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。

非常规油气储层敏感性评价方法

将回收率实验创新性地加以改进并引入到储层敏感性评价中,通过测定样品在不同溶液中的回收率,对储层的酸敏、碱敏以及盐水敏特性进行评价。结果表明:岩心流动实验结果与回收率实验结果具有很好的一致性,适合于测定岩心的酸敏、碱敏以及盐水敏特性,同时给出了利用回收法测定储层酸敏、碱敏以及盐水敏特性的敏感指数划分标准。此方法操作简单、重复性好、实用性强,是对非常规油气储层敏感性评价方法的有益补充。

利用化学助剂强化CO_(2)埋存实验设计

结合储层CO_(2)埋存技术,自主搭建了地层温度压力条件下CO_(2)埋存实验装置,开展了多介质辅助CO_(2)埋存实验研究。研究结果表明,乙醇-KOH体系能够有效进行CO_(2)矿化埋存,其中96%乙醇+3 g KOH 500 mL溶液捕集CO_(2)能力最强,是最佳的CO_(2)矿化埋存溶液配比。经CO_(2)矿化埋存后,低渗透岩心孔隙度平均降低7.07%,孔隙度变化率与孔隙度呈正相关关系,渗透率平均降低16.01%。因此,96%乙醇+3 g KOH能够加速CO_(2)在储层中的CO_(2)沉淀过程,缩短CO_(2)在储层中的矿化埋存时间。该研究可重复性、准确性和可扩展性较强,能够激发学生自主设计实验的积极性及创新意识,培养学生的独立思考能力,有利于学生将理论知识与实际工程问题相结合,实现科研能力与创新能力的相互促进。

基于热点工程难题的创新性固井实验教学探索

针对传统实验教学在创新人才培养方面的不足,以固井实验教学为例,提出了创新性固井实验教学思路,设计了创新性固井实验内容,开展了创新性固井实验教学探索。基于固井方向的热点工程难题,提炼和筛选出水泥浆漏失实验、水泥环密封性实验和水泥石力学性能实验等创新性实验内容,采用调研分析-方案设计-方案探讨确定-方案实践-规律探索等层层推进的教学方法开展实验教学,激发了学生的兴趣,锻炼了学生的文献调研分析能力、方案设计能力、动手实践能力、创新能力和团队沟通合作能力,提高了学生的综合素质。创新性实验教学受到了学生的欢迎,取得了较好的教学效果。

非常规天然气储层超临界CO2压裂技术基础研究进展

非常规天然气(致密气和页岩气)储层一般呈现低孔隙度、低渗透率、低孔喉半径等特征,气流阻力大,对于非常规天然气藏开发,主要采用压裂方式改造储层,提高单井产量和稳产有效期。水力压裂是实现商业开采的常用手段,但水力压裂针对非常规天然气储层存在水敏、储层污染等一系列问题。超临界二氧化碳(SC-CO2)无水压裂可以避免上述问题,是一种潜在的经济有效的压裂新方法,并具有减排优势。针对非常规天然气储层SC-CO2压裂技术进行跟踪调研,介绍非常规天然气储层压裂改造技术应用现状和非常规天然气储层SC-CO2压裂改造基础研究进展,分析SC-CO2压裂非常规天然气储层滤失特性、相态控制技术、SC-CO2压裂液增黏方法和SC-CO2压裂液携带支撑剂跟随性评价技术;提出SC-CO2压裂设备及工艺流程。开展结合现场工艺的SC-CO2压裂相态精确预测、研发不含氟、碳氢类聚合物的SC-CO2压裂液增黏剂体系、优选低密度支撑剂和进行SC-CO2压裂设备防腐、密封和流动保障技术攻关是非常规天然气储层SC-CO2压裂技术最重要的发展方向。

