水力压裂中的应力阴影效应与数值计算

从岩石的细观非均质特性出发,采用岩石破裂失稳的渗流-应力-损伤耦合分析系统,设计了一系列的数值试验揭示水力裂缝间的应力阴影效应。试验条件下的研究结果表明：①应力阴影效应受水平应力差系数、注入孔间距、岩石非均质性、压裂顺序的影响,表现为排斥和吸引2种力学行为,体现在裂缝尖端应力伞面积、裂缝宽度和长度方面;②随着岩石均质度的提高,应力阴影效应对尖端应力伞的影响变弱,裂缝尖端应力伞的面积逐渐减小;③水平应力差较小时,井孔间距对应力阴影效应的贡献要大于远场应力;高水平应力差时,远场应力对“Stress shadow”的影响要强于井孔间距;④应力阴影效应伴随着裂缝的动态扩展而不断变化,裂缝尖端的应力伞面积和缝长具有很强的相关性,二者服从幂函数分布。通过这一研究,可以为水平井多裂缝射孔间距优化提供一定的理论依据。     

单轴加载页岩破坏全过程的声发射特征

借助MTS岩石力学实验系统和PAC声发射仪,开展页岩单轴加载破坏全过程的力学特征和声发射特征研究。根据页岩应力—应变曲线、声发射事件数等资料,研究了页岩声发射事件数(AE数)、累计声发射率与应力和时间之间的关系。研究表明:页岩存在一定的各向异性和非均质性,在初始压密阶段,若页岩中存在微裂隙,就会产生声发射事件;在弹性阶段的后期,随着应力水平的增加,岩石声发射显著增加,特别是快到破坏应力时,岩石声发射事件增长迅速;在破裂阶段,页岩接近峰值强度时,单位时间内的应力增长速度减小,声发射事件数出现明显下降。研究结果可为页岩压裂施工参数的优化设计,特别是页岩气的水力压裂、开采提供技术支持。     

页岩页理分形特征及在页岩油水平井体积压裂模拟中的应用

页岩储层非均质性强,导致水力压裂裂缝的扩展行为复杂、常规方法模拟难度大.压裂人工缝扩展的有效模拟和预测对页岩油藏的开发至关重要.引入分形因子理论,对页岩储层压裂人工缝的复杂度进行定量描述,建立压裂缝与弹性模量、泊松比和脆性指数等储层岩石力学参数之间的关系,在微地震监测成果的基础上,应用非结构化网格的离散裂缝技术,精细模拟页岩储层压裂人工缝的复杂形态.案例井压裂模拟结果表明,考虑分形因子的模拟半缝长与微地震监测相对误差平均为7％,而不考虑分形因子的模拟结果与微地震监测相对误差平均达53％,运用该方法能对页岩储层压裂人工缝的扩展过程进行有效刻画表征.该模拟方法为压裂效果评估与多段压裂水平井的优化设计提供了有力支撑.     

四川盆地威远地区龙马溪组泥页岩储层非均质性

在详细调研前人研究成果的基础上,结合四川盆地威远地区的实际地质情况,将泥页岩储层的非均质性分为宏观非均质性、微观非均质性和岩石力学非均质性3个方面。泥页岩储层的宏观非均质性主要体现在储层的横向展布、垂向上的岩性变化以及裂缝的分布特征。下志留统龙马溪组海相优质页岩的有效厚度普遍大于30 m,横向上厚度变化较小,均质性相对较好;垂向上泥页岩中普遍含砂质和灰质,部分层段几乎为粉砂岩,垂向非均质性非常明显;储层中裂缝主要发育在龙马溪组底部层段,具有极强的非均质性。微观非均质性主要受矿物组分和成岩作用的控制,其矿物组分、微孔隙和微裂缝的发育特征具有非常明显的非均质性。岩石力学非均质性主要包括泊松比、弹性模量、脆性和应力各向异性,是决定后期水力压裂措施和页岩气产量的关键。综合研究认为,四川盆地及其周缘龙马溪组页岩横向均质性较好,垂向非均质性、储层裂缝发育特征、微观非均质性以及岩石力学非均质性明显,对后期页岩气井的压裂和采收率的提高有重要影响。     

波动注入水力压裂诱发微地震的力学机制及其对压裂效果的影响

水力压裂岩石裂缝的扩展诱发天然微地震。传统水力压裂区微地震引起的应力重新分布范围有限,小震级地震波的作用也有限,这些微地震不可能触发较远储层的地震,一定程度上限制了水力压裂改造效果。为此,提出了波动注入水力压裂诱发较大范围“微地震”的想法。根据流体力学理论建立了波动注入水力压裂井筒不稳定流动的压力振动模型,分析了人为诱发“微地震”的井底压力振动源和岩石损伤断裂机制;研究了波动注入水力压裂人为诱发的“微地震”震源特性和力学机制,分析了微地震对水力压裂效果的影响机制。分析结果表明,波动注入水力压裂人为诱发的微地震震源破裂信号频率随裂缝长度的增加而降低;对于断层和天然裂缝发育较多的储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制主要是储层中断层或天然裂缝的剪切滑移;对于非裂缝性储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制是人为地震效应和损伤—断裂效应。研究结果表明,波动注入水力压裂能够人为诱发“微地震”,增加储层的“微裂缝”,扩大自然微地震的波及面积,增强压裂作业的增产效果。     

