基于页岩各向异性的裂缝起裂数值模拟分析

页岩层理在水平方向上有序地定向排列结构导致了页岩较强的弹性各向异性。基于岩石横观各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型。考虑页岩弹性力学参数各向异性差异,进行了射孔参数和非均匀地应力对水平井裂缝起裂压力和起裂位置的敏感性研究分析。研究结果表明:裂缝起裂点对射孔方位角有较强的敏感性,随射孔方位角的增大易出现复杂的裂缝起裂形态;裂缝起裂压力随射孔方位角的增大而增大,随射孔密度的增大而减小;弹性模量各向异性对起裂压力有较大的影响,弹性模量各向异性比值越大,起裂压力越小;无论是均质地层还是各向异性地层,水平地应力比值对起裂压力的影响较大,初始水平地应力比值对起裂压力的影响较小。计算结果可为页岩储层的裂缝起裂压力预测以及裂缝扩展机理深入研究提供参考。     

水平井定向射孔裂缝起裂与穿层特征数值分析

为了探索水力裂缝的起裂形式和受控因素影响以及水力裂缝扩展至产层隔层界面处的穿层特征,运用基于有限元的数值模拟方法建立数值模型对其进行分析和研究,重点探讨了压裂双裂缝形成的可能性和条件,模拟了裂缝延伸至产层与隔层界面处的穿层现象。结果表明,地应力差和射孔方位角对压裂裂缝的起裂形式影响显著,地应力差越大,则裂缝从射孔方向起裂的可能性越小,方位角越大,从射孔方向起裂的可能性也越小,此时若水泥环失效,裂缝可从井壁大主应力方向起裂;若满足岩层物理力学与压裂条件,裂缝同时从射孔方向和井壁大主应力方向起裂的双裂缝起裂形式是可能的;在裂缝延伸过程中,产层与隔层弱胶结界面可使裂缝钝化或滑移成“T”型裂缝,弹性模量较小的隔层有利于裂缝穿层并继续延伸。数值分析结果可对水平井射孔参数优化及水力压裂施工提供些许参考。     

定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响

为了探究直井水力压裂过程中定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响,采用扩展有限元方法对水压致裂岩石的流固耦合模型进行求解,从射孔方位、射孔长度和射孔相位角3个方面分析了裂缝自射孔孔眼起裂的扩展和转向规律。研究结果表明:射孔方位对裂缝周围地层压力分布几乎没有影响;射孔方位角较小的孔眼具有较低的起裂压力和较高的扩展压力,压裂后容易形成长而宽的裂缝;射孔方位角较大的孔眼则具有较高的起裂压力和较低的扩展压力,压裂后容易形成短而窄的裂缝;随着射孔长度的增加,重新定向距离逐渐增长,在转向处易形成相对较宽的裂缝;射孔相位角过小容易引发裂缝干扰,射孔方位角较小的裂缝优先扩展并对后扩展的裂缝产生较强的抑制作用。在施工时,为获得较好的改造效果,应尽量选择小方位射孔;为避免缝间干扰,射孔相位角应大于45°。     

滨南油田水力压裂模拟试验研究

地应力场、岩石物性、孔隙压力、射孔和天然裂缝是控制水力压裂裂缝起裂和扩展的主要因素。根据滨南油田660区块和853区块的实际工况,通过数值模拟和真三轴水力压裂物理模拟,结合岩石的抗拉破坏准则,模拟了射孔方位角和地应力状态等因素对水力压裂过程中起裂压力和裂缝扩展过程的影响,结果表明射孔方位角和地应力场控制着起裂压力、裂缝扩展方位和形态,成果可对油田水力压裂设计、施工提供参考。     

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。     

页岩力学参数各向异性研究

页岩气开发过程中钻遇的页岩储层,由于其层理构造具有明显的各向异性,开展相关研究对钻井和储层改造是十分重要的。分析认为,可以假设页岩为横观各向同性介质,并从横观各向同性应力应变关系的坐标变换出发,能够推导出层理性页岩方向性的弹性模量、泊松比与垂直层理、平行层理方向弹性常数的关系。通过不同层理倾角页岩岩样的单轴压缩实验和超声波实验测量岩样的抗压强度、动静态弹性模量和动静态泊松比,研究了页岩层理对其力学参数的影响。实验和理论计算结果均表明：将层理页岩看做横观各向同性介质在力学上是相对准确的;垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比;动态弹性参数的各向异性程度强于静态弹性参数的各向异性程度;层理岩石弹性模量、泊松比随层理倾角有规律变化;根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明：①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。     

定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验

定向射孔广泛应用于油气井完井措施,其对水力压裂的人工水力裂缝形态有很大影响,定向射孔方向与最大水平地应力方向的夹角、远场水平地应力的差值都会影响到裂缝的起裂部位和整体形态。为此,采用大型(试件尺寸300mm×300mm×300mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差影响很大;定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝,在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝;提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,从而达到改进压裂增产效果的目的。最后,还对完井和压裂施工提出了建议。     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明:①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。      

