致密砂岩裂缝网络复杂性及其影响因素研究

裂缝网络分析在油气藏勘探开发过程中发挥着着重要作用,致密砂岩裂缝网络复杂性分析对水力压裂优化、裂缝网络预测、裂缝建模等具有重要意义。文章结合致密砂岩复杂的裂缝网络动态演化的实验研究,明确了裂缝网络的分形和多重分形谱特征,深入分析了裂缝网络的复杂性及其主控因素。通过岩石力学和X射线CT扫描实验确定了岩石力学和裂缝网络特征;通过扫描电镜实验、裂缝网络的分形分析定量化表征了致密砂岩微观组构和裂缝网络的分形特征。研究结果表明:致密砂岩的石英含量为28.08~52.88%,黏土含量为11.54~25.45%,粒度为61.18~184.55μm,孔隙度为8.125%~10.296%;单轴抗压强度介于69.09~188.33 MPa,弹性模量介于31.69~92.76 GPa;分形维数(DB)为1.28~2.35,谱宽(Δα)平均值为1.0851~1.3638。裂缝的萌生、扩展贯穿于应力–应变的全过程,裂缝网络的复杂性主要受控于致密砂岩的微观组构特征,并且具有明显的围压和尺度效应。三维裂缝网络的分形维数、多重分形谱的谱宽平均值可分别表征裂缝空间分布的复杂性和非均质性,两者之间具有相对的独立性。砂岩中石英、长石等脆性矿物含量越高、储层孔隙度越大、砂岩组成粒度越小裂缝网络分形维数越大,谱宽平均值越小;无围压情况下,样品裂缝网络的复杂性主要受控于微观组构特征,且随着轴向压力的增加而增加;存在围压的情况下,围压起主导作用,围压越大分形维数越小,谱宽平均值越大。而黏土矿物不利于复杂裂缝的形成;小尺度样品的分形维数和谱宽平均值大于尺度大样品的分形维数和谱宽平均值。砂岩的弹性模量和抗压强度与分形维数和谱宽平均值具有一定的正相关性。

基于微地震构建连续裂缝网络的页岩油压裂定量评价技术

页岩油藏开发通常需要对储层进行水力压裂改造,微地震监测可以对水力裂缝进行成像并构建连续水力裂缝网络。水力裂缝网络的几何属性是评价压裂效果的关键技术指标,可用于优化压裂设计。传统的水力裂缝网络建模方法主要是离散裂缝网络建模,在这类模型中,每一条水力裂缝均是孤立的裂缝或只和其附近的其他水力裂缝相交,无法与更大范围的水力裂缝连通,因此无法用于评价水力裂缝复杂程度。探讨一种连续裂缝网络建模方法,该方法根据微震事件的时空分布特征,依据最短路径连接准则,生成连续裂缝网络,其分支指数可用于定量分析压裂裂缝复杂程度。将该方法应用于F油田一口页岩油开发水平井压裂微震监测数据。实例结果表明,绝大多数压裂段改造出复杂的体积裂缝,未形成复杂裂缝网络的压裂段是潜在的重复压裂目标。

甲烷燃爆载荷下页岩裂缝网络发育特征与定量分析

甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩储层原位解析的甲烷气体与人工注入的助燃剂混合燃爆,从而压裂页岩储层形成可供甲烷气体运移的有效裂缝网络的变革性技术。利用自主研发的燃爆系统,获得甲烷-氧气燃爆压力曲线特征,结合理论模型和数值模拟方法研究了甲烷-氧气燃爆压力载荷作用下深部页岩射孔孔道周围有效裂缝网络的发育特征,并对其进行了定量分析。研究结果表明:初始应力条件对岩体应力分布状态具有明显的影响,更大的初始应力偏差导致更高的应力集中;甲烷-氧气燃爆压力的平均升压时间为85μs;初始地应力对裂纹网络的发育具有明显的抑制作用,各向同性初始应力条件下,裂纹发育均匀呈圆形辐射状,而各向异性时,裂缝更倾向于更高初始应力方向生长,且倾向程度弱于爆炸压裂;燃爆压裂能够有效减小燃爆破碎区域面积,更有利于形成更多、更长径向裂缝;燃爆峰值压力增高对于径向裂缝末端的环向裂缝生长具有促进作用,更有利于沟通储层内天然裂缝构造复杂裂缝网络;甲烷-氧气燃爆载荷下,页岩破裂(有效裂缝)和破碎损伤阈值Ds分别选取为0.15、0.70,裂缝发育率Ps与损伤阈值Ds间数学表达近似为幂函数;E-10、E-40、E-80工况条件下的有效裂缝发育率分别为18.92%、14.11%、8.85%,燃爆峰值压力的增高能够明显促进有效裂缝发育率的增加,促进形成高度复杂裂缝网络。

