水力裂缝逼近时天然裂缝稳定性分析

在考虑天然裂缝闭合程度的情况下,基于弹性力学及断裂力学理论,建立了水力裂缝逼近天然裂缝时天然裂缝面应力场模型并得到其解析解,同时进一步明确了水力裂缝诱导应力的意义及其作用方式。天然裂缝稳定性影响因素敏感性分析表明:水力裂缝在逼近天然裂缝过程中会在很大程度上影响天然裂缝的稳定性,影响因素包括水平应力差异系数、水平主应力差值、逼近角、逼近距离、净压力、天然裂缝闭合程度以及水力裂缝长度,其中水平应力差异系数、水平应力差、逼近角以及净压力的影响最为显著,逼近角与逼近距离还会影响失稳中心点的位置。分析了各个因素对失稳区域范围的影响,明确了影响天然裂缝稳定性的因素以及影响程度,为建立准确、完善、系统的缝网压裂理论奠定基础。     

天然裂缝对水利裂缝延伸的影响研究

基于水力裂缝与天然裂缝的等效平面力学理论,综合考虑裂缝剪切与张性破坏机制,建立水力裂缝延伸数值模型,对天然裂缝作用下的水力裂缝延伸方向、延伸形态进行综合分析。结果表明：当天然裂缝位于井周附近时,在水平最大应力方向上,天然裂缝在靠近井眼位置时,容易对水力裂缝产生转向作用,在水平最小应力方向上,天然裂缝远离水力裂缝延伸方向,对水力裂缝延伸的影响也逐渐减小;当天然裂缝与水力裂缝相遇时,在低逼近角条件下,水力裂缝易转向,并沿天然裂缝延伸,在高逼近角条件下,则易直接穿过天然裂缝;低裂缝强度和低水平应力比值条件下,天然裂缝对水力裂缝延伸影响更明显。通过大尺寸真三轴水力压裂实验对数值模型进行验证,数值计算结果与实验数据吻合良好,证明该模型的适用性。该研究成果可为天然裂缝发育储层水力压裂提供一定理论指导。     

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。     

基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究

针对页岩压裂属于脆性材料的裂缝扩展问题,从线弹性断裂力学理论出发,建立了水力裂缝与天然裂缝干扰判据以及新裂缝起裂角计算模型,并在此基础上编写了裂缝扩展计算程序,从地质和工程2个方面分析了页岩储层缝网延伸形态的受控因素。研究表明:在低水平主应力差和低逼近角的情况下,天然裂缝易发生剪切破坏,迫使水力裂缝发生转向形成复杂裂缝网络;新裂缝起裂角与天然裂缝倾角、水平应力差以及缝内净压力密切相关;天然裂缝展布(倾角、距离)对缝口净压力、交会点处裂缝缝宽有重要影响;低黏度压裂液有利于增大天然裂缝的极限延伸距离,而较高的施工排量可以增大交会点处天然裂缝宽度,利于支撑剂通过弯曲段,减小桥堵现象的发生。研究成果对页岩储层压裂设计具有重要的理论参考价值。     

火山岩储层水平井分段压裂剪切破裂体积模拟方法

火山岩储层压裂对天然裂缝的有效激活可改善储层渗流能力,提升压裂效果。因此,火山岩储层水平井分段压裂的天然裂缝剪切破裂体积和剪切位移的模拟与表征,对量化储层改造充分程度、优化压裂工艺设计具有重要意义。针对裂缝性火山岩储层水平井分段压裂水力裂缝的动态延伸行为,考虑扩展裂缝对应力-压力场的干扰作用,以此触发天然裂缝的剪切破裂机制,建立了火山岩储层水平井分段压裂剪切破裂体积模拟方法。研究表明:剪切破裂体积随着水平应力差、天然裂缝逼近角、弹性模量、压裂液总量及注入排量的增大而增大,随着天然裂缝内聚力的增大而减小;泊松比对剪切破裂体积的影响不明显。该方法实现了对火山岩储层水平井分段压裂剪切破裂体积的定量模拟与表征,对提高火山岩储层压裂的优化设计及压后效果评估具有重要的理论指导意义和矿场应用价值。     