水平井筒应力分布特征数值模拟研究

对水平井筒应力分布进行了系统研究,采用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型,综合考虑地层构造应力和储层岩石力学影响,模拟研究了不同原岩构造应力差和水平段深度对水平井筒附近应力分布特征的影响,为计算水平井压裂破裂压力、裂缝起裂方位角、优化射孔等工程优化提供理论依据。     

松辽盆地古龙页岩油复合体积压裂技术优化

为提高古龙页岩油增产改造效果,通过开展古龙页岩岩石力学参数测试实验,明确岩石力学参数对古龙页岩裂缝扩展的影响,优化页岩油储层射孔方式、簇间距、支撑剂粒径组合及类型、压裂施工控制工艺,改进古龙页岩油复合体积压裂技术。结果表明：古龙页岩岩石垂直页理方向上平均弹性模量为6.46 GPa,小于平行页理方向的平均弹性模量;页岩岩石表现脆性特征,抗拉强度及断裂韧性实验验证了页岩沿页理方向形成的裂缝更易扩展延伸;单段7簇35孔射孔方式能够保证人工裂缝的密集程度、增加裂缝网络长度,提高页岩储层体积改造效果;簇间距为7 m时,裂缝缝高有一定提升,容易形成复杂缝网;以70/140目、40/70目与30/50目粒径按照6∶3∶1的比例组合的支撑剂能有效支撑裂缝网络,为油气渗流建立通道。研究成果对实现古龙页岩油效益勘探与开发具有重要意义。     

低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响

裂缝起裂是关系水力压裂成败的关键,而射孔参数是影响裂缝起裂的关键因素之一。根据岩石力学、渗流力学、弹塑性力学,建立了低渗透储层射孔地应力力学模型,在考虑流固耦合效应及动态效应的基础上,运用有限元法,建立耦合有限元模型,并采用Newton法求解,以获得低渗透储层?历钻井?固井?射孔?压裂不同阶段后的地应力分布状态。结合岩石的破裂准则,分析射孔参数对起裂压力的影响:地层破裂压力随着方位角的增加而增大,射孔与最大水平地应力的夹角最好不超过30°;随孔眼直径增加,破裂压力降低,选择16 mm孔眼较为合适;随射孔密度增加,起裂压力整体呈下降趋势;在射孔根部起裂时,随着孔深增加,起裂压力先减小后增加,孔深为0.5 m时,起裂压力最低,在射孔尖端起裂时,随着孔深增加,起裂压力降低。此研究结果可作为低渗透储层射孔参数优化的依据。     

水平井射孔参数对压裂起裂压力的影响

水平井压裂起裂压力对压裂施工至关重要,其中射孔参数对压裂起裂压力的影响更为重要.为了弄清射孔参数对起裂压力的影响,优化射孔参数,改进水平井压裂设计,以水平井压裂起裂压力为研究对象,结合井筒应力分布模型,考虑射孔完井水平井的起裂压力,应用江苏油田某水平井压裂施工数据,分析了水平井井筒方位角、射孔方位角、射孔相位角、定向和非定向射孔对起裂压力的影响.研究结果表明:水平井井筒方位角和射孔方位角是影响压裂起裂压力的主要因素.优化出适合江苏油田水平井压裂的射孔参数,即沿着最小主应力的方向布置水平井井筒,采用定向射孔时,射孔方位角为0°～15°,射孔相位角为180°;采用非定向射孔时,射孔相位角为60°或120°.     

水平井压裂裂缝起裂数学模型及敏感性分析

假设岩石处于线弹性状态,根据应力迭加原理,考虑井筒方位,井筒周围的岩石性质、井筒周围应力分布以及作业条件的因素,建立了水平井压裂裂缝起裂数学模型;在迭代求解数学模型的基础上,分别分析了在不同应力状态、不同水平井井筒方位角的情况下,最小水平主应力和垂向应力对裂缝起裂压力的影响规律;计算结果表明,地层构造应力、最小水平主应力和垂向主应力对裂缝起裂压力都有显著的影响,水平井井筒方位角是影响裂缝起裂压力大小的主要因素。     

射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究

爆燃气体压裂技术可实现水平井的经济高效开采,压裂过程中水平井方位、射孔相位与裂缝起裂密切相关,影响施工成败和压裂效果。应用叠加原理将作用于油水井壁裂缝的复杂载荷分解为单个简单载荷,根据弹性力学、线弹性断裂力学理论,基于两孔相交应力集中的力学模型推导了射孔完井方式水平井井壁处的应力场,得到了爆燃气体压裂井壁岩层动态起裂条件,通过设定与时间相关的井筒推进剂燃烧气体压力脉冲函数,可以实现水平井方位角与射孔相位角及裂缝起裂压力、起裂角及起裂时间关系的迭代求解。算例分析表明,与裸眼井相比,射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角受水平井方位角和射孔相位角双重制约,射孔可有效降低爆燃气体压裂水平井起裂压力,不同的水平井方位角对应于不同的最优射孔相位角使起裂压力最低。     