CO_(2)-C_(2)H_(6)吞吐提高致密油藏采收率实验研究

注CO_(2)已经成为致密油藏提高采收率的重要手段之一,相较于纯CO_(2),部分烃类气体对原油的降黏及混相能力更强。为此,通过高温高压PVT实验研究了CO_(2)及复合气体(CO_(2)-C_(2)H_(6))-原油的饱和压力及黏度的变化特征,并利用高温高压岩心吞吐实验揭示了不同气体介质、吞吐压力及吞吐轮次下原油动用程度。研究结果表明:复合气体中C_(2)H_(6)增强了气液两相混相能力,提高了CO_(2)降黏及溶解能力,原油流动性显著增加。复合气体中随着C_(2)H_(6)摩尔分数的增加,原油饱和压力由14.24 MPa增至18.02 MPa,提高了26.54%;原油黏度由23.68 mPa·s降至8.76 mPa·s。不同吞吐压力下复合气体(CO_(2)-C_(2)H_(6))的采收率提高效果均强于纯CO_(2)的,且吞吐压力在最小混相压力附近采收率提高程度高于其他吞吐压力。复合气体(CO_(2)-C_(2)H_(6))对孔隙半径为0.0001~0.001和0.01~1μm孔隙中的原油动用程度强于纯CO_(2)的。

深水夹层管准静态屈曲传播实验设计

针对海底管道发生整体失效破坏的主要模式之一屈曲传播,提出了以SS304不锈钢为内外管、高密度聚乙烯(HDPE)为夹层的夹层管准静态屈曲传播实验设计方案。设计并制作了夹层管缩尺模型,利用深水高压舱开展了准静态屈曲传播实验。结果表明,所设计的屈曲传播实验能够达到夹层管准静态屈曲传播压力测试要求。实验获得的屈曲传播压力数据可为夹层管基本结构设计和现场工程应用提供参考。

提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念及可行性

穿越型天然气水合物层进行深层油气生产作业时,由于井筒散热导致井周水合物受热分解,对水泥环与套管界面胶结处造成损坏,严重时会造成油气井的报废。针对这一技术难题,提出一种可以提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念,提出采用低水化热早强保温隔热水泥浆体系进行水合物层段的封固方法。同时对保温隔热材料提高水泥浆保温隔热性能的可行性进行研究。结果表明:在水泥浆中添加合理的中空微球材料可以使水泥浆在保持合理的水泥石强度的同时具有较低的水泥石热导性,复配材料加量为10%时水泥石的导热系数从0.8 W/(m·K)降低至0.32 W/(m·K),为解决当前深水油气井长效生产提供了新的解决思路。

基于微观模拟的分子石油工程实验室研究与建设

为促进学科交叉融合的复合型人才培养,建立了基于微观模拟的分子石油工程实验室。将材料科学的多尺度模拟技术应用于石油工程领域,提出了分子石油工程概念,从分子层面和微纳尺度上研究和揭示非常规油气、页岩油气、深层油气的赋存与渗流机制等。以高水平科研项目为依托,培养石油工程类学生的理性思维和材料科学学科学生的工程概念,推动学生的跨学科培养。

二甲醚水驱提高稠油油藏采收率实验

为研究二甲醚(DME)在稠油油藏开发中的增产机理,揭示其在油水两相中的传质规律及对稠油的溶胀降黏效果,选取大港油田某区块稠油油样,开展高温高压条件下PVT和填砂管驱替实验。结果表明:DME是一种良好的稠油降黏剂,易溶解于水,更易溶解于原油,在油水两相中具有较强的扩散作用;水可作为载体将DME注入地下,并可通过添加乙醇或乙二醇来提高DME的携带量;对于黏度较低的稠油,可在水驱基础上开展DME水驱,增油效果显著,对于黏度较高无法形成有效驱替的稠油,可考虑采用水或CO_(2)作为载体进行DME吞吐。研究结果对DME在稠油开采中的应用具有重要指导意义。

高温高压页岩渗吸实验系统设计

结合页岩油储层渗吸提高采收率机理,设计了一套高温高压页岩渗吸实验系统。根据其内置的渗吸置换系统可以模拟页岩油储层焖井期间的渗吸作用,通过温压协调控制系统可以模拟储层的压力与温度条件,结合数据采集系统可以对岩心重量或渗吸液量进行精确计量。该套系统能够用于开展页岩渗吸作用影响因素研究,评估页岩油储层的渗吸提采效果,具有可适用性和准确性,有利于激发学生的创新精神,培养学科交叉思维,增强团结协作解决实际工程问题的能力。

