水平井缝网压裂裂缝间距的优化

为了让致密油气藏分段压裂时形成的水力裂缝和天然裂缝相沟通,形成复杂缝网,提高水力压裂增产效果,采用数值模拟方法研究了水平井缝网压裂的缝间距优化问题。建立了均质、各向同性储层内二维水力裂缝的诱导应力差模型;根据裂缝转向机理,推导出了缝间最大诱导应力公式,确定了最优间距。结合现场数据,计算了泊松比为0.2~0.5、缝间距为40~90 m时的缝间诱导应力。计算结果表明:地层的泊松比越小,裂缝的诱导应力差越大,诱导应力的传播距离越远;随着与裂缝距离的增加,诱导应力差呈现先增大后减小的趋势;当2条裂缝之间的距离为最优间距时,缝间的诱导应力差最大。研究表明,优化裂缝之间的缝间距,可以使裂缝之间的诱导应力差达到最大值,形成复杂的裂缝网格,提高油气与井筒之间的连通性。研究结果为低渗透油气藏缝网压裂时的裂缝优化设计提供了参考。      

基于扩展有限元的水力压裂缝间干扰及裂缝形态分析

为了研究水平井分段多簇压裂裂缝扩展过程中缝间干扰及其对裂缝形态的影响,在考虑裂缝流和压裂液滤失的情况下,利用扩展有限元方法,分别对不同裂缝间距、不同位置组合的裂缝在同时和分时压裂过程中,水平主应力、裂缝长度、加砂前裂缝宽度以及裂缝延伸方向的变化进行数值模拟分析。通过对比发现：在裂缝扩展过程中,由压裂液作用而产生的诱导应力使得裂缝两侧椭圆型区域内的水平主应力发生转向,其单侧作用距离约为1.5倍的缝长,而裂缝尖端应力方向不受影响;2条裂缝同时起裂时,2条对称裂缝延伸方向呈“相斥型”偏转,偏转角度随着裂缝间距增大而减小,2条交错裂缝延伸方向呈“相吸型”偏转,加砂前缝宽较单一裂缝扩展时窄;分时起裂的2条裂缝,后起裂裂缝的延伸方向随着裂缝间距增加先呈现“相吸型”后出现“相斥型”,且后期裂缝的延伸缝长会受到抑制,当2条裂缝间距较近时,后起裂裂缝会严重影响前起裂裂缝的加砂前缝宽甚至会使其闭合,但其缝长会有所增加,交错裂缝两翼会出现严重的非对称扩展的情况。     

应力阴影效应对水平井压裂的影响

为揭示水平井分段改造中的应力阴影效应及其影响因素,基于水平井分段体积改造理论,借鉴Bunger的应力场分析假设条件,从水平井单一横切缝入手,建立起了考虑应力阴影的应力场叠加数学模型并推导出数学公式,在此基础上得出简化的水平井多段应力阴影效应应力场模型。对应力阴影效应影响因素的分析结果表明:储层地质参数中杨氏模量、水平主应力差对应力阴影效应的影响大,而泊松比对其影响则很小;施工参数中施工排量对应力阴影效应的影响明显,在一定储层条件下,分段及簇间距越小,应力阴影效果对水平井裂缝附近其他裂缝的扩展产生应力阴影影响越大。利用该研究成果对现场实际水平井压裂进行了优化设计,微地震监测结果表明:利用应力阴影效应只压裂6段就实现了以往10段压裂的改造体积,较之以往减少压裂4段,节约成本在30%以上。这对合理利用应力阴影效应进行水平井体积改造裂缝尺寸设置及工艺参数优化具有重要的指导意义。     

页岩气藏水平井水力压裂裂缝敏感参数数值分析

在计算页岩气井水平井分段压裂诱导应力和分析缝间干扰机理时,如果将页岩近似为各向同性体,将严重偏离工程实际。文中考虑了页岩弹性各向异性和孔隙渗流应力耦合效应,建立了水平井分段压裂三维有限元数值模型,针对水平井分段压裂方式、页岩力学特性对射孔簇间距的影响规律进行了敏感性研究分析。结果表明,裂缝形成的先后顺序影响裂缝周围诱导应力场,选择压裂方式与顺序压裂方式相比,形成的缝间诱导应力较小,最优缝间距也较小;页岩储层较高的弹性模量会引起较强的缝间干扰,导致缝宽和缝长均减小,页岩弹性模量各向异性越强,最优缝间距越大。所建有限元数值模型克服了仅适用于常规各向同性体诱导应力解析模型的限制,提供了相应的理论参考和技术支持。     