基于微地震连续裂缝网络模型的SRV研究

在干热岩的开发和改造阶段,需要对储层进行水力压裂改造,储层改造体积(stimulated reservoir volume,SRV)是评价压裂效果的主要标准。微地震监测作为水力压裂的技术环节之一,可以对储层改造体积进行有效估算。本文探讨了基于微地震连续裂缝网络模型的SRV计算方法,以指导干热岩的水力压裂工作。首先,基于微震事件时空分布特征与多项震源参数进行连续裂缝网络建模;其次,提取裂缝网格长度,并选取适当的裂缝高度与裂缝宽度以计算储层改造体积;最后,选取某双井型干热岩微地震监测数据对该方法进行实际应用。实例应用结果表明,该方法可有效估算储层改造体积,为干热岩后续开发与改造提供依据。

基于天然裂缝网络的页岩力学性质数值模拟研究

天然裂缝影响页岩储层的力学性质,在页岩气开采的过程中起着关键性的作用。本文基于颗粒流离散元,研究了天然裂缝网络对页岩力学性质的影响。研究表明,天然裂缝数量的增加会进一步劣化岩石的力学性质,导致抗压强度和抗拉强度呈现“缓下降”的趋势,弹性模量呈现线性下降的趋势;随着天然裂缝倾角的增大,抗压强度先减小后增大,变化趋势为“U”形,弹性模量和抗拉强度则逐渐增大。在3个力学参数中,天然裂缝网络对弹性模量的影响最小;平直裂缝对抗拉强度的影响大于抗压强度;天然裂缝数量较少时,斜裂缝对抗压强度的影响大于抗拉强度,但随着数量的增加而趋于一致;竖直裂缝对抗压强度的影响大于抗拉强度。天然裂缝网络对破坏形态的影响主要取决于天然裂缝的倾角,随着倾角的增大,岩石的破坏形态依次为劈裂状-碎块状-劈裂/碎块状-劈裂状。

页岩储集层水力裂缝网络扩展规模评价方法

基于裂缝性页岩水力压裂模拟实验,分析了页岩水力裂缝扩展规律,提出了裂缝扩展规模评价方法,并研究了地质及工程因素对裂缝扩展的影响。利用"裂缝沟通面积"作为水力压裂效果的评价指标,结合压裂模拟实验结果分析后发现:页岩水力压裂可产生复杂裂缝网络;脆性页岩地层地应力差越小、水力裂缝与层理面距离越短,裂缝沟通面积越大,水力裂缝遇到天然裂缝后越易发生滑移转向,压裂后裂缝形态越复杂;最大水平主应力方向与页岩的层理面方向正交或呈大角度、与开度较好的天然裂缝间的逼近角接近90°时,更易形成裂缝网络;脆性矿物含量高的页岩造缝能力更好;压裂液黏度较低、排量较大时,裂缝沟通面积较大,变排量压裂会增强水力裂缝沟通天然裂缝或层理的作用,开启更多的天然裂缝网络。

天然裂缝影响下的复杂压裂裂缝网络模拟

水力压裂缝与页岩储层中的天然裂缝沟通后,多因素影响下的起裂与延伸变化规律将决定裂缝网络的几何尺寸及复杂程度。根据断裂力学基础理论,引入裂缝起裂与延伸判定准则来研究裂缝延伸过程中角度变化趋势及延伸压力影响因素。在此基础上建立页岩气压裂复杂裂缝数学模型,分析不同岩石力学参数、地应力分布、裂缝物性参数以及施工参数对裂缝网络形态的影响。求解过程中以等压力梯度值划分裂缝延伸方向上的计算节点,能在迭代拟合流量分布之前显式求解裂缝几何参数,加快求解速度;将起裂与延伸准则作为分支缝扩展依据,能避免常规拟三维裂缝模拟中对缝长延伸的拟合,减少迭代次数。模拟结果表明,优选天然裂缝发育、地应力差较小的储层是形成缝网的充分条件;通过暂堵、转向等方式保持较高的缝内压力有利于分支缝以较大的曲率半径延伸更远的距离,扩大增产作用区域;模拟得到的缝网形态能够与现场微地震测试数据点的存在范围、分布密度实现较好地吻合,佐证了上述模型的准确性。

