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。     

页岩储层的改进拉链式压裂裂缝间距优化

针对改进拉链式压裂优化设计的要求,在假设岩石为均质、各向同性材料的基础上,建立诱导应力计算模型,得出近井地带最大诱导应力差计算公式及最佳裂缝间距表达式,确定了中间裂缝最佳起裂位置,并建立多裂缝缝间诱导应力差计算模型。研究表明:随着泊松比的增加,诱导应力差最大值减小,缝间最佳间距增大;随着缝内压力的增加,诱导应力差最大值增大,缝间最佳间距不变;裂缝高度增加,诱导应力差最大值不变,缝间最佳间距增加;当裂缝间距增加时,近井地带诱导应力差先增大后减小,井间裂缝交汇处的诱导应力差逐渐减小,诱导应力差值分布趋于均匀化。进行压裂设计时,在满足裂缝转向条件的前提下,可根据实际情况适当扩大缝间距离,增加远场裂缝网络的复杂性,提高改造体积。     

页岩储层压裂应力阴影效应对缝网形成的影响

为深化认识页岩水平井多段压裂过程中的缝间应力阴影效应,提高缝网形成效率,基于离散元法建立复杂裂缝扩展模型,开展了多裂缝延伸数值模拟研究。重点分析了缝间干扰的影响因素,包括水平应力差、杨氏模量、缝间距、净压力和裂缝形成顺序,以及单条水平井交替压裂过程中水力裂缝与天然裂缝的相互作用行为。数值模拟结果表明：①水平井多段顺序压裂不易形成近间距裂缝,由于应力阴影效应,后继裂缝将偏离水平最大主应力方向,无法改造远井筒区域;②储层杨氏模量决定应力阴影作用距离,而净压力决定着裂缝周围产生的“应力阴影”效应的强度,高杨氏模量,低水平应力差地层,施工净压力越大,发生干扰的缝间距越大;③通过优化水力裂缝形成顺序,利用多裂缝应力干扰,可使得当前改造区域内水平地应力差显著地降低,有利于后继水力裂缝开启天然裂缝系统,从而提高缝网复杂性。研究结果可为页岩储层缝网压裂设计优化提供理论依据。     

基于离散元方法的拉链式压裂效果影响因素分析

井间应力干扰对页岩储层“井工厂”模式开发效果影响显著，致使储层改造结果与设计方案存在一定误差，准确分析和确定井间应力干扰作用下的裂缝扩展规律是当前一个亟待解决的问题。基于离散元方法建立三维拉链式压裂裂缝扩展模型，研究水平主应力差、压裂液排量以及井间距对裂缝扩展形态的影响，以及定量分析对裂缝总体积的影响程度。研究结果表明，井间距小于80 m，裂缝尖端易发生偏转，即井间距较小条件下井间应力干扰明显；各因素对裂缝总体积的影响程度主次顺序为：压裂液排量>井间距>水平主应力差，因此现场施工时主要调整压裂液排量来改善压裂效果；水平主应力差对裂缝总体积影响不显著，主要决定裂缝尖端偏转程度，水平主应力差小于6 MPa时裂缝易发生偏转而形成复杂裂缝网络，在此基础上增大压裂液排量到0.3 m³/s以及增加井间距到80 m，可使水力裂缝总体积从326.36 m³增大到482.75 m³，增大了47.92%。研究结果对优化水平井拉链式压裂工艺措施提供参考，对提高页岩储层采收率具有重要借鉴意义。     