胶结型天然裂缝对水力裂缝影响的数值计算模型及机理

页岩等非常规储层中富含由矿物填充的胶结型天然裂缝,水力裂缝与胶结型天然裂缝间的相互作用机制是控制复杂裂缝网络形成的关键。基于流动-变形耦合的内聚力模型,采用断裂能参数对天然裂缝胶结强度进行简化表征,建立了水力裂缝与胶结型天然裂缝间相互作用的数值模型。通过与单条水力裂缝极限情况渐进解对比,验证了该方法的可行性。在此基础上,研究了地应力、逼近角、胶结强度比以及压裂液黏度和注入速率等因素对水力/天然裂缝相互作用的影响。研究结果表明：水平地应力差与最小水平地应力共同控制着水力裂缝的穿越行为;地应力差相同,最小水平地应力不同,水力裂缝最终几何形态及缝内压力分布可能不同;逼近角越小,水力裂缝越容易转向沿天然裂缝扩展;胶结强度比越大,水力裂缝越不容易转向沿天然裂缝扩展;忽略缝内流体滤失,相同的注入速率和流体黏度的乘积会导致相似的裂缝几何形状及注入点压力变化。裂缝尖端前缘区域形成低孔隙压力区与内聚力区大小有关：内聚力区越小,孔隙压力越低。     

胶结型天然裂缝对水力裂缝影响的数值计算模型及机理

页岩等非常规储层中富含由矿物填充的胶结型天然裂缝,水力裂缝与胶结型天然裂缝间的相互作用机制是控制复杂裂缝网络形成的关键。基于流动-变形耦合的内聚力模型,采用断裂能参数对天然裂缝胶结强度进行简化表征,建立了水力裂缝与胶结型天然裂缝间相互作用的数值模型。通过与单条水力裂缝极限情况渐进解对比,验证了该方法的可行性。在此基础上,研究了地应力、逼近角、胶结强度比以及压裂液黏度和注入速率等因素对水力/天然裂缝相互作用的影响。研究结果表明：水平地应力差与最小水平地应力共同控制着水力裂缝的穿越行为;地应力差相同,最小水平地应力不同,水力裂缝最终几何形态及缝内压力分布可能不同;逼近角越小,水力裂缝越容易转向沿天然裂缝扩展;胶结强度比越大,水力裂缝越不容易转向沿天然裂缝扩展;忽略缝内流体滤失,相同的注入速率和流体黏度的乘积会导致相似的裂缝几何形状及注入点压力变化。裂缝尖端前缘区域形成低孔隙压力区与内聚力区大小有关：内聚力区越小,孔隙压力越低。     

超深裂缝性碎屑岩储层天然裂缝激活研究

针对塔里木油田白垩系巴什基奇克组超深裂缝性碎屑岩储层天然裂缝激活方法不明确的问题,根据摩尔-库伦破坏准则,对研究区储层天然裂缝发生剪切激活和张性激活条件进行分析,模拟测试了水力压裂和酸化压裂中的裂缝导流能力。研究结果显示:水力压裂中存在相互错动的裂缝导流能力是无错动裂缝的100~1 000倍,无错动裂缝加砂后导流能力超过1 000倍,缝网压裂过程中天然裂缝剪切滑移也会实现增产改造效果,加砂对无错动裂缝改造效果具有重要影响;在加砂条件下,裂缝是否存在错动对导流能力无本质影响。缝网酸化压裂中充填性天然裂缝在较低闭合应力下(小于20 MPa)酸岩反应时间对导流能力影响不大,在较高闭合应力下,酸岩反应时间越长,充填物溶蚀量越大,导流能力保持程度越高;充填性天然裂缝可以通过酸蚀获得有效导流能力,而非充填性天然裂缝不能通过酸蚀获得有效导流能力。研究成果为库车山前超深储层缝网改造提供了技术支持。     