页岩储层水力裂缝网络多因素耦合分析

为优化压裂设计、提高页岩储层的改造效果,基于室内真三轴水力压裂模拟实验、现场压裂实践和理论分析的方法,从页岩绪层岩石的脆性指数、水平应力差、天然裂缝的力学特征和发育程度、液体黏度和施工参数等方面分析了页岩储层压裂形成缝网的受控因素。结果表明:页岩储层的水力裂缝网络发育程度受到地质因素和工程因素的双重作用;从储层地质因素上看,岩石的脆性指数越高、天然裂缝越发育、天然缝胶结程度越差,越有利于形成缝网;从压裂作业的因素看,压裂液黏度越低以及压裂规模越大,越有利于形成充分扩展的缝网。在分析单个因素的基础上,建立了多因素耦合的缝网发育指数来表征页岩储层水力裂缝网络发育程度,并用于评价页岩储层压裂后水力裂缝的复杂程度。

不规则微裂缝网络定量表征及其对多孔介质渗流能力的影响

基于对储集层岩石微裂缝和基质孔隙特征的认识,采用数值算法构建裂缝性多孔介质和裂缝-孔隙性多孔介质模型,引入裂缝网络连通系数和走向因子定量表征微裂缝网络连通性和走向,以揭示微裂缝网络对岩石渗透率的影响机理。采用多弛豫时间格子-玻尔兹曼模型模拟流体渗流,研究裂缝开度、裂缝网络走向和裂缝网络连通性对多孔介质渗流能力的影响。研究表明,裂缝网络走向因子越大,裂缝性多孔介质迂曲度越小,渗透率越大;裂缝网络连通系数越大,裂缝-孔隙性多孔介质渗透率越大,越易出现优势通道效应,且裂缝网络连通性对裂缝-孔隙性多孔介质渗流能力的影响大于裂缝开度和裂缝网络走向;裂缝性多孔介质的迂曲度与裂缝网络走向因子呈多项式关系式,裂缝-孔隙性多孔介质的渗透率与裂缝网络连通系数满足指数关系式。

天然裂缝性油藏的离散裂缝网络数值模拟方法

针对裂缝性油藏中大裂缝、微细裂缝和孔隙等多种储渗介质共存的现象,将大裂缝作为控制流体流动的一维实体,组成离散裂缝网络,进行显式表示,将孔隙和微细裂缝组成的系统作为基岩介质,建立了天然裂缝性油藏两维两相数值模拟模型。采用加权余量法,建立有限元方程并进行了求解。对油藏有无裂缝及大裂缝的方位、长度和分布对水驱油的影响进行了研究。结果表明:大裂缝的存在会严重改变水驱油藏中注入水前缘的前进方向和速度,大裂缝与注采井间连线夹角越小及长度越大,都会导致注入水窜进越严重,从而使得油井见水早,含水率高;多条大裂缝的存在会造成剩余油分布的极度非均质及剩余油富集区的形成。

考虑复杂裂缝网络的致密油藏水平井体积压裂改造效果评价

提高储层压裂改造效果对经济有效开发致密油藏至关重要,评价压裂改造效果需要考虑复杂裂缝网络分布特征。基于微地震数据,采用分形随机缝网生成算法反演得到了次生裂缝分布特征,考虑压裂水平井近井地带的物性变化,建立了压裂水平井多区渗流数学模型,并进行了求解。基于该模型研究了次生裂缝复杂程度对流体流动的影响,研究结果表明:次生裂缝复杂程度对整个流动阶段均有较大影响,分形维数越大,产油量越高;改造带宽越大,拟稳态窜流早期线性流、双线性流持续时间越长;次生裂缝分布的压裂改造区域是生产早中期的主力区域,其产油量贡献度也最大;实际生产过程中应尽量增大改造区域体积,并使与改造区域不相邻区域的体积最小,以提高生产井的早期产油量、最大程度地提高储层采收率。研究结果可为致密油藏体积压裂效果评价及压裂优化设计提供理论依据。