水力压裂裂缝应力场变化规律

水力压裂过程中裂缝周围应力场对裂缝的转向、扩展有重要影响,研究裂缝周围应力分布影响因素对压裂参数优化设计具有指导意义。基于裂缝扩展有限元方法,建立了裂缝扩展的数学模型,利用Abaqus软件研究了不同裂缝倾角（裂缝与最小水平主应力方向夹角）、主应力差（最大水平主应力与最小水平主应力之差）对裂缝壁面正应力和剪应力的影响;不同射孔角度（射孔方向与最小水平主应力方向夹角）对裂缝延伸轨迹和裂缝壁面剪应力、切向位移的影响;不同射孔簇间距对裂缝几何形态、剪应力、孔隙压力的影响。研究表明：当裂缝倾角增加时,裂缝壁面的正应力逐渐减小,剪应力呈先增大后减小的趋势,且在裂缝倾角为45°时达到最大;当裂缝倾角不变时,裂缝壁面正应力和剪应力随主应力差的增加而增加;裂缝转向半径随着射孔角的增加而减小;在主应力差高于6MPa时,45°射孔角有利于裂缝入口岩石产生剪切破坏;在多裂缝同时扩展过程中,当裂缝间距减小时,应力干扰区域内的剪切应力逐渐变大、裂缝周围流体分布逐渐减少;对于高应力差储层改造,采用缩小簇间距和45°方向射孔的密切割射孔方式有利于岩石产生剪切破坏。     

页岩弹性模量非均质性对地应力及其损伤的影响

页岩的应力非均质性对钻完井、压裂改造和气藏开发动态等过程具有显著影响,目前未给出合理的表征方法来刻画页岩水力压裂过程中力学非均质性引起的岩石损伤/破裂及"应力阴影"效应。采用Galerkin有限元数值方法,通过COMSOL Multiphysics求解器,利用Matlab脚本语言进行了二次开发;采用Weibull概率密度函数表示页岩力学非均质性,数值模拟了水力压裂过程中流固耦合条件下非均质性对页岩地应力分布、应变能密度、流压和损伤因子等因素的影响规律。当地层完全为均质时,Von-Mises应力、应变能密度和损伤因子递减分布曲线特征明显,随着地层非均质增强,它们的分布曲线呈现起伏波动的规律,且Von-Mises应力、应变能密度与损伤因子相关性较好。据此提出了二维平面应变条件下力学非均质性引起的岩石损伤/破裂及"应力阴影"效应表征方法,即用单点线处的Von-Mises应力或应变能密度刻画岩石的局部破裂程度或应力阴影效应的强弱,用单位面积的平均应变能密度刻画岩石整体的破裂程度或应力阴影效应的强弱。该研究对进一步改进页岩体积压裂设计和提高气井产能具有重要指导意义。     

层理影响下裂缝三维垂向扩展模式数值模拟

新疆某区块储层具有非均质性强、天然层理面发育和应力分布不均匀等特点,含层理面储层在复杂应力条件下裂缝垂向扩展模式显著影响穿层压裂效果。基于有限元方法和内聚力模型,建立了含层理面的三维流固全耦合数值模型,系统研究了不同应力组合和层理面影响下水力裂缝垂向扩展形态,明确了含层理储层裂缝穿层扩展模式,形成了复杂应力组合下裂缝穿层形态预测图版。模型模拟结果与已发表物模实验结果一致,验证了模型的可靠性。研究结果表明：垂向应力越小,裂缝越容易激活层理面,当垂向应力小于18 MPa时,裂缝沿着层理面扩展;水平应力差越大,裂缝受到层理面的阻碍作用越大,水平应力差大于3 MPa时,裂缝更容易被层理面捕获而沿着层理面扩展;层理面抗拉强度越大,裂缝更倾向于贯穿层理面扩展。研究结果可为层状储层穿层压裂设计提供理论指导。     

基于三维重构技术的裂缝扩展规律研究

水力压裂裂纹的起裂、贯通、扩展行为与地层应力状态、储集层岩石的岩性、颗粒结构等多重因素有关,因此常规均质模型无法准确地反映岩石参数及其裂缝扩展规律。而基于真实油藏砂岩,利用切片实验、电镜扫描探针实验、CT扫描实验等,获取准确的岩石矿物颗粒物理力学性质和孔隙(裂隙)结构信息,并通过模拟退火法进行了岩石模型的三维重构,针对数字岩心,开展了均质和非均质两种不同数值模型下的水力压裂裂缝扩展数值模拟研究。研究表明:对模型裂缝的扩展起主要作用的是颗粒以及裂隙;水平应力差越小,裂缝起裂压力越高,裂缝扩展长度越小;通过模三维重构技术建立非均质模型的结果更有参考价值。该方法对于水力压裂裂缝扩展机理的深入精确研究具有一定的指导意义。     