基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验

气体反循环钻井技术存在弯管刺漏问题,严重降低了钻孔时效。该文将仿生学中非光滑表面形态引用到弯管抗磨分析上,设计出具有一定分布特点的非光滑表面结构。搭建反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统,井底流场模拟器可还原携带岩屑的高速气流在井内的循环流场,对不同非光滑表面实验元件进行抗磨性分析。结果表明,圆形凹坑非光滑表面结构抗磨性最佳,并且凹坑直径越小、凹坑越密集,其抗磨性越好。改进弯管结构,在刺漏点增加可更换的盖板,并将弯管内壁面和盖板底面分别加工成凸C、沟C、凹C非光滑表面,相同钻井条件下,凹C弯管抗磨性最大。实践表明,改进后弯管抗磨性增加,钻孔时效显著提高。

水锁与水敏的区分认识及综合实验设计

设计用于区分认识储层水敏伤害与水锁伤害的综合性实验,通过岩心矿物分析、微观形貌观察、润湿性测定与孔喉分布特征对储层潜在水敏与水锁程度进行评判;开展水锁伤害与水敏伤害岩心流动实验,评价储层伤害程度。综合分析潜在损害因素与实际实验结果,区分水敏与水锁伤害的实际影响权重。结果表明,岩心矿物组分、微观结构形貌、润湿性与孔喉分布特征分析是准确区分认识水敏与水锁的前提;敏感性实验评价得到的水敏伤害比实际高,储层伤害主控因素是水敏的评判结果往往是片面的,真实主控因素更可能为水锁。该综合实验可为石油工程专业相关课程的实验设置提供借鉴。

深部砂岩力学实验及储层开采出砂影响规律

为研究深部储层砂岩在高温、高压、高应力状态下的开采出砂规律及主控因素,以克深区块为研究对象,开展了相应的岩石力学实验和数值模拟分析。实验岩心取自该区块致密砂岩储层,通过实验获得了高温高压下岩石的弹性模量、内聚力和内摩擦角等参数及其变化规律。结合实验结果和该地区地质特征,建立了深部砂岩储层直井开采热流固耦合模型,并利用有限元软件进行求解;通过分析储层Mises应力、等效塑性应变等参数变化特征,结合出砂判别标准,得到了不同开采条件下的出砂影响规律。采用正交试验设计方法进行了出砂敏感性因素分析,获得了其出砂的主控因素。研究结果表明:水平地应力的非均匀程度对储层开采出砂的影响最大,岩石胶结强度和生产压差的影响次之,地层温度变化影响相对较小。

超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验研究

针对页岩储层压裂后一次衰竭开发原油采收率低的问题,基于页岩储层的低孔、超低渗透特征,提出了超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验方法。通过自主设计的室内岩心实验评价超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体吞吐页岩油的效果,并对实验过程中注入介质、焖井时间、注入压力、吞吐轮次对提高采收率的影响规律进行研究,同时通过核磁共振技术明确超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体对不同孔隙类型中原油的动用程度。结果表明:超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体吞吐可以有效提高页岩油采收率;对于物性较差的页岩岩心,焖井时间对提高采收率有较大影响;注入压力与超临界CO_(2)/H_(2)O混合流体的扩散速度和渗流能力密切相关,混相条件下提高采收率效果显著;增加吞吐轮次大孔隙中的原油动用效果较好,但无法通过增加吞吐轮次动用更多微小孔隙中的原油。

尾流干涉下圆柱流致振动的俘能实验设计

为了证实海洋圆柱结构流致振动中蕴含的能量利用潜能,提出了直立式流致振动俘能系统以期有效提升能量俘获效率,并设计了相关实验。确立了振动圆柱不同的布局形式,在随机波流耦合水槽中对不同布局下圆柱的尾流干涉效应展开了研究,并结合流致振动实验中的圆柱尾流激振响应现象设计了直立式流致振动俘能实验。相关的实验操作与分析强化了学生对基础理论知识的理解,同时提升了学生的学科融合视野与创新实践能力。

