深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展影响机理

现有中浅层页岩气压裂取得的认识难以解释深层页岩气储层压裂过程中水力裂缝扩展的影响机理。为了研究四川盆地深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展机理,文中以泸州深层页岩气区LS1平台为研究对象,进行基于地质-工程一体化的水力压裂裂缝扩展数值模拟与分析。首先,根据泸州区块目标井区储层的地质概况,建立地质模型,明确地质力学属性;然后,基于微地震和蚂蚁体数据,建立符合真实储层构造特性的离散天然裂缝网络;在此基础上,根据现场实际施工数据,建立了基于DFN的水力压裂复杂裂缝扩展模型,并基于微地震监测结果对模型进行了验证;最后,还研究了4个单因素对储层改造体积的影响特点。研究结果对深层页岩气储层水力压裂复杂缝网研究有一定的指导作用。

基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ~Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa,裂缝最终长度增大1.79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙。

真三轴煤岩体水压裂缝扩展行为教学实验设计

在自主研发真三轴煤岩体压裂渗流实验系统基础上,设计了一套真三轴煤岩体水力压裂实验方法。该实验方法从基本理论出发,结合工程实际设计实验方案,在实现数据采集、处理操作简单化的同时,实现了理论与实践的结合。该实验系统可根据工程实际地应力数据设计实验室真三轴水力压裂实验应力状态参数,探讨压裂液恒流、恒压及变排量注入方式对注入压力-时间曲线、水压裂缝形态的影响机制。通过本实验教学可以让学生进一步了解矿井下地应力场分布规律。同时,该实验系统可拓展性较强,能够激发学生的主观创新思维。

径向井辅助前置液酸压裂缝扩展数值模拟

基于扩展有限元及双尺度连续模型理论建立径向井辅助前置液酸压裂缝扩展模型,引入偏离系数作为量化评价指标,分析各因素对裂缝形态的影响,并利用灰色关联分析方法明确主控因素。结果表明:径向井对前置液酸压裂缝扩展具有显著引导作用,裂缝优先沿径向井方向起裂并扩展一定距离,而后逐渐偏向最大水平主应力方向;径向井方位角、水平地应力差和地层弹性模量越小,径向井长度越长,偏离系数越小,径向井引导效果越好,其中水平地应力差为主控因素;当径向井方位角为15°时,前置液酸压裂缝沿着径向井方向扩展14.32 m后偏向最大水平主应力方向,径向井的引导效果最好,偏离系数为0.005。

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

致密油储层压裂裂缝扩展规律分析及影响研究

以鄂尔多斯延长组长7裂缝性致密油储层为例,开展致密油储层裂缝扩展实验研究,分析裂缝扩展的影响因素,并对裂缝扩展规律进行模拟分析,实验结果表明:长7致密油储层岩石杨氏模量、泊松比和抗压强度波动范围广,造成数值差异较大;矿物组成分布差异为3%~46%,平均值为16.85%左右;该区块储层岩石发育部分的天然裂缝,储层最大水平主应力和最小水平主应力差异较大,储层水平和垂直方向上的孔、渗、饱等物性差异较大。天然裂缝的形成和发展受自然裂缝存在与地应力场差异这两个关键因素的显著影响,长7储层原始状态下裂缝的形态呈现低角度。

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.

页岩油藏水平井分段多簇压裂全井段裂缝扩展数值模拟——以济阳坳陷沙河街组为例

济阳坳陷古近系页岩油资源量达40.5×10^(8) t,展现出良好的勘探开发前景。但页岩油储层埋藏较深、构造复杂、非均质性强,页岩油储层水力压裂裂缝扩展规律尚不明确。为准确预测水力压裂裂缝的扩展形态,建立了基于无量纲近似解的裂缝扩展流固耦合模型。根据济阳坳陷页岩油储层地质工程特征,对该区块一口典型的页岩油水平井开展了裂缝扩展模拟,并将微地震和示踪剂监测结果与模拟结果进行了对比。结果表明:模拟缝长与微地震折算缝长的整体趋势基本一致;模拟结果和示踪数据监测结果的吻合度高于其与微地震监测结果的吻合度;在某些井段,示踪剂结果和微地震结果与模拟结果高度一致。该研究可为济阳坳陷页岩油藏压裂方法设计提供指导。

煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键,而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置,建立压裂工程地质模型;基于有限元方法构建数值模型,研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响,并进行工程验证,提出施工建议。结果表明:射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中,裂缝受到界面的“阻隔”作用,对煤层改造有利;孔眼位于顶板,当顶板层理发育,垂向应力与最小水平主应力差大于2MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层,而顶板完整时,应力差大于-2MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层,顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用,结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展;孔眼部分进入煤层,对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用,形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝,无论顶板是否完整,都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时,建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施,以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用,试验孔瓦斯抽采效果良好,可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

非均质致密储层水平井分段压裂裂缝扩展模拟

针对非均质致密储层水平井分段压裂时裂缝的扩展延伸导致不同压裂缝簇产量差异大的问题,在考虑压裂液排量、黏度和地应力特征的情况下,开展非均质致密储层真三轴水力压裂实验和数值模拟研究,分析非均质岩石水平井分段压裂多裂缝扩展规律。结果表明:非均质性强的致密储层在水平井分段压裂时会产生不均一的裂缝形态,低两向水平应力差会强化储层非均质对裂缝形态差异性的影响,压裂液黏度对非均质储层改造时裂缝的形态影响相对较小,高弹性模量区域裂缝扩展相对更充分;数值模拟则证实储层非均质性会增加应力干扰的影响程度,通过改变弹性模量、压裂液排量等压裂参数均可以实现裂缝扩展的起裂扩展调控,因此对于非均质性较强的储层而言,有必要通过限流法或者暂堵等其他工艺手段进行水平井分段压裂施工,其中限流法可以保证不同位置的裂缝可以均衡进液,实现段内裂缝的同步和充分扩展,暂堵压裂则可以实现储层的充分打碎。研究成果有助于指导不同改造思路下的水平井压裂工艺优选。

页岩水平井多簇喷砂射孔暂堵转向压裂裂缝扩展规律

采用真三轴压裂模拟系统开展了页岩水平井多簇喷砂射孔暂堵转向压裂模拟实验,研究了暂堵剂粒径、暂堵剂浓度、单簇射孔数和簇数对封堵提压、多裂缝转向规律及暂堵剂分布的影响。结果表明:缝内小粒径组合+段内大粒径组合暂堵剂有利于提高封堵压力并促进裂缝多期性转向,添加纤维的组合可快速憋压至超高,但易产生沿着井筒扩展的纵向缝;暂堵峰值压力随暂堵剂浓度的增加而提升,但暂堵剂浓度达到一定值后,进一步增加暂堵剂浓度并不能显著提高暂堵峰值压力;岩样破裂压力和暂堵峰值压力随单簇射孔数增加呈下降趋势,较少的单簇射孔数有利于提高破裂压力及暂堵峰值压力,对多簇裂缝扩展的控制作用更显著;较少的簇数不利于人工裂缝总数及复杂程度的提升,较多的簇数难以实现有效封堵。缝内暂堵时暂堵剂主要分布在复杂裂缝区域,特别是多裂缝相交处,而段内暂堵时暂堵剂优先分布于形成复杂缝的射孔簇孔眼附近。

基于DIC技术的自密实混凝土界面裂缝扩展规律研究

采用自密实混凝土作为堆石混凝土坝的抗冲磨层并与坝体进行一体化浇筑成型是一种新构造,其中抗冲磨层与坝体的界面性能至关重要。通过制作600 mm×600 mm×600 mm自密实混凝土(SCC)试件(C40SCC、C25SCC)及C40、C25SCC分层浇注试件(C40-C25SCC),结合数字图像技术(DIC)开展劈裂抗拉试验,分析了自密实混凝土界面裂缝扩展规律。结果表明:SCC断面破坏形态表现为骨料劈裂和剥落2种破坏形式;C40SCC、C25SCC及C40-C25SCC劈裂抗拉强度分别为1.861、1.416和1.362 MPa;基于DIC技术获取了裂缝相关参数,其中C40-C25SCC裂缝最大开口宽度、扩展时间均为最大,分别为0.125 mm、10.667 ms,C25SCC裂缝最大扩展速度最快,为10.12 m/s。研究表明:骨料的存在及粒径大小改变了试件破坏形态,影响了裂缝开口宽度及扩展速度变化。

