页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法 :根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为:①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法：根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为：①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

涪陵页岩气藏开采动态地应力演化规律研究

涪陵页岩气田储层孔隙压力和地应力随着页岩气开采不断演化,使得新井的钻井及压裂地层应力环境与在产老井存在明显差异,准确评价老井压后生产过程中的动态地应力演化规律对后期新井部署和压裂改造设计具有重要意义。针对该问题,文章综合考虑页岩气储层地质力学参数、天然裂缝等的非均质性和各向异性,并基于页岩气藏老井压后开采储层四维地应力演化方法,以四川盆地涪陵页岩气L-Z立体井组为例,建立了渗流—应力交叉耦合的动态地质力学模型,模拟了该井组老井压裂复杂裂缝扩展及压后长期开采四维地应力动态演化,研究发现：在67个月的开采时间段内,孔压和地应力不断降低;孔压和地应力的变化集中分布在各生产井轨迹周围,同时受到压裂改造范围的影响;在老井当前改造范围下,压后开采横向波及范围约为压后生产段改造范围的1.6倍,纵向波及范围基本与压后生产段纵向改造范围相等。研究成果为涪陵页岩气立体化新井压裂开发提供了有效的理论与技术支撑。     

钻井—压裂—生产全过程储层应力演化与加密井压裂优化

水平井水力压裂是致密油藏的有效开发模式,而新钻井则可以提高油藏的开采程度。钻井、压裂和生产过程均诱发储层应力发生变化,进而影响加密井的压裂设计。国内外尚未有相关研究使用同一种方法实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,从而指导加密井的压裂施工优化。采用基于有限元的非连续离散裂缝数值方法,在钻井和压裂过程中通过动态网格技术描述井筒和裂缝的延伸,非连续离散裂缝模型可采用常规有限元网格进行计算,可以与离散裂缝模型完美契合,从而实现钻井—压裂—生产一体化数值模拟。以致密油区块加密井施工为例,对加密井区域待施工井进行钻井—压裂—生产一体化模拟,并以井区开采经济最大化为导向,为加密井压裂优化提供指导方法。模拟结果显示:老井的长期生产过程使得加密井区域地层压力和地应力均减小,最大水平主应力方向发生偏转;考虑老井生产的影响,加密井钻进过程中的钻井液密度不能再使用原始地层压力剖面设计;在钻井液柱压力不大于现阶段最小水平主应力的情况下,井筒钻开后,加密井周围最大水平主应力方向进一步发生偏转,使得裂缝初始扩展方向沿井筒偏转;在加密井压裂前对老井进行注水增压可以改善加密井压裂效果。所建立的数值方法可以实现钻井—压裂—生产全过程储层应力演化模拟,以及压裂—生产一体化数值模拟,进而优化加密井压裂设计。     

压裂工况下近井筒地应力及套管载荷分布规律研究

为了研究水力压裂工况下套管损坏机理及套管载荷影响因素,开展了储层岩石力学参数测试,建立了套管–水泥环–地层–裂缝的多场耦合有限元分析模型,分析了水力压裂扩展时近井筒地应力及套管载荷的分布规律及影响因素。研究结果表明,储层中天然裂缝的存在引起水力裂缝的非均匀扩展,套管承受非均匀载荷;当储层地应力差增加、弹性模量降低时,近井筒地应力及套管载荷增加;天然裂缝数量及天然裂缝分布形态对近井筒地应力及套管载荷的影响较为复杂。研究结果为页岩储层优化固井设计及压裂设计、减少套管损坏问题提供了理论依据。     

储层非均质性和各向异性对水力压裂裂纹扩展的影响

针对页岩储层非均质性及各向异性影响水力压裂裂纹扩展规律的问题,利用数字图像处理方法建立反映页岩储层断面的非均质几何模型,基于页岩各向异性力学实验,建立非均质各向异性损伤模型,继而开展非均质各向异性页岩水力压裂数值模拟,得出了层理方位、地应力差以及层理面法向强度对页岩水力压裂裂纹扩展的影响规律。结果表明：随着层理与最大水平地应力间夹角、地应力差以及层理弱面强度的减小,裂纹遇层理时更易转向层理扩展;裂纹在层理面内的扩展速度随层理倾角和层理强度的减小而增加;若水平最大地应力不变,随着地应力差的减小,裂纹在储层基质和层理面内的扩展速度减小。研究成果为水力压裂开采页岩气提供了理论基础,对优化压裂设计方案、提高页岩气储层改造效率具有一定的指导意义。     