裂缝干扰下水平井破裂点影响因素分析

为了解水平井分段压裂过程中先压开裂缝诱导应力干扰下后续裂缝破裂点位置的影响因素及其影响规律,指导水平井分段压裂射孔位置的选择,推导建立了非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,在此基础上形成了破裂点计算数学模型。结果表明包括裂缝条数、长度和净压力在内的先压开裂缝参数以及原始主应力状态、水平井方位角和完井方式等都会影响后续裂缝破裂压力大小,从而影响破裂点的位置,其中原始地应力、已压开裂缝条数和长度以及完井方式对破裂点位置存在较大影响,水平井方位角和已压开裂缝净压力对破裂点位置影响较小;对于原始水平主应力差较小的砂岩储层,裂缝间干扰严重会导致应力发生反转,增大后续起裂裂缝破裂压力,导致施工困难,因此应该尽量避免裂缝间干扰;对于页岩储层,目前采用的分段多簇射孔技术,段间距定为60 m左右破裂压力更低,更易于裂缝起裂。     

射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究

综合考虑井筒内压、原始地应力分布、先压水力裂缝的诱导应力等因素,根据叠加原理及弹性力学理论,建立了射孔水平井分段压裂起裂压力计算模型,分析了初始及后续裂缝的起裂规律。研究结果表明,初始裂缝产生的诱导应力分布受裂缝间距影响。当初始裂缝缝长一定时,沿井筒方向诱导应力逐步降低,直至地应力场趋于原始地应力场;射孔水平井裂缝起裂受射孔方位角的影响,最佳射孔方位由井筒周围地应力分布决定;先压裂缝产生的诱导应力场会导致后续裂缝的起裂压力增大,这种影响会随着裂缝半缝长的增大而增强;半缝长一定时,起裂压力的增加幅度随着裂缝间距的增加递减。      

考虑吸附膨胀和滤失附加应力的井壁应力模型

页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力是影响煤系页岩储层水力压裂后水平井应力分布重要因素,不可忽略。考虑页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力,基于各向异性材料理论,建立了煤系页岩横观各向同性储层水平井井壁应力模型,分析了煤系页岩储层水平井井壁应力分布特征,考察了井筒方位角对井壁周向应力分布影响,得到了有效应力、地应力和各向异性程度对井壁起裂压力的影响规律。研究表明:井壁周向应力近似椭圆形分布,拉应力与压应力同时存在,拉应力区有效应力对井壁周向应力影响较大,方位角为90°和270°时最大,30°、150°、210°和330°时无明显影响,有效应力作用下最大井壁周向应力随井筒方位角增大近似线性增加,增加程度先降后增;吸附膨胀作用使井壁起裂压力降低,不利于井壁稳定性,高孔隙压力下吸附膨胀作用对井壁起裂压力影响更为明显;起裂压力随各向异性系数增大而减小,两者呈二次函数关系,各向异性系数越大,煤系页岩层理及其基质强度越低,天然裂缝越发育,越不利于井壁稳定性,井壁起裂压力随侧压系数增大而减小,两者呈线性递减关系。研究成果为煤系页岩气有效开发提供了科学参考。     

综合钻井及水力压裂的水平井井眼方位优化

地应力是井眼失稳和裂缝起裂的直接控制因素,如何分析不同断层机制下的井眼稳定性和水力压裂随井眼方位变化的响应规律对页岩气钻完井显得更加重要。为此,基于线弹性力学原理、改进的摩尔库伦准则及张性破裂准则,建立了井眼稳定性和裂缝起裂的力学模型,计算分析了不同应力状态下井眼稳定性和水力压裂对井眼方位的设计要求。结果表明,对于正断层应力状态,钻直井或沿最小水平主应力方向的小斜度井有利于井眼稳定,且裂缝的起裂压力主要受射孔方位角控制;对于滑移断层应力状态,钻水平井有利于井眼稳定,安全钻井方位处于最大水平主应力与最小水平主应力之间,且起裂压力受井眼方位角和射孔方位角双重控制;对于逆断层应力状态,沿最大水平主应力方向钻水平井有利于井眼稳定,而起裂压力主要受射孔方位角控制。最后,结合井眼稳定性和水力压裂分析结果,提出了井眼方位优化方法,并针对性地分析不同断层机制下的最优井眼方位。该研究为矿场井眼方位优化提供了理论支撑。     

水力射孔参数对油水井压裂影响的数值试验

利用RFPA(Rock Fracture Process Analysis)软件,数值计算了不同水力射孔参数及地应力等条件下的孔眼直径、射孔深度、射孔孔眼轴线与最大水平应力夹角、压裂液加载速度、模型尺寸、地层起裂压力以及裂缝二维扩展情况,计算过程中模拟的岩样物性基本保持不变。计算结果发现,增加射孔直径、深度可以显著降低起裂压力;沿最大水平应力方向射孔起裂压力最低;存在一个最优的压裂液加载速度。这些计算结果可为油水井的压裂设计提供参考。