水平井体积压裂簇间距优化方法

簇间距是水平井分段多簇压裂设计过程中的一个重要参数。为了进一步提高致密储层水力压裂增产效果,沟通水力裂缝和天然裂缝形成复杂缝网,采用有限元数值模拟方法研究水平井缝网压裂的簇间距优化问题。通过建立均质各向同性储层内三维水力裂缝的诱导应力差模型,从降低应力影效应的不利影响和利用应力影效应的有利影响两个方面分别建立了最小簇间距优化模型和最大改造体积簇间距优化模型,结合裂缝转向机理确定最优簇间距优化原则。研究结果表明:(1)裂缝偏转角度越小,最小簇间距增大;(2)储层改造体积随着簇间距的增加先增大后减小,改造体积最大值所对应的簇间距即为最优簇间距;(3)同一裂缝流体压力条件下,主应力转向角度变化对最大改造体积簇间距的影响小。综合最小簇间距模型和最大改造体积簇间距模型,可以得出最优簇间距,该方法为低渗透储层缝网压裂时的裂缝优化设计提供了参考。     

应力阴影效应对页岩气水力裂缝宽度影响分析

应力阴影效应既能使裂缝转向形成复杂缝网,又能使压裂裂缝净压力升高、裂缝宽度变窄不利于裂 缝延伸发展。为此,基于应力阴影效应应力场叠加模型,结合压裂裂缝宽度分布模型,分析应力阴影效应对裂缝宽 度的影响。实例分析表明,压裂裂缝宽度随初始裂缝高度增大呈先快后慢形势减小,随裂缝间距增加呈先快后慢 的趋势增大,随裂缝数量增加压裂裂缝宽度减小较快;裂缝间距从５０ｍ增加到１００ｍ压裂裂缝宽度增大了 １３.３９％,大于１００ｍ后变化很小;５００ｍ内裂缝数量增加到５条时泵车组提供的压力无法压开裂缝。因此,对该井 进行分段压力优化设计时,分段间距应控制在１００ｍ左右,这样既能利用应力阴影效应形成复杂缝网,又能保证压 裂裂缝具有一定的宽度,还能减小施工出现事故的风险。     

水平井平行裂缝间诱导应力干扰机制的数值模拟研究

水平井平行裂缝间的诱导应力场相互叠加,造缝机理复杂化。应用数值模拟方法,对多平行裂缝诱导应力相互干扰的机制进行研究。首先对预制单裂缝在垂直和平行裂缝方向上诱导应力的数值解和解析解进行对比,结果表明垂直裂缝表面方向的诱导应力相对平行裂缝表面的诱导应力要大。其次对2条预制平行裂缝及2条同步扩展裂缝周边的诱导应力变化规律进行研究,结果表明小裂缝间距、长裂缝和小主应力差更有利于主应力反转和网状裂缝的形成。最后研究了3条同步扩展的平行裂缝的几何形态,研究表明较小缝间距和较大的水平应力差异系数会造成中间裂缝很难起裂或起裂后迅速止裂,不易形成有效裂缝。较小的主应力比值有利于裂缝转向,产生沿原始最小主应力方向的分支裂缝,更有利于在页岩储层中形成复杂裂缝网络。在合适的地应力条件和缝间距下,中间裂缝能突破“扩展抑制期”而进入“二次扩展期”。     

水平井分段压裂射孔间距优化方法

为了使水平井分段压裂形成更为复杂的裂缝网络体系,提高油气井产量,以均质、各向同性的二维平面应变模型为基础,建立了人工裂缝诱导应力场数学模型,并结合诱导应力场中水平最大、最小主应力方向发生转向作为裂缝转向判断依据,形成了射孔间距优化方法。研究结果表明,随着裂缝间距的增大,诱导应力分量逐渐减小;裂缝间距一定时,在最小主应力方向附加的诱导应力比最大主应力方向附加的诱导应力大,两者之差呈现先增大后减小的变化趋势。对川西水平井射孔簇间距进行了优化,压裂后输气求产,与邻井选取较大射孔簇间距压裂求产对比,增产效果明显。该射孔间距优化方法对低渗透储层水平井分段压裂设计有一定的指导意义。      

确定分段多簇压裂最优裂缝间距新方法

在非常规油气资源中,页岩气的开发越来越受关注。由于页岩低孔低渗,页岩气开发需要更大的储层改造体积和复杂缝网。分段多簇压裂已经成为开采页岩气最常用的方式,合理的簇间距下,两个诱导应力差值大于原场水平主应力差值时,应力反转,迫使裂缝转向,有利于缝网形成。新的计算结果表明:应力差值并不是随着与第一条裂缝距离增大而单调增加或者减小,其变化为"M"形趋势;并且最优裂缝间距可由两条裂缝高度的算数平均值乘以某个比例系数表示。     

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。     

低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化新方法

水平井分段多簇压裂中簇间距的大小是决定水平井分段多簇压裂成败的关键因素。为提高低渗透油气藏储层压裂改造效果,需建立合理的簇间距优化模型,而现有的优化方法多以应力反转半径作为最佳间距,并未定量化表征压裂后的储层改造效果。为此,基于弹性力学基础理论和位移不连续法建立了考虑水力裂缝干扰模式下的复杂地应力场计算模型,研究了天然裂缝在复杂地应力场条件下发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的规律,再以获得最大缝网波及区域面积为优化目标,形成一种新的簇间距优化方法。研究结果表明:(1)张开的水力裂缝会在其周围产生诱导应力,压裂液的滤失则会导致地层孔隙压力变化,相应的地层孔隙弹性应力也会发生变化;(2)天然裂缝剪切破裂区域与张开破裂区域重叠,且前者要远大于后者,可采用天然裂缝剪切破裂区域面积来表征复杂裂缝网络波及区域的大小。采用该方法指导了现场水平井的簇间距优化设计,实验井压裂后取得了理想的增产效果,为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂的簇间距优化设计提供了借鉴和指导。     

