径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展数值模拟

径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是一项新兴的油气增产技术,已在低渗透油田中进行了先导性应用。为明确不同因素对径向井引导裂缝扩展的影响,利用ABAQUS扩展有限元法建立了径向井辅助水力压裂模型,采用导向因子作为评价指标对各影响因素进行分析,并通过物理模拟实验进行了验证。结果表明：径向井对裂缝的扩展起到一定的引导作用,裂缝首先沿径向井方向起裂并扩展,然后逐渐向最大主应力方向偏转;径向井方位角、水平地应力差和压裂液排量是影响径向井引导裂缝扩展的3个主要因素;径向井方位角小于45°,水平地应力差小于6MPa时,径向井具有明显的引导裂缝扩展效果;径向井对裂缝扩展的有效引导需要满足一定的排量,排量太小会导致裂缝过早向最大主应力方向偏转;杨氏模量和压裂液黏度主要影响裂缝长度和宽度,泊松比的变化对引导裂缝扩展影响不大;物理模拟实验和数值模拟结果得到的径向井引导裂缝扩展形态趋于一致,证明了数值模型的准确性。该研究为径向井辅助水力压裂技术的发展提供了技术支撑。     

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。     

水平井压裂裂缝起裂及延伸规律模拟实验研究

应用水平井多级压裂技术对油气储层进行体积压裂缝网改造,已经广泛应用于非常规油气资源开采中,但较少研究水平井井筒走向与地应力方位的关系对压裂裂缝起裂及延伸的影响,以及主应力差对裂缝复杂程度的影响等问题研究。根据现场水平井压裂施工要求,通过物模压裂实验模拟了低孔低渗砂泥岩地层水平井在裸眼完井与套管射孔完井2种完井方式下,主应力差为10MPa和4MPa,水平井井筒方位角分别为0、30、45、60、90°时的裂缝起裂和延伸规律。结果表明：主应力差对裂缝起裂影响很大,应力差越小起裂压力越高,裂缝起裂和延伸越复杂;裂缝沿井筒轴向起裂,在井筒两端裂缝最终转向垂直于最小水平主应力方向延伸;水平段井筒沿最小水平主应力方向时,压裂能够形成横断缝。该研究对理解不同方位角的水平井压裂裂缝的起裂及裂缝延伸规律具有重要意义。     

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。      

径向井立体压裂裂缝扩展数值模拟

基于有限元-无网格法，考虑压裂液流动与岩石基质变形的耦合作用，建立了径向井压裂裂缝扩展数值模型，模拟了径向井压裂裂缝形态，定量表征了径向井对裂缝的诱导作用，揭示了方位夹角、水平主应力差与岩石基质渗透率等对裂缝形态演化的影响机制。研究表明，同层双分支径向井压裂时径向井间存在挤压作用，当径向井沿最小水平主应力方向对称分布且方位夹角大于15°时，挤压作用减小了径向井的裂缝引导长度，当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时，挤压作用增大了径向井的裂缝引导长度。裂缝形态由径向井的纠偏作用、径向井间的挤压作用与最大水平主应力的偏转作用共同控制。当径向井沿最小水平主应力方向对称分布时，径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大逐渐减小，当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时，径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大先减小后增大。径向井的裂缝引导长度随水平主应力差的增大而减小。岩石基质渗透率增大，径向井周围基质的孔隙压力增大，对裂缝的诱导作用增强。     

螺旋射孔多孔眼起裂裂缝形态有限元模拟

采用螺旋射孔完井时,准确模拟不同孔眼周围裂缝的起裂形态能够有效指导射孔参数的优化。基于渗流-应力耦合方法建立螺旋射孔井有限元数值模型,引入损伤变量描述岩体破坏后的弹性参数、强度和渗透率随损伤的变化规律,进一步追踪模拟岩体损伤裂隙的演变过程,借此预测近井筒周围的水力裂缝起裂和扩展形态。模拟结果表明:采用耦合损伤变量的有限元模型能够模拟出沿井筒面和射孔方向扩展的两种水力裂缝的起裂及其随液压加载的扩展趋势;针对不同井筒方向条件可模拟出不同孔眼处水力裂缝的起裂差异,以此评估孔眼间水力连接性,并预测近井筒裂缝形态。室内物理模拟实验与数值模拟结果一致,表明建立的有限元数值模型可用于分析近井筒裂缝起裂的复杂性问题,对现场射孔压裂优化设计具有指导意义。     

