天然裂缝对页岩储层水力裂缝扩展影响数值模拟研究

页岩储层中存在大量的天然裂缝,对水力压裂过程中裂缝扩展影响作用显著。为探究天然裂缝对水力裂缝扩展规律的影响,考虑岩石储层变形与裂缝内的流体流动之间的耦合作用以及天然裂缝与水力裂缝的相互作用建立了页岩储层二维流固耦合水力压裂裂缝相交扩展模型,通过与经典KGD模型和室内试验结果的对比,验证了模型的正确性。在此基础上研究了水平应力差、天然裂缝相交角和长度对水力裂缝与天然裂缝相交扩展的影响。研究结果表明:随着水平应力差的线性增加,裂缝起裂注水压力呈线性增大趋势,最大水平主应力对水力裂缝与天然裂缝相交后的裂缝扩展路径有诱导作用;水力裂缝与天然裂缝相交时,注水点水压出现骤降现象,裂缝相交点处易出现应力集中区,裂缝相交处宽度出现间断现象;天然裂缝相交角越大,间断现象越明显,压裂裂缝长度越短,压裂裂缝面积越小;天然裂缝长度对压裂裂缝长度影响较小,但对压裂裂缝的宽度和面积影响明显。研究结论对优化页岩气水力压裂设计有一定的指导作用。     

压裂过程中储层压力场变化对水力裂缝扩展的影响

非常规油气资源开发过程中,通过水力压裂形成复杂裂缝网络是实现高效开发的关键技术之一,压裂过程中储层压力场的变化对裂缝扩展具有重要影响。本文基于扩展有限元理论,建立耦合损伤-滤失-应力的水力压裂裂缝动态扩展模型,研究储层压力分布对同步压裂和顺序压裂过程中裂缝动态扩展、起裂压力和延伸压力影响,对比了不同储层压力增量条件下水力裂缝偏转程度和压力变化情况。研究结果表明:(1)压裂液滤失诱发的局部孔隙压力增加会引起储层压力场发生变化,使得水力裂缝在延伸过程中的偏转程度增加,同时水力裂缝的延伸压力和起裂压力也会增加,算例显示裂缝的起裂压力和延伸压力将分别增加27.49%和27.58%;(2)对比同步压裂和顺序压裂下裂缝扩展动态,发现采用顺序压裂时裂缝偏转程度更大,且裂缝延伸压力更高。研究成果可为致密砂岩储层的有效开发提供理论依据和技术支持。     

真三轴作用下煤岩水力压裂模拟试验研究

为了研究煤储层中水力压裂产生的裂缝扩展延伸机理,借助大尺寸的真三轴试验设备,以相似材料成型的试件为研究对象,进行了水力压裂模拟试验。试验结果表明:水力压裂裂缝总的扩展方向为最大、最小主应力合力的矢量方向,即沿着力最大的方向扩展。天然裂缝的存在会影响水力压裂裂缝的扩展路径,部分裂缝穿过天然裂缝弱面继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝扩展至天然裂缝面尖端后继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝在天然裂缝面之前发生分层、转向。     

煤层气水平井穿层压裂裂缝扩展机理

为对煤层顶底板水平井穿层压裂技术提供理论支撑,以煤层顶底板水平井穿层压裂技术为模拟对象,应用大尺寸真三轴测试系统对天然岩样制得的试件进行了水平井压裂模拟试验,研究了地应力、天然裂缝及弹性模量对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明:在采用水平井穿层压裂技术开发煤层气时,应优选垂向应力与最大水平应力差较大(5 MPa)的含煤地层;高弹性模量层中水力裂缝内压力较高,可进一步促进裂缝扩展;天然裂缝对水力裂缝扩展的影响不仅与逼近角有关,更与天然裂缝宽度、水力裂缝内注入压力相关。水力裂缝内注入压力较低(10 MPa)、天然裂缝较宽时(0.05 mm),水力裂缝易受天然裂缝影响,与天然裂缝相交后沿天然裂缝扩展;水力裂缝内注入压力较高时(30MPa),天然裂缝对水力裂缝扩展的影响减弱。     