层理性页岩气储层复杂网络裂缝数值模拟研究

在考虑天然裂缝的条件下,为了更好地对层理性页岩气储层的复杂网络裂缝进行数值模拟,采用模拟非连续介质的通用离散元程序（UDEC）,基于渗流-应力耦合数值算法,建立了人工水力裂缝与天然裂缝相互作用的网络裂缝数值计算模型,并利用该模型分析了水力裂缝长度、天然裂缝倾角、内摩擦角及施工净压力对缝网扩展的影响。结果表明:水力裂缝从近井筒处裂缝尖端起裂扩展,并沿着天然裂缝的走向发生剪切破坏,且随水力裂缝长度增长,天然裂缝网络连通面积增大;天然裂缝倾角较大,形成复杂缝或网络缝的概率也相对较大;天然裂缝内摩擦角越小,天然裂缝连通面积越大,越易形成复杂网络裂缝;水平地应力差在一定范围内,净压力系数越大,裂缝的扩展形态越复杂,相邻裂缝的尖端越易连通形成网络裂缝。数值模拟研究结果可为进一步认识远井地带页岩气压裂裂缝扩展机理提供指导。      

威荣区块深层页岩气井套管变形失效分析

在深层页岩气水平井分段多级压裂过程中,出现越来越多的套管变形损坏的现象。套管变形导致后续压裂施工段无法进行,严重影响压裂施工效果。统计分析威远荣县地区套管损坏特征,得出导致套管变形的主控因素。针对不同压裂顺序,运用有限元软件对页岩气井压裂过程中近井筒地应力变化进行对比研究。研究结果表明,威远区块深层页岩气井套管变形主要出现在水平段中间及跟端附近,类型主要为剪切变形;在非均质深层页岩中,多级水力裂缝起裂与扩展导致井筒周围地应力非均匀累加,诱发天然裂缝滑移,进而造成套管的剪切与挤毁;随着井筒与裂缝的距离增大,套管受到的压缩应力逐渐降低;避开裂缝发育区域压裂以及合理减小压裂规模可以降低套管失效风险。本研究进一步揭示了深层页岩气多级压裂过程中套管损坏机理,并提出了基于套管保护的压裂措施,对于预防压裂过程中套管损坏有一定的借鉴意义。     

深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展影响机理

现有中浅层页岩气压裂取得的认识难以解释深层页岩气储层压裂过程中水力裂缝扩展的影响机理。为了研究四川盆地深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展机理,文中以泸州深层页岩气区LS1平台为研究对象,进行基于地质-工程一体化的水力压裂裂缝扩展数值模拟与分析。首先,根据泸州区块目标井区储层的地质概况,建立地质模型,明确地质力学属性;然后,基于微地震和蚂蚁体数据,建立符合真实储层构造特性的离散天然裂缝网络;在此基础上,根据现场实际施工数据,建立了基于DFN的水力压裂复杂裂缝扩展模型,并基于微地震监测结果对模型进行了验证;最后,还研究了4个单因素对储层改造体积的影响特点。研究结果对深层页岩气储层水力压裂复杂缝网研究有一定的指导作用。     

页岩油气藏水平井井间干扰研究现状和讨论

低渗页岩储层难以自然形成工业油气流,常采用水平井和水力压裂建立人工缝网以保证商业化开采。然而,随着大规模加密布井和压裂,水平井间距缩小、储层改造体积增加,井间出现人工裂缝导致的干扰,影响邻井的井口压力和产量,甚至诱发井控、套损和支撑剂侵入等问题,严重时导致水平井报废,极大地影响生产效率。此外,老井亏空会导致储层地应力在原位地应力的基础上发生动态演化,形成复杂地应力状态,继而影响加密水平井和重复压裂井的储层改造效果,限制井平台产能表现。我国准噶尔盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等地的页岩油气资源开发已进入小井距和加密布井阶段,井间干扰已对正常生产产生明显影响,急需开展针对性研究。本文对国内外页岩油气藏的井间干扰现象、机理以及诊断方法进行全面、详细的介绍,并提出干预对策。研究认为:准确表征与预测压裂水平井井间干扰需要在地质工程一体化的框架下展开;对天然裂缝、断层、原位地应力和储层岩石力学特征的准确认识是评价井间干扰的前提;地层亏空诱发的动态地应力和复杂人工缝网的建模与表征是定量评价井间复杂缝网交互与连通的关键手段,也是定量预测井间干扰对于井平台最终可采储量(EUR)影响的有效方法;关井、老井注液、重复压裂、优化井距和压裂优化都是干预或减小井间干扰的手段。     

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.     