有限元分析径向水力压裂裂缝扩展影响因素

径向水射流辅助压裂的裂缝起裂和扩展机理尚不明确,基于ABAQUS平台,采用扩展有限元法对径向井水力压裂过程中裂缝的扩展过程进行数值模拟,探索径向井方位角、井径、井长、水平地应力差、岩石杨氏模量、岩石泊松比、储层渗透率、压裂液黏度、排量等9个因素对径向井引导裂缝扩展效果的影响规律,并利用灰色关联分析法研究各因素对径向井引导效果的影响能力大小。结果表明,随井径、井长、岩石泊松比等参数增大,径向井对裂缝引导效果增强;随径向井方位角、水平地应力差值等参数增大,径向井对裂缝引导效果减弱。各因素影响径向井对裂缝引导效果的程度由大至小顺序为:水平地应力差值、径向井方位角、井径、岩石泊松比、压裂液排量、储层渗透率、井长、压裂液黏度、岩石杨氏模量。该分析为径向井辅助压裂技术在低渗油藏的应用具有指导意义。     

煤岩径向井-脉动水力压裂裂缝扩展规律与声发射响应特征

径向井-脉动水力压裂是一种煤层高效增透新方法。利用声发射仪和伺服式脉冲疲劳试验机,开展了煤岩径向井-脉动水力压裂室内实验。基于广义关联积分分形维数计算方法与型煤岩样声发射信号响应特征,分析了压裂过程中微裂缝发育特点和宏观裂缝扩展规律,探究了径向井分支数、长度、脉动频率和振幅等参数对压裂效果的影响规律。实验结果表明,低压脉动压裂阶段声发射信号相对分散,脉动能量促使微裂缝发育;高压脉动压裂阶段声发射信号相对集中,脉冲能量促使主裂缝快速延伸;呈非对称展布的径向井眼数量越多、长度越长,煤岩增透效果越好。实施径向井-脉动水力压裂时应控制初始脉动压力低于煤岩起裂压力,适当延长低压脉动作用时间,使微裂缝在近井地带充分发育,以降低主裂缝延伸压力,形成更大尺度宏观裂缝。     

径向孔眼辅助压裂裂缝形态

为研究不同径向孔眼参数对裂缝形态的影响规律,基于地层流-固耦合方程,应用ABAQUS有限元软件,利用最大拉应力准则判断裂缝起裂位置并预测裂缝扩展形态,最后通过大型真三维物模实验验证数模结果。结果表明:在径向孔眼内水力加压会改变原始地应力分布并形成干扰应力场;裂缝面由孔眼起裂并以缝高增长的方式扩展,当缝高增长超出干扰应力场后受水平地应力差影响转向;当同一水平面孔眼数量大于4时,干扰应力场即可互相连结成新的应力场;当以x、y轴均对称方式钻孔会形成形态复杂的多裂缝。径向孔眼对压裂裂缝具有引导能力,多径向孔眼具备构造复杂多裂缝的能力,利用径向孔眼对压裂裂缝的影响特性可有效提高传统压裂技术的改造效果,提高产能。     

深层页岩气水力裂缝起裂与扩展试验及压裂优化设计

受地质构造、成岩作用等多方面因素影响,深层页岩的层理发育程度、脆性指数、岩石力学特性、最小水平主应力梯度及水平应力差都与中深层页岩有明显差异,使人工裂缝起裂压力更高,裂缝复杂程度更低,从而极大地影响了深层页岩气地层的体积压裂设计和安全施工。为此,利用大尺寸岩样,模拟研究了深层页岩气地层的水平应力差、压裂流体黏度、施工排量等地层和工艺参数及缝内暂堵措施对人工裂缝的起裂与扩展特征的影响规律。研究发现,裂缝起裂与扩展特性受层理胶结强弱、水平应力差及前置液黏度等因素影响较大,压裂裂缝容易沿层理起裂导致早期憋压超压,从而使施工失败,高应力差条件下裂缝扩展形态相对简单,前置中黏压裂液、缝内暂堵等措施有利于裂缝多次破裂、产生次生裂缝使裂缝复杂化。在此基础上,提出了密切割分段、短簇距射孔、组合液体及变排量施工等压裂优化设计方案,现场应用后深层页岩气产量获得了重要突破。      

页岩气储层水力压裂扩展有限元模拟方法及应用

页岩气储层低孔低渗,需用水力压裂等方法进行储层改造方可获得经济产能。储层改造中裂缝的形态和分布对体积改造效果至关重要。为了研究压裂裂缝的模拟方法,系统调研和对比了储层水力压裂模拟常用方法,开展了扩展有限元模拟,研究表明:①水力压裂物理模拟实验能够直观观测裂缝的形态及展布特征,但因试样尺寸等问题难以代表实际储层压裂情形;②常用的数值模拟方法有边界元法、非常规裂缝模型、离散化缝网模型和扩展有限元法等,这些方法各有优缺点,需做有针对性的改进才能更好地模拟真实页岩储层压裂情况;③应用扩展有限元法模拟水力压裂和分段顺序压裂过程中裂缝的延伸情况,得到射孔方向与最大水平主应力之间夹角和诱导应力对压裂裂缝的影响,夹角越大,裂缝偏转角度越小,偏转距离越大,初始破裂压力越高,裂缝稳定延伸的压力也越大,而诱导应力的存在会抑制压裂裂缝的延伸。对实际压裂工程中射孔方向的选择和分段压裂射孔间距的设计具有指导意义。     