基于细观数值试验的水平井多裂纹间距确定

Stress shadow效应是影响水平井压裂多裂缝设计、提高储层体积压裂效果的关键因素,当水平井中的水力裂纹数量增多并且间距减少时,裂缝间相互作用的stress shadow效应尤为显著。本研究从岩石细观非均质性的特点出发,基于渗流-应力-损伤模型,对不同井孔间距内应力场的相互作用及对裂纹发展形态的影响进行研究,以优化水平井多裂纹射孔间距。研究结果表明,当井孔间距小于某临界长度时,井孔间的相互作用较强,容易形成孔间连通的水力裂纹;由stress shadow效应影响的井孔临界间距受岩石非均质的影响,当岩石的非均质性较强时,影响间距较大,当岩石的非均质性较弱时,影响间距较小;随着岩石均质度的提高,stress shadow效应对尖端"应力伞"的影响变弱,裂纹尖端应力伞面积变小。通过这一研究,可以为水平井多裂纹射孔间距优化提供一定的理论依据。     

损伤力学在粗面岩水力压裂裂缝延伸机理研究中的应用

水力压裂裂缝的研究一般应用断裂力学进行分析,但由于岩石不仅会发生弹性应变而且会发生损伤变化,应该把损伤力学和断裂力学结合起来研究岩石真实的破裂过程。在运用断裂力学分析裂纹的同时,介绍了裂缝的3种基本模式;在结合断裂力学的基础上引入损伤力学对粗面岩的裂缝延伸机理进行了研究,并分析了井壁上的应力、应变和损伤场的分布;结合辽河油田小龙湾地区现场情况,对相关的岩心进行应力试验,得到了粗面岩的抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度等相关的岩石力学参数;结合损伤力学,得到了粗面岩损伤的应力应变关系式和井壁上应力、应变及损伤场分布;得到的研究结果对粗面岩油藏的开发有重要的指导意义。     

非均质性页岩水力压裂裂缝扩展形态研究进展

水力压裂是目前中国构建页岩油气储层复杂裂缝网络的主要技术之一，而页岩储层内部矿物组分差异以及不连续界面（层理、天然裂缝）的广泛分布使其具有强烈的非均质性，直接影响并制约了储层水力压裂改造效果。基于页岩微观矿物组分非均质性和宏观结构非均质性2方面，系统阐述了水力压裂裂缝扩展形态的研究进展。首先，分析了矿物组分差异引起的脆性程度对水力压裂裂缝扩展形态的影响；其次，总结了影响水力压裂裂缝与天然裂缝相互作用模式的关键地质因素和工程因素，探讨了水力压裂裂缝与天然裂缝相互作用机制；最后，研究了页岩层理对水力压裂裂缝穿层扩展的影响机理，阐述了层理面倾角、胶结强度及密度等关键参数对层理面开裂、水力压裂裂缝穿层和扩展形态的影响规律。综述了现阶段非均质性页岩水力压裂研究中存在的问题及发展趋势，为压裂设计优化提供了重要的理论依据。     

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。     

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。     

裂缝性地层射孔井破裂压力计算模型

水力压裂是提高低渗透油气藏采收率的重要技术手段,准确地预测压裂井的破裂压力是水力压裂成功实施的关键步骤。目前的破裂压力计算模型基本都是针对均质地层,对于裂缝性地层破裂压力的预测计算一直是个非常复杂的问题。受地层天然裂缝的作用和影响,在裂缝性地层射孔井中水力裂缝可能会发生3种破裂模式,分别为沿孔眼壁面岩石本体破裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性破裂。基于弹性力学和岩石力学理论,结合天然裂缝与孔眼相交的空间位置关系,考虑水力裂缝可能发生的3种破裂模式,建立了裂缝性地层射孔井的破裂压力计算模型。实例计算表明,所建立的计算模型能用于准确计算裂缝性地层射孔井的破裂压力,同时也能用于解释裂缝性地层近井地带多裂缝形成机理。     

泥页岩地层破裂压力计算模型研究

准确预测压裂井的破裂压力对水力压裂的成功实施具有重要作用。 由于存在水化现象,使得泥页岩的岩石力学性质发生变化,从而使泥页岩地层的破裂压力计算与常规地层的破裂压力计算存在一定的差异,因此,不能简单地把常规地层的破裂压力计算方法应用到泥页岩地层中,需要对泥页岩地层破裂压力计算方法进行深入研究。 为此,基于弹性力学和岩石力学相关理论,并考虑水化应力对井筒周围应力场的影响,应用最大张应力准则,建立了考虑水化应力计算破裂压力的简单模型,并用此模型结合 2 种泥页岩水化应力的方法进行实例计算。 结果表明,考虑水化应力后比不考虑这一情况的泥页岩地层的破裂压力更接近实际的地层破裂压力。 该计算模型为快速预测地层破裂压力提供了依据。     