基于产气剖面的页岩气离散裂缝网络反演方法

页岩气井压后裂缝描述对页岩气井生产动态预测、生产后期重复压裂设计以及加密井井眼轨迹设计等具有重要意义。以涪陵页岩气田开发和地质参数为基础,基于高效离散裂缝网络（EDFN）数值模拟方法,研究裂缝长度、压裂段裂缝累计总长、裂缝间距、裂缝相对位置等对压裂段贡献率的影响,通过水平井生产动态解释得到的裂缝特征参数反演离散裂缝网络。以JY46-3HF开发井产气剖面、产气贡献率和裂缝特征参数的相关性为基础,建立压裂裂缝网络模型,各压裂段产气贡献率模拟结果和实测结果高度吻合。研究结果表明,压裂段产气贡献率和压裂段裂缝累计总长正相关,裂缝间距、裂缝相对位置则通过影响裂缝对基质区域控制的大小影响压裂段对页岩气井的贡献率。     

页岩气田压裂区加密调整井绕障轨道优化设计方法

在页岩气丛式水平井设计中，针对压裂区的加密调整井井眼轨道设计需要考虑绕开已钻井压裂段影响域及压裂段影响域之间互相干扰等问题。为了快速评估加密调整井压裂段井眼轨道设计方案的合理性，运用矢量代数方法对页岩气压裂区障碍物进行了几何建模，该几何模型考虑了压裂裂缝影响域；然后根据所建立的障碍物几何模型，建立了以设计轨道总长度最短、轨道势能最小为优化目标，以轨道间防碰为约束条件的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型，并给出了判断页岩气压裂段影响域之间是否存在干扰的几何校核方法；最后依据四川盆地涪陵页岩气田现场实钻数据，对所建立的设计模型进行了验证。研究结果表明：①在压裂区，忽略压裂影响域的障碍物尺寸会被严重低估；②忽略压裂影响域，所设计出的绕障轨道可以避开老井的井眼轨迹，但是有可能会与已钻井的压裂影响域相交，进而引发钻井事故。结论认为，所建立的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型能够满足防碰绕障约束的要求，相应的设计计算避免了繁琐的试算和校核，并且能够实现井眼轨道设计总长度和轨道势能达到最小值的优化目标。     

基于诱导应力的页岩气“井工厂”压后效果评价

水力压裂是页岩气高效开发的必要措施,页岩气压后效果评价是提高页岩气压裂水平的关键。文章 以涪陵一页岩气井平台为例,提出了一种针对页岩气压裂后应力场分析的压裂效果评价新方法。根据现场微地震 实时监测结果获得了 ３口井压后裂缝情况,在此基础上,采用有限元模拟软件建立了 ３口井压裂后应力场模拟有 限元模拟模型。重点分析了压裂后最大、最小水平主应力场变化,缝长和间距对压后诱导应力场的影响,分析发 现,裂缝条数增加、裂缝长度不均匀将极大地影响压后诱导应力场;长裂缝将抑制中间短裂缝的扩展;各条裂缝缝 长差异不大时有利于裂缝扩展;段间距对裂缝中心产生的诱导应力场影响较小;裂缝尖端诱导应力为压应力时裂 缝延伸受限,ＳＲＶ相对较小、压后产量较低。     

复杂缝网页岩压裂水平井多区耦合产能分析

针对页岩储层水平井压裂开发中复杂缝网形态、纳微米孔隙—复杂缝网—井筒多尺度渗流规律认识不清等问题,开展了针对性的研究:(1)通过巴西劈裂实验,诱导压裂缝的产生;(2)通过X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;(3)结合压裂缝形态描述和气体在基质—复杂缝网—井筒中的渗流机理,在多尺度统一渗流模型的基础上,建立考虑扩散、滑移及解吸的水平井单段压裂改造产能方程;(4)考虑多级压裂区干扰及水平井筒压降,建立页岩储层多级压裂水平井产能预测模型。研究结果表明:(1)压裂缝形态为复杂网状缝;(2)测得压裂缝开度为4.25~453.00μm,平均为112.00μm;(3)不同缝网形态下页岩气表现出不同非线性渗流规律;(4)随着重改造区裂缝密度、重/弱改造裂缝分布范围的增大,产气量逐渐增加,压裂段间缝网渗流区域发生干扰,产气量增加幅度减小;(5)模拟水平井筒长1 500 m、重度改造区缝网半长100 m时,压裂10级产能效果最好。结论认为,需要合理地控制压裂程度、优化裂缝参数,才能为页岩气压裂优化设计等提供技术支撑。     