乳化沥青提高原油采收率研究进展

乳化沥青具有注入性能好、封堵强度高等优点,作为一种选择性堵剂在油田提高采收率领域比其他化学剂体系更具应用潜力。本文总结了国内乳化沥青堵水体系的开发历程及现场选择性堵水的应用效果。通过调研近年来国内外文献,概述了乳化沥青堵水的作用机理,一种是作为乳液的作用机理,主要是乳液颗粒被变形捕获产生贾敏效应和乳液液滴的机械滞留使水的流动阻力增大;另一种是其分散相也就是乳液破乳后沥青的作用机理,主要是沥青黏附在岩壁上起到的堵水作用。同时,总结了乳化沥青稳定的主要影响因素,包括温度、水相中的电解质浓度和pH值以及分散相中的沥青质,并且论述了各因素影响乳化沥青稳定性的作用机理。最后,详细叙述了乳化沥青应用于油田调剖堵水领域的最新研究进展,研究表明乳化沥青不仅具有优异的封堵效果,还具有独特的封堵选择性。此外,乳化沥青还能与CO_(2)吞吐、泡沫调驱组成复合增产技术进行现场应用,并且指出了乳化沥青应用于调剖堵水领域存在的问题与未来展望。

重复冲击下砂岩的动态响应试验研究

高速动能水击压裂可借助聚能水锤效应实现强动载泄入性液压冲击,具有高峰值压力、高加载速率、重复多次渐进扩缝等优势,其中聚能流体贯入性冲击下岩石损伤-破裂的演化机制是该技术优化设计的核心问题。为此,采用岩石动态冲击损伤模拟试验装置,开展高速动能水击压裂破岩试验,分析不同加载速率、冲击次数、冲击组合等对岩石破裂形态的影响规律。结果表明:单次高速动能水击破岩中,随着加载速率的提高,岩石破坏依次呈现出近孔眼破碎损伤(8.5 MPa/ms)、微裂缝聚并串联成宏观裂纹(13.4 MPa/ms)、流体楔入形成脆性崩裂裂缝(15.5 MPa/ms)三种模式;在小峰值压力、低加载速率重复冲击下,岩石损伤破坏呈现近孔眼损伤(1~2次)-裂缝起裂扩展(3~5次)-应力挤压破碎(6~10次)三个阶段,随着冲击次数的增加,孔眼周围损伤加剧,形成3~40 mm(贯穿岩样)不等长的裂缝;“先低后高”组合加载速率冲击方式下,前期重复低速率冲击可在孔眼周围形成微裂纹损伤而又不会产生破碎压实,随后借助单次高加载速率聚能冲击,实现大体积高压流体在微裂纹内的快速楔入,激发多条径向深穿透裂缝,同时该组合冲击方法还可实现主裂缝两侧基质扩容增渗和相交分支缝网,实现改造效果的最大化。

永进油田致密储集层岩石力学参数剖面构建及应用

为评价低渗致密储集层可压裂性,对准噶尔盆地沙湾凹陷永进油田Y301井和Y3井的6块岩心进行实验,获得岩心矿物组分、孔隙度、应力—应变曲线、纵波速度、横波速度等参数,实验结果与测井、录井数据基本吻合,构建了研究区岩石力学参数经验模型。同时,基于等效介质模型,考虑矿物组分和孔隙结构特征建立了一种新的岩石脆性指数计算模型。在此基础上,提出了基于测井数据的低渗致密储集层力学参数剖面构建方法,并以Y301井为例进行了计算,结果表明,Y301井齐古组可压裂性良好,为致密砂岩储集层可压裂性综合评价奠定了基础。

岩土材料中冰分布状态的冷冻电镜表征方法

为从微观角度定量描述冰在岩土材料中的分布特征,基于冷冻电镜技术提出了一种微观尺度的实验表征方法。针对不同冰饱和度人造岩芯样品的二次电子图像和能谱分析图,通过元素含量分布、升华前后图像对比确认了冰在岩土材料中的分布状态。随着冰饱和度的增加,骨架孔隙被冰填充、骨架颗粒表面被冰包裹区域增大,样品断面更密实平整,岩土骨架的堆积结构特征变弱。在背散射电子图像中,冰的图像比岩土骨架亮度低、灰度高,基于此构建了冰饱和度的数字图像计算方法。该方法计算的升华前冰饱和度与样品预制冰饱和度偏差小于5%,验证了其可靠性。