多裂缝应力阴影效应模型及水平井分段压裂优化设计

针对页岩气藏水平井分段压裂中应力阴影的表征方法及影响因素不明确的问题,基于水平井分段压裂理论,借鉴水力压裂裂缝诱导应力产生机理,从单一垂直裂缝入手,利用应力叠加原理得出了多条裂缝应力阴影效应的数学模型。应用该模型分析了应力阴影的影响因素,结果表明:①泊松比与水平主应力方向的应力阴影呈线性关系,当泊松比为0.2~0.4时,最小水平主应力方向的诱导应力为0.36~0.72 MPa;②裂缝数量越多间距越小,应力阴影效应作用越强;③裂缝数量增加的同时也增大了施工难度,5条裂缝比3条裂缝的净压力增加了41.46%;④当裂缝间距小于100 m时,裂缝容易转向形成缝网;⑤裂缝间距是缝高的1.5倍时,应力阴影效应非常小,超过2倍后可以忽略不计。上述结论对合理利用应力阴影效应进行水平井分段压裂优化设计具有指导意义。     

砾岩油藏压裂裂缝遇砾扩展行为机理

砾石的随机分布使砾岩储层具有高度非均质性,显著影响局部力学响应,难以控制和预测水力压裂裂缝的扩展。水力压裂裂缝的遇砾扩展机制仍不清楚,使得水力压裂的设计和有效实施充满挑战。基于全局黏聚力单元,在Abaqus 平台建立了渗流-应力-损伤多场耦合的二维裂缝扩展模型;在细观尺度上将砾岩视为砾石、基质和胶结面组成的三相复合材料,进行压裂裂缝遇砾扩展行为机理研究。结果表明,水力裂缝遇砾发生穿砾、绕砾、穿砾且绕砾等现象;砾石的渗透性和弹性模量对裂缝遇砾行为影响的作用机理不同：砾石的低渗透性造成憋压现象,裂缝尖端流体压力提高了13%,水平与竖直方向有效应力分别减小了10.1%和12.8%;砾石的高弹性模量造成应力的屏蔽现象,裂缝尖端与砾石间的区域水平方向有效应力减小了5.8%。砾石的低渗透性与高弹性模量都会造成胶结面上发生剪应力集中,增加了胶结弱面破坏的可能性,造成裂缝遇砾发生偏转。     

页岩压裂裂缝网络预测方法及应用

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。     

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。     

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.     

裂缝转向对低渗地层水平井压裂的影响

水力裂缝转向作为压裂过程中的一种重要现象,可造成近井筒裂缝的弯曲,对于裂缝中支撑剂的传输和流体的流动规律具有很大影响,可最终影响水力压裂的成败和人工裂缝的导流能力。统计了长庆油田水平井压裂施工的部分资料,分析了长庆油田水平井压裂的特点。结合二维裂缝的平面应变模型,建立了裂缝转向的曲率半径与地层物性参数和压裂施工参数的关系,并针对性地分析了不同参数对于裂缝曲率半径的影响。结果表明,水平应力差对裂缝的转向距离有决定性的影响,压裂施工排量对水力裂缝高度的增长贡献显著,控制排量、延长注液时间能有效增加裂缝长度。结论对于压裂参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