煤层气储层水力压裂裂缝扩展模型分析及应用

以往对于水力压裂裂缝扩展模型的研究,主要集中在砂泥岩储层,而对煤储层的研究较少。以沁水盆地安泽区块煤层气储层为例,建立了水力压裂裂缝扩展模型并对该模型的现场应用进行了研究。首先通过煤储层水力压裂裂缝形态的分析,选取相应的裂缝模型;然后运用滤失经典理论并结合煤储层应力敏感性特征,提出了动态滤失系数计算方法,进而建立了裂缝扩展数学模型并对影响缝长的主要因素进行了评价;最后,应用模型对煤层气井的裂缝几何参数进行计算,并与现场裂缝监测数据比较,提出了模型适用的地质条件。研究结果表明:安泽地区煤储层水力压裂以形成垂直缝为主;考虑煤储层应力敏感性后,研究区综合滤失系数从3.36 mm/min1/2增大到4.24 mm/min1/2,在影响缝长的诸多参数中,排量、滤失系数和压裂时间是最主要的3个因素;模型计算缝长和裂缝监测数据吻合较好,但模型应用也有一定的限制条件,适用于水力压裂不压开煤层顶底板,以及天然裂缝发育较少的煤储层。     

泵注排量对煤储层水力压裂影响的试验研究

为了研究煤储层中单孔不同压裂液排量、不同压裂次数对水力压裂效果的影响机理,运用水力压裂试验装置和压裂泵,以相似材料试件为压裂对象,开展了变压裂液排量、不同压裂次数条件下的水力压裂试验。试验结果表明,压裂液泵注排量越大,破裂压力越大,破裂时间越小,水力裂缝与出水孔间的夹角越大;在进行第1次压裂时,水力裂缝形态呈椭圆状,第2次压裂时裂缝的扩展路径与试件内部缺陷、破裂面特征息息相关。     

煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究

硬脆性砂岩、页岩储层与塑性的煤层组合开发时,层间应力差、岩性差异、界面性质等因素会对水力裂缝扩展产生较大影响,复合储层人工裂缝扩展规律存在认识不清的难点,给储层改造方案的合理设计带来了难度。基于此,选取鄂尔多斯盆地东缘临兴地区天然露头岩石进行不同岩性组合,开展室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同地应力差、弹性模量差异、煤岩割理等参数对水力裂缝起裂及扩展的影响。结果表明:水力裂缝起裂方向受地应力条件及近井筒天然弱面共同控制;当应力差在4~6 MPa时,既能保证裂缝穿透界面,又能保证高效沟通煤岩中天然弱面形成网络裂缝;层间弹性模量差异越大,缝内流体压力越高,穿透界面时释放的压力脉冲有助于激活煤岩中的微裂缝形成复杂的裂缝网络。水力裂缝在煤岩中的扩展路径受割理影响较大,易发生转向或者分叉扩展;水力裂缝穿透界面时压裂曲线存在明显的2次憋压,沟通煤岩割理过程中压裂曲线上下波动明显。研究复合储层水力裂缝起裂及扩展规律可为油田现场预测裂缝形态以及优化泵注程序提供参考。     

径向钻井技术开发沁水盆地煤层气工艺研究

针对沁水盆地碎裂煤煤体结构,提出采用水力喷射径向钻井与水力压裂等增产联作工艺。先在煤层实施水力喷射径向钻井作业,以形成呈辐射状的径向水平孔,沟通煤储层发育的天然孔隙和裂隙,然后根据储层条件再进行水力压裂改造措施,确保沿着径向孔方向诱导水力压裂裂缝,以增加水力压裂在煤层中形成的裂缝数目,并通过变排量技术控制裂缝在煤层中的延伸高度,最终延长煤层中的有效压裂裂缝长度,使支撑剂填充在有效的煤层裂缝中。同时在水力压裂之后,可根据煤储层地质特征,增加酸化作业,以酸溶煤储层割理中的可溶性矿物质,达到进一步提高煤储层渗透率的目的。     