射孔间距-倾角对深煤层水力裂缝扩展影响的离散元分析

研究煤岩储层裂缝扩展的影响因素,对提高煤层气采收率十分重要。为探究不同射孔间距-倾角对深层煤岩裂缝扩展规律的影响,利用离散元分析方法,考虑井周煤岩应力变化特征、最大周向应力准则、原始储层等条件,研究射孔间距-倾角对压裂缝网扩展形态及延伸范围的影响规律。模拟结果表明:随射孔间距从40 mm变化至100 mm,当间距为60 mm时裂缝条数数量最多;当射孔倾角从15°到60°变化时,当射孔角度为45°时,缝网形态最为复杂;即射孔间距为60 mm且射孔倾角为θ=45°时,水力裂缝的缝网形态复杂度显著增大,缝网扩展范围最大。通过神府北木瓜区Y-1井验证,预测结果与实测数据具有一致性,证明所建煤岩数值模型的正确性。

致密储层缝内暂堵转向压裂裂缝扩展规律数值模拟

基于损伤力学理论,建立了储层渗流-应力-损伤耦合裂缝扩展数值模型,将模型结果与室内真三轴水力压裂物理模拟实验结果进行了对比,验证了模型的准确性,并基于该模型探讨了压裂液黏度、排量、水平地应力差以及储层岩石非均质性对缝内暂堵转向压裂效果的影响。研究结果表明:(1)储层渗流-应力-损伤耦合裂缝扩展数值模型是联合流体流动控制方程与岩石变形方程形成整体控制方程,通过在初始裂缝扩展路径上某一区域人为设置高强度的岩石物理力学参数和较小的储层渗透率值,实现缝内暂堵的模拟。(2)缝内暂堵转向压裂裂缝扩展模型数值模拟的分支缝数量、主裂缝面积、主裂缝延伸方向等与室内真三轴水力压裂物理模拟实验的结果基本一致,该模型可实现缝内暂堵后基质的破裂与新裂缝扩展模拟,对缝内暂堵转向压裂裂缝扩展情况也具有较好的模拟效果。(3)压裂液的黏度和排量越大,缝内暂堵转向压裂裂缝长度、改造面积及偏转角度均明显增大,且逐渐由单一裂缝向复杂裂缝转变。当水平地应力差小于7.5 MPa时,缝内暂堵转向压裂的效果较好;当水平地应力差为10~15 MPa时,压裂效果变差;当水平地应力差大于15 MPa时,裂缝几乎不偏转;储层非均质性会影响裂缝局部的扩展路径,但对裂缝总体扩展趋势影响甚微。

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。

X区块须家河组致密砂岩岩石力学特性与裂缝扩展特征

须家河组是四川盆地致密砂岩气勘探开发的重要领域,储层岩石力学、断裂力学特性以及裂缝扩展特征尚缺乏研究。本文采用热-固耦合三轴压缩实验和断裂韧性评价实验,获取致密砂岩的岩石力学性质参数和断裂韧性,分别计算储层岩石的弹性力学脆性指数和利用断裂韧性计算的脆性指数,对储层脆性进行评价;采用真三轴高温高压物理模拟实验系统,在60℃条件下,开展不同水平应力差、压裂液黏度、注入排量的裂缝扩展物理模拟实验,分析裂缝扩展规律。结果表明,须家河组致密砂岩储层岩石的弹性力学脆性指数为34.1~62.9,平均值42.99,断裂韧性计算脆性指数为7.68~9.39 m^(-1/2),平均值为8.54 m^(-1/2),为脆性储层;压裂液黏度越大,裂缝偏转角越大,岩样内裂缝贯穿深度越大;在压裂施工过程中,可根据条件适当提高泵注排量和压裂液黏度,来提高储层体积压裂形成复杂缝网的可能性;多簇压裂裂缝存在竞争扩展现象,射孔簇间距越小,缝间干扰越严重;增大泵注排量并结合暂堵技术,可促进多裂缝均衡扩展。研究成果可为须家河组致密砂岩压裂改造提供一定的理论支撑。