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。     

煤层气径向水平井压裂室内试验与产能数值分析

煤层气径向水平井压裂工艺,即先在目标煤层钻成单层或多层径向水平井、再进行水力压裂改造,有望成为一种解决我国煤层气单井产量过低问题的有效手段。为研究该工艺在煤层中的压裂效果,采用大型真三轴水力压裂试验设备对径向水平井压裂过程进行了物理模拟,得到了3种裂缝形态,并依据试验结果分析了井眼参数对裂缝起裂与扩展的影响规律;同时,采用油藏数模软件对径向水平井压裂后的煤层进行建模,对不同完井方式的产能对比,论证了径向水平井压裂对于煤层气高效开采的巨大潜力,指出径向水平井压裂应当以"一平多纵"的缝网形态为设计目标,并给出了具体的工程设计建议,为该技术在煤层气开发中的应用提供了理论依据。      

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。     

页岩气分段压裂水平井非稳态渗流模型

有关应力敏感页岩气藏分段压裂水平井渗流的解析模型很少,在考虑页岩气吸附解吸附、基质内非稳态扩散及应力敏感的前提下,应用拉式变换、摄动变换、镜像原理以及叠加原理等方法,建立了页岩气分段压裂水平井半解析模型。模型计算结果表明,页岩气分段压裂水平井可分为6个渗流阶段,即线性流、第一径向流、双径向流、天然裂缝系统径向流、窜流阶段和整个系统径向流动。应力敏感主要影响后5个流动阶段,考虑应力敏感的无因次井底压降是不考虑应力敏感的几倍之多,且开发后期无因次压降导数曲线往往上翘,表现出封闭边界影响的特征。如果计算分析时不考虑应力敏感的影响,计算结果会产生较大的误差,且会得出错误的试井解释。所建的半解析模型为快速预测页岩气分段压裂水平井的产能、认识压裂水平井渗流规律和评价分析压裂效果,提供了一种非常有用的方法。     

水力压裂裂缝三维扩展ABAQUS数值模拟研究

油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程,引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则,考虑流体在裂缝面横向、纵向流动,采用有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。通过其黏结单元设定裂缝延伸方向,编写用户子程序并嵌入ABAQUS主程序中,以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统对页岩露头开展了水力压裂裂缝扩展模拟试验,并利用高能CT扫描观测压后岩心内部裂缝形态,研究了多种因素对页岩水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验条件下的研究结果表明：排量对裂缝复杂度的影响存在一定的范围;当水平地应力差小于9 MPa时,水力裂缝易沿天然裂缝转向,形成网状缝。随着应力差的增加,主裂缝（横切缝）的产生有利于沟通更多的天然裂缝,形成相对更复杂的裂缝;相同水平应力差条件下,水平应力差系数大于0.25时,有明显形成单一主裂缝的趋势;排量和压裂液黏度对水力裂缝几何形状的影响可用参数qμ表达,该值较低或较高都不利于缝网的产生;页岩层理的发育和胶结强度严重影响压裂缝网的复杂度。     

有限元构造应力场研究在苏里格气田水平井开发中的应用

建立了苏里格气田的地质构造模型,利用有限元分析方法,对苏里格气田进行了地应力场有限元反演和三维构造应力场的数值模拟,模拟出区域最大主应力、最小主应力、最大剪应力和岩石应变能的分布规律,进而预测区域天然裂缝的分布规律,同时分析了构造应力场在水平井压裂中对水力裂缝启裂方位、裂缝规模的控制作用等,为气田水平井整体开发井网部署及压裂设计提供借鉴。     

低渗透裂缝性油藏水力缝延伸特征分析 --以克拉玛依油田百31井区佳木河组油藏为例

在分析百31井区佳木河组油藏天然缝发育特征、现今应力特征、水力缝延伸特征的基础上,重点分析了天然缝和现今地应力对水力缝的影响,归纳了低渗透裂缝性油藏水力缝的分布规律。天然缝发育特征、现今应力场特征不但决定了水力缝分布特征,而且直接影响着压裂施工;百31井区佳木河组油藏油井压裂时水力缝基本上都是沿天然缝延伸或对天然缝进一步改造和沟通;油井射孔段天然缝产状、发育程度、水平应力大小直接影响着压裂施工压力。