煤矿井下水力压裂裂缝扩展分析

水力压裂作为一种改造储层渗透性工艺,通过向储层注入高压液体,在储层中形成一定规模的裂缝,通过沟通储层内部裂隙,提高储层渗透性。然而水力压裂中裂缝的劈开和延伸方向受到多方面的影响,储层所受到应力大小和方向、储层的地质构造、力学性质及其中的原始裂隙发育情况等都不同程度地影响裂缝的开启与扩展。通过对前人工作进行总结、分析,找到影响裂缝扩展的主要因素,为压裂钻孔的布置提供指导。     

不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析

为了准确认识原生裂缝壁面特征对煤储层水力压裂效果的影响,基于对沁水盆地南部8口煤层气井附近原生裂缝壁面特征以及其压裂效果的解剖观测,对2口典型煤层气井F1和F2附近的原生裂缝壁面特征进行了观测和对比:F1原生裂缝壁面相对曲折、粗糙以及次级裂缝发育,F2则反之。对2口煤层气压裂井开挖解剖发现:煤储层压裂裂缝形态比压裂理论模型推算值及地面监测值更为短而宽;原生裂缝壁面特征对水力压裂效果具有重要影响。研究结果表明:煤储层特有的原生裂缝壁面特征是造成实际的压裂裂缝更为短而宽的重要因素;不同的原生裂缝壁面特征通过影响压裂过程中流体压力降低梯度进而影响最终压裂效果。     

砂煤互层水力裂缝穿层扩展机理

临兴地区含煤岩系地层纵向互层发育煤层、致密砂岩层产层组,当砂煤薄层组合开发时,受界面胶结性质、地应力差、压裂选层、煤层厚度、施工参数等因素的影响,难以判断裂缝是否垂向穿层。为了分析砂煤互层水力压裂裂缝穿层扩展规律,通过选取砂煤天然露头岩样进行交错组合,利用大尺寸真三轴水力压裂系统开展了砂煤产层组组合的物理模拟实验,研究了压裂选层、层间胶结强度、煤层厚度、胶液和活性水对水力裂缝穿层扩展的影响。实验结果表明:在煤岩中起裂时,受煤岩层理和自身天然裂缝的影响,裂缝在扩展过程中,容易发生转向,使得裂缝形态复杂多样,不利于裂缝穿层;在砂岩层中起裂时,砂岩中水力裂缝形态简单,形成水力主缝,容易穿层扩展;当界面胶结强度较弱时,裂缝扩展至砂煤界面,容易发生转向,沿界面扩展,形成水平裂缝;煤层越厚越容易耗散水力能量,使得水力裂缝难以穿层扩展;胶液的造缝能力优于活性水,但其对储层伤害较重,压裂液类型的选取需根据现场压裂所需进行甄选。     

大尺寸复杂应力水力压裂裂缝扩展模拟试验研究

为了研究复杂应力条件下的水力压裂裂缝扩展规律,本文借助自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统进行了大尺寸的水力压裂物理模拟,通过泵注石膏液充填水力压裂裂缝,以观测裂缝的开裂形态及扩展方位,并得到了不同压裂点的力、位移、水压与时间的关系曲线。研究表明,煤岩体中的水压力随着压裂液的持续泵注呈上升趋势,在压裂管周围的变化趋势与水压非常相似;试样在力的作用下有一定的位移,呈正相关。通过凝固的石膏可以看到水力压裂裂缝的完整形态,从而推断出裂缝的起裂、延伸路径,以期为煤层气水力压裂技术的研究提供数据参考和理论依据。     