背斜构造裂缝性碳酸盐岩油藏裂缝网络发育模式——以胜利油区富台油田车古201潜山为例

构造裂缝是裂缝性油藏的主要储集空间和渗流通道,对裂缝网络的描述是裂缝性油藏地质研究的重点和难点。裂缝网络发育受多种因素影响,非均质性极强,结合理论模式,通过野外相似露头,以及胜利油区富台油田车古201潜山油藏的钻井、测井、岩心、分析化验等多种资料、信息,系统研究了大、中、小、微不同尺度裂缝的发育特征及其分布规律,定量确定了不同尺度裂缝的关键特征参数,在此基础上针对背斜潜山不同构造部位(背斜轴部、翼部、倾末端),建立了背斜构造裂缝性油藏裂缝网络发育模式,为准确把握裂缝性油藏裂缝分布规律及高效部署开发井提供地质保障和依据。

基于离散裂缝网络模型的储层裂缝建模

应用测井和地震资料分析储层裂缝在三维空间上的分布形态.首先对微电阻率成像测井EMI资料处理,人工识别出天然张开裂缝,计算裂缝的密度、长度、宽度、倾角、方位等参数,并生成LAS格式的数据;然后以GoCAD为软件平台,依据离散裂缝网络模型DFN原理,综合运用裂缝定量数据、测井数据和地震资料,建立普光气田碳酸盐岩储层裂缝地质模型.该模型客观地反映了储层裂缝的几何特征和分布形态,可为后续气藏数值模拟提供依据.

基于拓扑结构的岩石裂缝网络表征方法

裂缝间的联结状态直接影响着裂缝网络的连续性、连通性等性能,而现有的岩石裂缝网络表征模型又无法准确描述裂缝间的联结状态。为此,运用拓扑方法,定义了裂缝网络拓扑结构基本参数,通过统计不同类型节点数的方式,计算了裂缝数、分支数以及裂缝、分支平均连接点数,由此建立了可以定量描述裂缝联结程度的网络拓扑结构模型。在此基础上,将该拓扑结构模型与表征裂缝网络的P_(xy)体系模型相结合,定义了裂缝网络综合评价指数及其表达形式,建立了一种基于拓扑结构的岩石裂缝网络表征方法。最后,应用该方法对松辽盆地南部下白垩统青山口组一段、二段页岩裂缝网络进行了表征,取得了较为全面的表征结果。结论认为:(1)该方法既可以描述裂缝网络的发育程度,又可以描述裂缝网络的连通性能,能够更为充分地表征岩石裂缝网络,对储层评价、储层改造、油气渗流等研究工作具有一定的帮助;(2)由于拓扑结构参数、综合评价指数与岩石裂缝网络性能之间的定量刻画尚不清晰,故下一步还需要开展大量的测试工作。

裂缝性油藏离散裂缝网络随机生成及数值模拟

裂缝性油藏裂缝表征及数值模拟是当前油田开发领域研究的难点和热点。为了克服连续性介质模型在裂缝描述和计算效率上的缺点,采用随机生成的离散裂缝网络进行裂缝性油藏数值模拟。首先应用地质统计学方法随机生成与实际裂缝在统计意义上等效的裂缝网络,并对其简化物理模型进行几何离散;然后通过计算不同维数控制体单元之间的传导系数,建立基于控制体积有限差分方法的油—水两相流动的数值计算格式;最后通过算例验证了该方法理论与算法的正确性。该方法对裂缝进行显式地降维处理,提高了网格生成效率,缩短了计算时间。

页岩裂缝网络水相自吸试验

水平井分段压裂形成的裂缝网络使页岩气藏经济开发,但也为压裂液大量滤失和进入页岩基块深部提供了通道和途径,削弱了压裂改造效果。开展页岩基块、单一裂缝、"T"型裂缝网络水相自吸试验,并与致密砂岩水相自吸试验进行对比分析。结果表明:与单一基块、裂缝相比,页岩裂缝网络在增大水相赋存空间的同时,也为裂缝-基块间自吸创造有利供给条件,增加了水相自吸侵入深度;致密砂岩水相自吸呈现活塞式均匀推进,且未产生新裂缝,而页岩水相自吸优先沿页理发生,因侵入流体与页岩发生水-岩作用萌生页理缝,进一步增加页岩缝网密度,扩大水相自吸范围。通过优选压裂液配方,利用滞留压裂液与页岩相互作用,发挥滞留压裂液对储层缝网的积极改造作用,可以达到改善页岩储层渗流通道、强化页岩气解吸-扩散-渗流传质能力的目的。