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。     

天然裂缝地层斜井水力裂缝起裂压力模型研究

受天然裂缝和倾角的影响,水力裂缝在斜井井壁处可能存在3种起裂方式,分别为沿天然裂缝面张性起裂、沿天然裂缝面剪切破裂和从岩石本体起裂.根据地层地应力状态及天然裂缝的产状,建立了裂缝性地层斜井水力裂缝3种起裂方式的起裂压力计算模型,提出了水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法.现场实例表明:该模型能成功地解释天然裂缝性地层的破裂压力.     

Hydraulic fracture initiation theory for a horizontal well in a coal seam

A series of experiments were performed to determine rock mechanical parameters related to hydraulic fracturing of coal.The effect of confining pressure and pore pressure on the strength of coal was studied.Experimental results show that the coal seam in the study areas has a relatively low elastic modulus,high Poisson’s ratio,high fragility and is easily broken and compressed.The coal seam is considered as a transversely isotropic medium,since the physical properties in the direction of bedding plane and orthogonal to the bedding plane vary markedly.Based on the generalized plane strain model,stress distribution for an arbitrarily orientated wellbore in the coal seam was determined.In a horizontal well,hydraulic fracturing was found to initiate in the coal seam mass due to tensile failure,or from cleats due to shear or tensile failure.For those coal seams with abundant natural cleats,hydraulic fracture initiation can be induced by any of these mechanisms.In this study,hydraulic fracture initiation criteria for a horizontal well in a coal seam were established.     

基于线性强化弹塑性疏松砂岩破裂模式

渤海油区疏松砂岩储层埋深较浅，地层天然压实作用较弱，在压裂充填过程中表现出明显的非线性塑性特征，分析和研究疏松砂岩地层压裂过程的破裂模式对于破裂压力的预测和压裂充填施工设计具有重要的实际意义。基于线性强化弹塑性岩石本构力学模型，考虑压裂液渗滤效应，建立了疏松砂岩地层弹性和塑性双区井周应力模型，通过理论分析验证了应力模型的正确性。基于岩石的拉伸破坏和剪切破坏准则，获得了疏松砂岩压裂充填过程中井壁破裂压力预测模型和4种破裂模式，并利用现场数据验证了模型的可靠性。研究结果表明：井壁屈服后塑性区呈椭圆型，且长轴在最大主应力方向；塑性模量系数越大，塑性半径越小，破裂压力越小；屈服应力越大，塑性半径越小，破裂模式由塑性拉伸破坏、塑性剪切破坏向弹性拉伸破坏变化；随内摩擦角和内聚力逐渐增加，破裂压力增加到一定值后不再变化，破裂模式由塑性剪切向塑性拉伸变化。在渤海油区常规疏松砂岩物性范围内，破裂模式主要为塑性剪切破坏。     

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碳酸盐岩裂疑性地层破裂压力定量预测目前仍是一道复杂的难题。文章应用水力压裂力学原理，紧密结合川南东部地区阳统统碳酸盐岩地层特征，探讨了该地区的地破裂压力机理，认为核区大部分压酸化井人工压裂缝是在自然垂缝上延伸扩展，破裂压力近似等于其垂缝延伸压力。在水平挤压应力和扭剪应力作用下，岩体抗张强度主要受地层破碎系数和应力强度指数控制，文章建立了预测地层破裂压力的物理－数学模型，确定岩体视抗张强度，进而对地     