考虑应力场变化的水平井压后产能计算方法 ——水平井井筒沿最小主应力方向

低渗、特低渗油气藏水平井的分段压裂产能模拟计算，一般不考虑储层应力变化对裂缝形态的影响，计算误差较大。将二维诱导应力场计算模型与预估的每段分压时间间隔相结合，计算已存在的人工裂缝对应力场变化的影响，预测后续压裂人工裂缝形态，并根据预测结果建立地质模型，采用三维三相黑油模型计算水平井压后产能，从而建立了考虑人工裂缝存在时应力场变化后的水平井分段压裂产能计算方法。结果表明，在考虑应力场变化时，人工裂缝形态会发生明显变化，由预期的横切裂缝，变成类似于“T”形的人工裂缝，且横切缝部分会远离预定的射孔位置。JM 油藏实例分析得出，考虑8 条横切裂缝存在时水平井产能与不考虑应力场变化时所计算的产能相比， 5 年末的累计产量相差5.6%，验证了进行水平井分段压裂产能计算时考虑实施过程中应力场变化的必要性。     

Stress redistribution in multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells in shales

Multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells is the main stimulation method in recovering gas from tight shale gas reservoirs, and stage spacing determination is one of the key issues in fracturing design. The initiation and propagation of hydraulic fractures will cause stress redistribution and may activate natural fractures in the reservoir. Due to the limitation of the analytical method in calculation of induced stresses, we propose a numerical method, which incorporates the interaction of hydraulic fractures and the wellbore, and analyzes the stress distribution in the reservoir under different stage spacing. Simulation results indicate the following: (1) The induced stress was overestimated from the analytical method because it did not take into account the interaction between hydraulic fractures and the horizontal wellbore. (2) The hydraulic fracture had a considerable effect on the redistribution of stresses in the direction of the horizontal wellbore in the reservoir. The stress in the direction perpendicular to the horizontal wellbore after hydraulic fracturing had a minor change compared with the original in situ stress. (3) Stress interferences among fractures were greatly connected with the stage spacing and the distance from the wellbore. When the fracture length was 200 m, and the stage spacing was 50 m, the stress redistribution due to stage fracturing may divert the original stress pattern, which might activate natural fractures so as to generate a complex fracture network.     

致密储层水平井体积压裂段间距优化方法

目前致密储层的主要开发方式为水平井+体积压裂改造,但对于天然裂缝不发育的储层,通常难以形成复杂的裂缝网络系统,不能够达到预期的改造目标。针对这种情况,在研究压裂过程中诱导应力场变化的基础上,建立了诱导应力和原地应力相叠加的数学模型,结合缝间应力干扰分析结果,形成了体积压裂段间距优化方法。研究结果表明,利用水力裂缝之间的应力干扰中和原始地应力有利于形成复杂裂缝,并且在同样的原始地应力条件下,随着裂缝高度和裂缝内净压力的增加,形成复杂缝网的段间距会增加。现场实例计算验证了通过应力干扰确定水平井压裂段间距优化方法的可行性,该优化方法对致密储层水平井分段体积压裂设计有一定的借鉴意义。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

页岩压裂裂缝网络预测方法及应用

页岩储层天然裂缝发育,加上水力压裂所形成的复杂裂缝网络,可以为油气流动提供有效通道,然而复杂裂缝网络扩展对压裂裂缝识别与优化设计也提出了新的技术挑战。为此,综合考虑天然裂缝与水力裂缝相互作用、缝间“应力阴影”等影响,应用流体力学与断裂力学理论,建立了裂缝网络扩展模型（FNPM）,实现了不同力学参数、不同天然裂缝等条件下裂缝扩展方位、几何尺寸、支撑裂缝面积等多指标预测。理论模拟和现场实例应用结果表明：①改造裂缝网络扩展受控因素多,地应力差、簇间距及净压力等参数决定了“应力阴影”效应的强弱,天然裂缝与水力裂缝之间的相互作用机理决定了改造裂缝网络的复杂程度;②地应力差相同时,簇间距越小,“应力阴影”效应越强,水力裂缝扩展偏离主应力方向,裂缝宽度减小,不利于加砂;③天然裂缝内摩擦系数、天然裂缝与水力裂缝夹角越小,净压力越高,天然裂缝越容易开启或剪切,增加了改造裂缝的复杂性;④裂缝扩展方向、裂缝长度二者预测具有较好的一致性,但受天然裂缝发育差异的影响,局部压裂段有一定的差异性。所提出的裂缝预测方法为页岩改造裂缝识别与后期压裂设计提供了技术支撑。