裂缝性油藏离散裂缝网络模型与数值模拟

离散裂缝网络模型由于能更好地表征裂缝性储层的非均质性而成为研究热点。将多点地质统计学中的FILTERSIM方法引入到离散裂缝网络建模中,克服了Monte-Carlo方法的不足,并为后续的渗流数值模拟提供裂缝网络模型。基于油水两相渗流模型,推导了油水两相饱和度有限元数值解格式,结合建立的裂缝网络模型,研究了一注一采井的水驱油动态过程和含水率上升规律。研究表明,离散裂缝网络模型与均质模型相比,由于存在裂缝网络,注入水沿着裂缝网络窜进,导致采油井过早地见水。当采油井见水以后,两种模型的含水率上升规律一致。

考虑页岩纹层与裂缝网络的延长组页岩多尺度三维地质结构模型

现场调查表明,砂质纹层、凝灰质纹层和天然裂缝广泛地存在于陆相页岩储层中。本文对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究,并构建了三维地质结构模型。首先,基于二维裂缝现场调查,利用蒙特卡罗模拟方法建立了研究区域的三维裂缝网络模型。然后通过多种观测手段获得由宏观尺度到微观尺度的纹层结构特征。对多尺度纹层厚度的统计分析表明,米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2. 26 m,2. 09 dm,1. 70 cm,1. 48 mm和11. 7μm,呈现出分形特征,分形维数为1. 06;不同研究尺度下的单层厚度均服从负指数分布规律,即各研究尺度下厚度越大的纹层,其层数越少,反之越薄的纹层其数量越多。最后,根据上述纹层平均厚度及概率分布函数特征,建立了页岩的多尺度纹层结构模型,并将其叠加在裂缝网络模型上,生成不同尺度下的页岩三维地质结构模型。模型输出的裂缝、纹层参数与研究区域的真实地质参数有着较好的对比验证。这项研究工作可为页岩气储层的水力压裂数值模拟和物理模型试验提供更可靠的地质模型。

页岩裂缝网络的几何特征二维表征及连通性分析

节理、裂缝等弱结构面非常发育是页岩地层的基本结构特征,裂缝网络的有效沟通可以增大压裂改造体积,正确认识和描述裂缝网络形态及连通性对合理有效开发页岩油气藏具有十分重要的意义。为准确描述页岩天然裂缝网络几何特征二维表征及其连通性,以分形几何和拓扑几何为理论依据,建立了页岩裂缝组裂缝尺寸、裂缝数量的分形描述模型,给出了裂缝网络连通节点类型、分支数、裂缝平均连通点数和分支平均连通点数等的计算模型,并对裂缝网络连通性进行了二维模拟,分析了分形维数、裂缝组数和裂缝组交角对裂缝网络连通性的影响。研究发现:天然裂缝分布的数量与发育程度受分形维数、组数和初始数量控制,随分形维数增大而增大;在其他参数不变的条件下,裂缝平均连通性和分支平均连通性对分形维数、裂缝组数、裂缝组交角等参数敏感,随分形维数的增大呈现降低趋势,随裂缝组数增加而升高,随裂缝组交角增大而升高。该研究结果可为合理制定页岩储层开发方案提供理论支撑。

正交裂缝网络中渗流特征实验研究

为研究正交裂缝网络模型中渗流特征和模型结构对渗透率的影响,利用大理石和不锈钢垫片组建了不同结构的正交裂缝网络模型,并在自行研制的物理模拟实验装置上进行了一系列单相和两相流动实验。研究表明:低渗流速度下裂缝网络模型中渗流服从线性渗流规律,随着渗流速度不断增大,渗流曲线向压力梯度轴弯曲,呈现非线性渗流特征;平行于渗流方向的裂缝数越多,模型渗透率越大;平行于渗流方向的裂缝数越少,最终采出率和注采压差越大,含水上升较缓;裂缝网络中水驱油主要靠注水驱动压力梯度和重力作用进行,平行于渗流方向的裂缝中流动满足达西定律,竖直裂缝中重力起重要作用。