多级压裂诱导应力作用下天然裂缝开启规律研究

非常规储层多级压裂过程中,诱导应力是影响天然裂缝是否开启和压裂效果的重要因素。根据岩石力学理论和天然裂缝的受力状态,推导出压裂过程中地层应力分布计算模型,得到天然裂缝发生张性破坏和剪切破坏开启的力学条件。黑185井的模型计算结果表明:水平井压裂时存在诱导应力,由于诱导应力的影响,沿井筒方向的地应力增大1.70 MPa,地应力状态发生改变;考虑诱导应力的天然裂缝开启所需的压裂最小泵压为29.27 MPa;不考虑诱导应力的压裂最小泵压为26.31 MPa。研究结果表明,多级压裂产生的诱导应力使天然裂缝开启变得困难,诱导应力增大,天然裂缝开启所需的泵压增大,二者呈线性关系,实际压裂设计时应考虑诱导应力的影响。      

川南东部地区阳新统的地层破裂压力预测

碳酸盐岩裂缝性地层破裂压力定量预测目前仍是一道非常复杂的难题。文章应用水力压裂力学原理，紧密结合川南东部地区阳新统碳酸公岩地层特征，探讨了该地区的地层破裂压力机理，认为该区大部分压裂酸化井人工压裂缝是在自然垂缝上延伸扩展，破裂压力近似等于其垂缝延伸压力。在水平挤压应力和扭剪应力作用下，岩体抗张强度主要受地层破碎系数和应力强度指数控制，文章建立了预测地层破裂压力的物理一数学模型，确定岩体视抗张强度，进而对地层破裂压力进行预测。经实际破裂压力资料验证，绝对误差最大５．０ＭＰａ，一般小于３．０ＭＰａ；相对误差最大５．０％，一般小于２．０％。     

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。     

The impact of cleats on hydraulic fracture initiation and propagation in coal seams

Cleats are systematic, natural fractures in coal seams. They account for most of the permeability and much of the porosity of coalbed methane reservoirs and can have a significant effect on the success of hydraulic fracturing stimulation. Laboratory hydraulic fracturing experiments were conducted on coal blocks under true tri-axial stress to simulate fracturing stimulation of coal seams. Fractures were initiated by injecting a water gel with luminous yellow fluorescent dye into an open hole section of a wellbore. The impact of cleats on initiation and propagation of hydraulic fractures in coal seams is discussed. Three types of hydraulic fracture initiation and propagation pattern were observed in this study: 1) The hydraulic fracture initiated and then grew along the cleat. 2) The hydraulic fracture initiated along a butt cleat or a fracture(natural or induced by drilling) oriented roughly in the minimum horizontal stress direction, then turned to propagate along the first face cleat that it encountered or gradually turned towards the maximum horizontal stress direction. 3) The hydraulic fracture initiated perpendicular to the minimum stress and, when it encountered a face cleat, tended to propagate along the cleats if the extension direction does not deviate greatly(20° as determined in this paper) from the maximum horizontal stress direction. When a coal seam is hydraulically fractured, the resulting fracture network is controlled by the combined effect of several factors: cleats determine the initiation and extension path of the fracture, the in-situ stress state dominates the main direction of the fracture zone and bedding planes impede fracture height growth.     

安全钻井液密度上限的确定方法

当钻井液密度达到安全钻井液密度窗口的上限时,井壁并不只是发生拉伸破裂,还有可能发生剪切破裂。为此,根据井壁围岩的应力分布规律,分析了井壁破裂时可能发生的各种破坏模式,并给出了相应的3个破裂压力计算公式。在此基础上,定量分析了地应力非均匀性、地应力大小、地层强度和孔隙压力对井壁破裂时破坏模式的影响规律。结果认为：地应力非均匀性较小时,井壁易发生剪切破裂,发生拉伸破裂的可能性随地应力非均匀性的增强而增大;当水平地应力较小时,剪切破裂和拉伸破裂均有可能发生,随地应力增大,发生拉伸破裂的可能性减小;地层强度和孔隙压力越大,井壁发生拉伸破裂的可能性越大。最后,通过东方13 1气田的1口井实例分析说明了在确定安全钻井液密度窗口上限时,必须考虑剪切破裂发生的可能性,应以发生拉伸破裂和剪切破裂所需钻井液密度的最低值作为安全钻井液密度窗口的上限。