复杂构造区深层页岩气藏射孔参数优化及应用——以涪陵页岩气田白马区块为例

为了实现四川盆地涪陵页岩气田白马复杂构造区深层页岩气储量的有效动用,针对该区地质构造复杂、储层非均质性强、储层埋藏较深、压裂改造难度较大的实际情况,基于平面三维“井筒—多裂缝扩展”全耦合计算模型,考虑不同小层物性与应力的差异,模拟了不同穿行层位、压裂簇数、射孔数量等因素对多簇裂缝扩展差异的影响。研究结果表明：①降低簇间距、增加单段压裂簇数的多簇密切割有利于提高改造段内的主裂缝密度、缩短气体运移距离;②段内簇数并不是越多越好,在相同注入排量及压裂规模条件下,随着压裂簇数的增多,各簇缝长、缝高呈现出降低的趋势,同时多裂缝的非均匀扩展现象加重;③水平井穿行层位及各小层物性特征、应力状态也会影响到水力裂缝的扩展形态,会增强不同小层改造的非均匀性,进而造成最优簇数的不同;④减少单簇射孔数的限流压裂,有利于提高压裂段内改造均匀性、降低各簇进液量差异减小系数,但是较低的射孔孔数则会提高射孔孔眼摩阻、大幅度提高地面施工压力。现场实践结果表明,依据水平井穿行层位优化压裂工艺参数,同时配合限流射孔,压后气井增产效果明显。结论认为,该研究成果为实现白马区块深层页岩气资源的有效动用提供了理论指导与实践检验。     

低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化新方法

水平井分段多簇压裂中簇间距的大小是决定水平井分段多簇压裂成败的关键因素。为提高低渗透油气藏储层压裂改造效果,需建立合理的簇间距优化模型,而现有的优化方法多以应力反转半径作为最佳间距,并未定量化表征压裂后的储层改造效果。为此,基于弹性力学基础理论和位移不连续法建立了考虑水力裂缝干扰模式下的复杂地应力场计算模型,研究了天然裂缝在复杂地应力场条件下发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的规律,再以获得最大缝网波及区域面积为优化目标,形成一种新的簇间距优化方法。研究结果表明:(1)张开的水力裂缝会在其周围产生诱导应力,压裂液的滤失则会导致地层孔隙压力变化,相应的地层孔隙弹性应力也会发生变化;(2)天然裂缝剪切破裂区域与张开破裂区域重叠,且前者要远大于后者,可采用天然裂缝剪切破裂区域面积来表征复杂裂缝网络波及区域的大小。采用该方法指导了现场水平井的簇间距优化设计,实验井压裂后取得了理想的增产效果,为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂的簇间距优化设计提供了借鉴和指导。     

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。     

大庆油田致密砂岩储层压裂裂缝扩展形态实验研究

大庆油田在致密油砂岩储层体积压裂上取得了较好效果,但裂缝形成机理认识不清,制约技术的进一步提高。为了明确大庆松北地区致密砂岩储层裂缝形态特征,采用水力压裂模拟装置,在真三轴条件下对天然致密砂岩岩心进行了水力压裂物理模拟实验,分析了注入压力曲线特征和岩心裂缝形态变化规律。结果表明,裂缝形态主要受水平主应力差控制,层理特征对裂缝形态影响明显;脆性指数及杨氏模量对裂缝形态影响不明显。当水平主应力差小于3 MPa时,储层层理特征越明显,压裂后水力裂缝越容易沟通层理弱面并发生转向,裂缝形态越趋于复杂。     

Numerical simulation of hydraulic fracture propagation in tight oil reservoirs by volumetric fracturing

Volumetric fracturing is a primary stimulation technology for economical and effective exploitation of tight oil reservoirs. The main mechanism is to connect natural fractures to generate a fracture network system which can enhance the stimulated reservoir volume. By using the combined finite and discrete element method, a model was built to describe hydraulic fracture propagation in tight oil reservoirs. Considering the effect of horizontal stress difference, number and spacing of perforation clusters, injection rate, and the density of natural fractures on fracture propagation, we used this model to simulate the fracture propagation in a tight formation of a certain oilfield. Simulation results show that when the horizontal stress difference is lower than 5 MPa, it is beneficial to form a complex fracture network system. If the horizontal stress difference is higher than 6 MPa, it is easy to form a planar fracture system; with high horizontal stress difference, increasing the number of perforation clusters is beneficial to open and connect more natural fractures, and to improve the complexity of fracture network and the stimulated reservoir volume (SRV). As the injection rate increases, the effect of volumetric fracturing may be improved; the density of natural fractures may only have a great influence on the effect of volume stimulation in a low horizontal stress difference.