基于XFEM的再生复合路面反射裂缝扩展研究

为了探究裂缝扩展路径及在不同条件下的扩展规律,该文基于ABAQUS软件中扩展有限元方法(extended finite element method,XFEM)模拟分析沥青混凝土半圆弯曲断裂试验中的裂缝扩展规律。通过对比他人试验及数值模型数据,验证了基于XFEM的有限元模型分析裂缝扩展的有效性。此外,该文建立干法油石分离再生复合路面二维模型,研究模型中施工缝宽度、预埋裂缝长度、偏转角及预设位置对裂缝尖端应力影响,结果表明尖端应力随着裂缝长度、偏转角增加而增大,而随着施工缝宽度增大呈现先减小后增大趋势,随着偏移距离变大则先增大后减小。该文研究结果有助于复合路面反射裂缝定量分析与表征,为复合路面设计及后期养护提供了参考与依据。

致密油水平井多簇裂缝扩展数值模拟研究

大庆油田致密油水平井近年来主要采用密切割布缝进行压裂改造,多簇裂缝扩展将产生诱导应力,从而导致各簇裂缝延伸均匀程度不一致。为此,采用有限元软件ABAQUS建立了大庆油田致密油水平井多簇裂缝扩展数值模型,采用扩展有限元(XFEM)模拟方法,研究了2个布缝参数(簇距、段内簇数)、3个压裂施工参数(压裂工艺、施工排量及液体黏度)对裂缝扩展的影响。同时对比分析模拟结果与矿场实际光纤测试的各簇产能贡献结果,发现模拟的各簇裂缝长度与各簇的产油贡献具有很好的一致性,证实了模拟结果的正确性。模拟结果表明:当簇距缩小至5m时,各簇应力干扰明显,不利于裂缝扩展,当簇距达到10m及以上时,平均单簇裂缝半长变化不明显,合理簇距约为10m。平均单簇裂缝半长随段内簇数的增加呈增大趋势,但非均匀延伸程度也随之增大;与桥塞段内多簇同时改造相比,连续油管单簇依次改造模式更有利于裂缝延伸;平均单簇裂缝半长随施工排量的升高呈增大趋势,提高施工排量还能促进裂缝均匀延伸。平均单簇裂缝半长随液体黏度的升高呈增大趋势,可适当提高高黏液体比例。

基于FEM-DFN的页岩气井复杂裂缝扩展与优化——以长宁页岩气藏X1水平井组为例

对长宁页岩气示范区水平井裂缝扩展形态认识不清、井间干扰频繁等问题严重制约了页岩气藏的高效开采。对此,文中基于地质-工程一体化思想,结合适用于多井压裂分析的有限元-离散裂缝网络(FEM-DFN)方法,分析了水平井组体积裂缝扩展形态及天然裂缝对水力裂缝扩展的影响,厘清了井间干扰因素。结果表明:在天然裂缝带发育区域,天然裂缝带对水力裂缝的诱导、捕获和阻隔作用主导了水力裂缝的扩展行为;天然裂缝带导致的水力裂缝不对称扩展、非均匀起裂是造成井间干扰的重要原因;天然裂缝带中各类裂缝的发育程度对水力裂缝扩展有重大影响。该研究成果可为长宁页岩气藏高效水力压裂参数设计提供支撑和依据。

硬岩水力定向压裂裂缝扩展对天然裂缝的响应行为

水力压裂是硬岩金属矿山崩落法开采的关键预处理手段,但矿体中天然裂隙的存在限制了水力裂缝定向扩展与空间展布形态。为研究在含天然裂缝的铜矿体中天然裂缝的长度和水平距离对定向水力裂缝扩展路径的影响,利用ABAQUS建立了嵌入黏聚力单元的有限元模型,模拟不同天然裂缝长度和水平距离条件下的水力压裂行为。结果表明,天然裂缝的长度和水平距离对裂缝的扩展具有积极影响。天然裂缝长度与水力裂缝扩展半径呈指数关系,天然裂缝水平距离与水力裂缝扩展半径呈线性关系。在0~1.5 MPa低地应力差条件下,随着天然裂缝水平距离的减少或天然裂缝长度的增加,水力裂缝的扩展半径越大。研究结果对硬岩天然裂缝条件下的水力压裂裂缝定向扩展与调控有积极的指导意义。