出现剪切破坏。

三维空间中水力裂缝穿透天然裂缝的判别准则

基于对三维空间下水力裂缝尖端应力场以及作用在天然裂缝面上的应力场的分析,建立了水力裂缝穿透天然裂缝的判别准则。利用大尺寸真三轴水力压裂实验模拟系统,实验研究了不同产状天然裂缝、地应力对水力裂缝扩展行为的影响。实验研究表明:水力裂缝穿透预制裂缝的现象主要发生在高逼近角、高走向角、高水平应力差异系数、高水平应力差的区域;水平应力差存在一个临界值,大于该值,水力裂缝才可能穿透预制裂缝。实验结果与本准则预测结果吻合良好。应用本准则,预测四川盆地龙马溪组页岩气试验井水力裂缝不能穿透天然裂缝面,与微地震压裂监测解释结果一致。

裂缝性储层水力裂缝扩展机理试验研究

采用大尺寸真三轴实验系统,探讨了天然裂缝与水力裂缝干扰后水力裂缝走向的宏观和微观影响因素,分析了压力曲线,提出了天然裂缝破坏准则,分析了不同地应力状态下裂缝的形态。试验结果表明,在常规应力状态下,水平主应力差和逼近角是水平裂缝走向的宏观影响因素;天然裂缝界面摩擦系数和缝内净压力无因次量是微观影响因素。给出了确定天然裂缝破坏边界线的回归公式,揭示了裂缝性油气藏水力裂缝与天然裂缝的干扰机理。局部构造应力状态对水力裂缝扩展的影响大于对天然裂缝的影响。

地应力对破裂压力和水力裂缝影响的试验研究

为研究水力压裂时地应力对破裂压力和水力裂缝的影响规律,采用水力压裂试验系统,以相似材料作为研究对象,进行了水力压裂物理模拟试验,并借助煤岩断面三维扫描系统、位移计提取了水力裂缝信息。试验结果表明,随着主应力差的增大,破裂压力逐渐降低,破裂时间也逐渐缩短;随着主应力差的增大,破裂面的表面积逐渐增加,破裂面变得逐渐粗糙;围压相近时水力裂缝易出现转向、分叉,压裂液的动力效应越明显;水力裂缝张开度随着主应力差的增大而逐渐减小。研究结果可为水力压裂试验的进一步研究、裂缝网络系统的建立提供参考。

考虑注液参数影响的水力裂缝穿层扩展判别模型

为准确判别煤系复合储层合层压裂过程中,水力裂缝遇到层间界面时的扩展路径,基于流体流动和固体弹性变形理论及水力裂缝遇到天然裂缝时扩展路径的判别准则,建立了复合储层水力合层压裂裂缝穿层扩展的判别模型;模型重点考虑了压裂液注液速率和黏度对水力裂缝穿层扩展的影响,给出了水力裂缝穿层扩展与沿界面扩展的临界缝压,通过比较井筒水压与2个临界缝压的大小,判断裂缝的扩展行为;通过比较模型的预测结果、压裂试验数据及现场压裂结果的差异,验证了模型的准确性。以临兴区块石盒子组砂-泥岩复合储层为地质背景,研究了注液参数对水力裂缝穿层扩展的影响。结果表明:注液速率及压裂液黏度能够直接影响井筒内的水压,进而改变裂缝扩展路径;注液速率与压裂液黏度越大,越有助于水力裂缝穿层,其中注液速率的影响程度更大;现场压裂施工过程中,主要通过提高压裂液注液速率达到穿层压裂的目的。

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。

页岩储层中水力裂缝穿过天然裂缝的判定准则

为了准确预测页岩储层水力压裂过程中水力裂缝是否会穿过天然裂缝及其穿出方向,基于最大周向应力理论,建立了沿任意方位延伸的水力裂缝穿过天然裂缝的判定准则,给出了水力裂缝穿过天然裂缝时穿出角度的计算方法。将该准则与实验结果进行对比,吻合度较高。现有的判定准则只能判断沿水平最大主应力方向延伸的水力裂缝能否穿过天然裂缝,新的判定准则在现有准则的基础上对其拓展,使之更加适用于页岩储层。研究结果表明:在高水平主应力差、高水平主应力比值、高逼近角和高天然裂缝壁面摩擦系数的条件下,水力裂缝更易穿过天然裂缝;水平主应力差是主控因素且有一个临界值,大于该值时,水力裂缝才可能穿过天然裂缝,反之在任何条件下水力裂缝均无法穿过天然裂缝。同时还认识到,在低逼近角、高水平主应力差情况下,水力裂缝也有可能穿过天然裂缝。

基于FrackOptima的币型水力裂缝模型数值计算研究

当压裂液黏度较小使得无量纲韧性取值大于3时,币型水力裂缝数值计算的准确性和稳定性很难得到保证。因此,使用FrackOptima真三维水力压裂模拟软件开展币型裂缝数值计算研究,重点研究无量纲韧性取值大于3时的计算结果。首先分析了币型裂缝的建模理论和半解析解存在的4组参数条件。随后在该参数条件下建立算例,采用该软件计算币型裂缝的扩展过程,并比较数值模拟结果和相关半解析解运算结果。研究结果表明:数值模拟结果和半解析解运算结果之间的误差绝对值不超过10%。尤其是当压裂液黏度取值很小,使得无量纲韧性取值在3~19之间时,数值计算仍能得到较精确、较稳定的结果。为进一步使用该软件优化实际压裂方案,尤其是优化低黏度滑溜水压裂方案,奠定了理论基础。

斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型研究

在斜井井筒附近应力场分布复杂,往往造成水力裂缝转向。基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法,建立了斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型,用于分析三向地应力和井筒内压作用下斜井井筒水力裂缝的起裂位置和扩展形状。根据此模型,编制了数值计算程序。对长、宽、厚均为300mm的岩石试样在真三轴水力压裂模拟装置上进行了物理模拟,模型计算结果与物理模拟结果基本一致。模拟计算和物理试验结果表明,斜井井筒附近确实存在水力压裂裂缝空间转向的现象。斜井井筒附近水力裂缝的空间转向大致发生在3倍于井筒直径的范围内。

基于相场法的水力裂缝扩展模拟技术现状及展望

水力压裂技术已经成为开发非常规油气不可或缺的重要技术,水力裂缝扩展数值模拟方法是认识水力裂缝扩展机理与扩展规律、优化水力压裂工艺参数的重要手段,其中相场法逐渐成为一种广泛研究和应用的水力压裂连续裂缝扩展模拟方法。为了进一步推进相场法水力裂缝技术不断发展与进步,在回顾相场法基础理论发展的基础上,总结和展望了基于相场法的水力裂缝扩展算法研究和应用现状,并对发展趋势进行了展望。研究结果表明:(1)相场法作为一种连续裂缝模拟方法,建立的位移场始终保持连续,不需要引入额外的准则,通过相场参数的演化自动追踪裂缝扩展路径,相较于离散裂缝模拟方法更容易处理不连续相、实现二维或三维空间内复杂的断裂过程,包括裂缝起裂、扩展、转向和分叉;(2)基于变分原理的热力学连续相场模型通过总能量最小化原理求解裂缝扩展路径,具有处理水力压裂等多物理场耦合问题的天然优势;(3)相场法采用具有宽度的损伤带描述裂缝面,存在计算成本高、精确定位裂缝尖端较为困难等技术难题;(4)相场法因其方法优势,有望在精准刻画不连续相、开发不同物理过程适配的数值模型基础上,进一步揭示多场耦合作用下的复杂水力裂缝扩展机理。结论认为,对相场法的研究有利于非常规油气储层改造技术的发展,有助于我国非常规油气开发事业的高质量发展。

水力裂缝模型及计算机自动识别技术

常规压裂井试井分析中所用数据主要是停泵后的压降数据,而岩石发生破裂到停泵前这段压裂施工压力数据则没有得到有效利用,在压裂施工中也不能对裂缝的延伸状况进行动态监测。为此提出了水力裂缝模型的计算机自动识别技术,该技术可对岩石发生破裂到停泵前这段压裂施工压力数据进行准确分析。编制的压裂施工压力分析软件,可自动确定裂缝模型,并可求出裂缝长度、宽度等动态参数。这样在压裂施工中就可知道裂缝随施工时间发育、发展和闭合的情况,对正确指导压裂施工作业及获得优质裂缝具有十分重要的意义。

用于预测水力裂缝缝高的新拟三维流场模型

针对原有拟三维流场模型在控层较差时预测缝高过大的问题 ,根据水力压裂裂缝延伸机理 ,基于原拟三维数值模型生成的初始裂缝几何形态 ,采用从假定虚源发出的呈放射状径向流动的近似二维流场 ,对原拟三维模型的一维流场进行了修正 ,建立了新的拟三维流场模型。实例计算表明 ,由于考虑了压裂液在缝高方向上的流动 ,在控层较差的情况下 ,新模型对缝高的预测精度可达到全三维的计算精度 ,这对水力压裂施工和设计有实用意义。

水力裂缝周围应力场解析模型及应力扰动分析

运用势理论建立了无限大地层Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝周围应力场解析模型,得到地应力和流体压力双重作用下Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力场函数和复合裂缝应力场解析表达式。计算并分析了裂缝倾角为0°、30°、45°和60°等4种倾斜裂缝周围的有效应力分布。研究中发现:当垂直于裂纹面方向距离超过4倍半缝长时,诱导应力几乎可以忽略不计;垂直于裂纹面方向的应力扰动范围比平行于裂纹面方向的扰动范围大57.7%~61.5%;平行于最大水平主应力的裂缝在垂直于裂纹面方向中心区域的应力诱导范围比端部高7.9%~10.8%,不平行于最大水平主应力的裂缝垂直于裂纹面方向中心区域应力诱导范围比端部低23.8%~26.4%;在裂缝周围存在应力增强区和应力屏蔽区,且范围和形态与射孔方向和最大水平主应力夹角存在关系。研究结果可为水平井射孔角优选以及分段压裂的裂缝优化布置提供一定的理论指导。

地面微地震监测致密砂岩储油层水力裂缝

当前对水力压裂增产进行监测的地面微地震监测技术已被国内油气工业广泛接受。微地震数据可用来评价压裂增产效果,预测储层应力状态以及引导水平井的钻进。在鄂尔多斯一致密砂岩储层水力压裂过程中,利用在地表浅埋的12个三分量数字检波器组成的稀疏检波器排列观测系统采集了微地震信号,并且利用微破裂向量扫描数据处理技术成功地对水力压裂裂缝进行了成像。通过对压裂过程中破裂能量的时间及空间分布的分析,获得了水力裂缝延伸的动态过程。最后,通过对三维地震资料和微地震监测结果的综合分析,确定了压穿邻井的原因及其发生过程。