页岩气水平井组拉链压裂过程中地应力的分布规律

页岩储层具有低孔隙度、超低渗透率的特征,往往需要通过水力压裂才能使气井具备一定的生产能力。拉链压裂是近年来针对页岩气藏缝网压裂的一项新兴工艺,为了认清压裂过程中裂缝应力干扰后地应力场的分布规律并给页岩压裂设计提供参考,首先假设地层为均质、各向同性弹性体,然后通过位移不连续法,建立起地层应力场分布数学模型,并利用线性叠加原理,得到人工裂缝周围水平应力场的分布情况。研究发现：①裂缝周围的地应力随着与裂缝距离的远近有不同程度的增加;②裂缝尖端处存在应力集中现象,且在裂缝尖端附近产生的拉应力使得水平应力有所减小;③裂缝对水平最小主应力的影响程度大于对最大主应力的影响;④随着裂缝条数的增加,诱导应力的叠加干扰对水平主应力的影响不断增强,且水平应力差异性逐渐减小;⑤在裂缝交错排列的区域内,应力干扰较强,应力场分布较复杂。上述研究成果对页岩气水平井组拉链压裂的优化设计具有指导意义。     

泌阳凹陷陆相页岩复杂裂缝起裂及扩展研究

泌阳凹陷陆相页岩油具备较好的形成条件,进行水力压裂改造的可行性较好,但泌阳凹陷已部署的几口页岩油井均存在高产期短、稳产油量低的问题。通过大型真三轴水力压裂物理模拟实验系统,开展泌阳凹陷陆相页岩油储层水力压裂裂缝起裂及扩展的机理研究,结果表明,泌阳凹陷陆相页岩压裂时为了形成复杂裂缝,水平应力差异系数不应大于0.2。当井筒与层理面呈45°夹角时,更有利于形成复杂裂缝;当压裂液排量为25 mL/min(换算实际排量为12.4 m3/min)时比较容易形成复杂裂缝。在此基础上,通过可视裂缝模拟系统优化了具体的压裂施工参数,对下一步泌阳凹陷陆相页岩压裂改造具有一定的借鉴意义。     

提升川南地区深层页岩气储层压裂缝网改造效果的全生命周期对策

为了实现深层页岩气的规模高效开发,以四川盆地川南地区泸州—渝西区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组深层页岩气储层为研究对象,系统分析了涵盖井位部署、钻完井、排采生产阶段的页岩气井全生命周期中影响页岩气储层压裂缝网改造效果的地质和工程因素,进而提出了有针对性的技术对策及下一步的技术发展方向。研究结果表明:①应力状态和断裂体系是影响缝网扩展程度的首要因素,不等时靶体及其钻遇率是形成复杂缝网的先决条件,发育的天然弱面区带是诱导裂缝延伸的重要介质,优质页岩储层厚度是衡量资源纵向上能动性的地质依据;②液体携砂效率与密簇是提升水力裂缝复杂程度的工艺保障,精细分段射孔工艺是实现储层横向上充分动用的技术核心,一体化压裂方案设计是避免井下复杂情况产生、实现储层得到最大限度改造的创新流程,合理的焖井与排采制度是保证气井长期高位稳产的必要措施;③提升深层页岩气井压裂缝网改造效果的全生命周期对策的内涵包括确定适宜的储层纵横向动用模式以实现对优质储层的充分改造、有效识别断层与弱面以减少井下复杂情况的产生、优化簇间距和砂液体系以保证水力裂缝网络规模达到最大化、通过制订合理的生产制度以保证气井最大估算最终开采量(EUR)的获取;④开展长水平段气井精细压裂方案设计、持续优化砂液体系、簇间距与施工强度、研究多层立体压裂技术是深层页岩气储层缝网压裂技术下一步的发展方向。