页岩压裂裂缝网络预测方法及其应用

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。     

脆性页岩缝网扩展流固热化耦合机制实验研究

页岩缝网压裂过程伴随着压裂液与岩石之间复杂的流固热化耦合作用。为评价流固热化耦合下的裂缝扩展,提出并开展流固热化耦合的水力压裂实验,重点研究热作用和水化作用对页岩裂缝扩展的影响。研究结果表明,压裂中高温页岩遇压裂液冷却会产生热破裂,形成微裂缝降低抗拉强度,同时岩石脆性增加,有利于缝网形成;水化作用形成水化应力造成裂缝尖端应力集中,应力强度因子增加,同时压裂液的侵入降低弱面内聚力,减小临界应力强度因子,裂缝容易扩展或沿弱面转向,促进缝网形成。     

不同脆性岩石的声发射特征

目前针对岩石声发射的试验主要集中在研究岩石的力学特性方面,关于岩石脆性的声发射试验相对较少。为了研究岩石脆性的声发射特征,对4种不同脆性的岩石试样进行了单轴压缩和声发射检测试验,所用试样为含砂比不同的自制水泥砂石,试验得到了试样的应力-应变曲线和声发射计数曲线。结果表明:试样中的含砂比与岩石脆性正相关;脆性越强,应力-应变曲线的弹性变形段斜率越大,峰后应力跌落越快,形变量越大,出现明显声发射信号的时间越早,声发射计数的最大值越大;峰前声发射计数曲线显示,随着岩石脆性的增加,试样破裂方式由渐进式破裂向突发式破裂过渡,裂缝形态由张性裂缝向剪性裂缝及混合裂缝转变。整体而言,岩石脆性不同,声发射特征也不同,根据声发射特征可以判断岩石脆性的强弱。该试验结果对于评价岩石脆性及水力压裂选层方案设计等具有理论参考价值和现实意义。     

风城油田超稠油油藏非均质储集层地应力场特征

风城油田浅层超稠油油藏非均质储集层具有埋藏浅、非均质性强、隔夹层发育等特点,阻碍SAGD蒸汽腔的发育,需要利用水力压裂建立渗流通道。为指导储集层压裂,分析了非均质储集层沉积特征、地应力场分布,以及隔夹层对地应力场的影响,结合岩石力学室内实验、测井资料解释和地应力测试结果,建立埋藏深度为282~332 m储集层三维应力场模型。模拟结果与小型压裂测试比较显示,建立的三维应力场模型贴合实际地层侧向压力系数和最大水平主应力与垂向主应力的比值,能较好地反映储集层岩性交界面和应力特征。超稠油储集层以垂向主应力为主,利于引导垂向裂缝;岩性交界面地应力突变,储集层砂岩最小水平主应力小于泥岩隔夹层最小水平主应力。泥岩隔夹层具有较高的破裂压力、杨氏模量和最小水平主应力,裂缝扩展能力弱于油砂段。压裂设计应选择隔夹层内或下方射孔,控制缝高,避免砂堵,以达到较好改善渗流能力的目的。     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。     

含纹层陆相页岩力学参数的尺寸效应及其对压裂裂缝的影响

济阳坳陷陆相页岩中的含纹层泥质灰岩相页岩具有较好的储集物性，但发育的纹层使储层力学性质具有强非均质性，导致其力学参数的尺寸效应明显。以胜利油田博兴洼陷含纹层泥质灰岩相页岩岩心为例，采用三维有限元数值模拟方法，系统研究岩心力学性质及压裂裂缝的尺寸效应。结果表明：当岩心尺寸小于500 mm时，其单轴抗压强度和弹性模量的尺寸效应显著，不同围压下岩心抗压强度和弹性模量与单元尺寸呈负指数关系，且水力压裂破裂压力随单元尺寸的增大而减小。在博兴洼陷，当单元尺寸为1.5 m时，数值计算得到的破裂压力和改造体积更接近于真实地层，建议在满足计算效率的条件下采用单元尺寸小于1.5 m的单元网格开展模拟设计。     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。      

准噶尔盆地玛北斜坡区砂砾岩破裂压力预测方法研究

基于地层岩石三轴应力原理,利用裂缝形态特征分析地层现今地应力状态;采用岩石力学、声学实验,建立偶极声波测井评价岩石力学参数的动静转换模型;结合岩石破坏准则,建立玛北斜坡区砂砾岩破裂压力测井预测方法,对15口井进行破裂压力预测,利用压裂资料刻度,相对误差6.1%,破裂压力预测精度达到水力压裂施工要求。