地应力与天然裂缝对煤储层破裂压力的影响

以山西晋城矿区为研究对象,运用有限元模拟方法,计算不同地应力条件下煤岩的破裂压力.分析水力压裂过程中地应力、天然裂缝对煤岩破裂压力的影响.无天然裂缝时,破裂压力随3倍最小水平主应力与最大水平主应力的差值增大而线性增大.有天然裂缝时,天然裂缝降低了煤岩的抗张强度,使压裂裂缝的启裂和延伸脱离井筒周围局部地应力的影响,破裂压力随主应力差减少而增大;天然裂缝与最大水平主应力的夹角在30°左右时,破裂压力最小,大于30°时,破裂压力随夹角的增大而增大;破裂压力随垂直于天然裂缝的正应力的增大呈指数形式变大.     

煤储层破裂压力对压裂改造的影响与工程应用

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供指导。结果表明：2口井的测井数据反演的煤层具有低泊松比、低杨氏模量、低强度、低破裂压力的特点;通过在前置液阶段控制施工排量及施工压力、提高阶段液量,可以有效避免压裂裂缝沿煤层顶底板之间的层间界面延伸及扩展至煤层顶底板;测井数据反演的PN-1井煤层破裂压力与实际压裂施工的破裂压力较接近,误差仅为3.01%,对压裂施工参数优化的指导意义较高;PN-2井煤层破裂压力略低于顶底板岩层的破裂压力,压裂初期的施工排量偏高,导致施工压力达到顶底板的破裂压力,压裂裂缝在顶底板之间延伸形成单一裂缝,改造效果及产气效果均较差。     

煤岩缝网改造关键因素分析及应用研究

为提高低渗煤层瓦斯抽采效率,在分析页岩气"缝网压裂"基础上,提出了煤矿井下煤岩储层缝网压裂的技术思路。通过分析影响缝网形成的关键因素,采用Mshale模拟水力压裂脆性指数-泊松比-单一水力裂缝体积三者关系,判断天然裂缝发生张性断裂和剪切断裂的力学条件,试验模拟不同地应力差水力裂缝特征。研究表明:在注入量一定条件下,随着脆性指数增加,单一水力裂缝体积减小,水力裂缝数量增加;随着主应力差的增大,试样破裂面表面积增加且渐为粗糙,裂缝张开度减小;水力裂缝和天然裂缝相交角越小,水力裂缝越易沿天然裂缝剪切破坏;主应力差较小时,水力裂缝易出现转向、分叉等。在鹤壁中泰矿业有限公司进行了缝网压裂试验,压裂有效面积达21 666 m2,钻孔日抽采量是缝网压裂前的13倍,是常规水力压裂的2.6倍,采用CYT探测了水平剖面和垂直剖面视电阻率的变化,证实了水力压裂缝网的存在。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

缝网压裂技术研究及在大庆油田中的应用

面对低渗透油气藏难于开采的问题,提出了缝网压裂技术的原理及施工过程。缝网压裂技术不同于常规压裂,缝网压裂技术的目的就是开启、延伸和沟通天然裂缝,增大裂缝网络的复杂性和比表面积。对于天然裂缝发育的储层,施工时当裂缝内净压力大于水平主应力差值时,可在原始裂缝的基础上形成新的分支裂缝;对于天然裂缝不发育的储层,施工时的裂缝净压力大于水平主应力差值与岩石的抗张强度之和后,可在岩石本体上形成新的分支缝。主裂缝为缝网系统的主干,分支缝可能延伸一定长度之后又回到了原来的裂缝方位,最终形成复杂的网装系统。     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。     

煤岩天然裂缝与水力裂缝耦合模型及扩展分析

从线弹性断裂力学出发,对煤储层复杂裂缝系统的形成机制进行了研究。建立了天然裂缝与水力裂缝的干扰模型以及新裂纹起裂角计算模型,分析了临界水平应力差、新裂纹起裂角的影响因素,并研究了天然裂缝倾角和天然裂缝密集程度对复杂裂缝网络形成机制的影响。