致密砂岩储层压裂有限离散元分析

利用传统数值模拟方法评价致密砂岩储层压裂效果时,存在裂缝不能交叉的问题。有限离散元（FDEM）法结合了有限元和离散元的优点,能够将有限元建立的连续性材料模型转变为离散元的非连续性材料模型,可模拟储层岩石的变形、破裂和裂缝的萌生及扩展,可解决该问题。基于某致密油气藏的地质资料,运用有限离散元方法研究水平地应力差和压裂液黏度对水力压裂裂缝形态的影响。结果表明：水平地应力差为0～8MPa时,随地应力差的增大,缝长呈现先增大后减小的趋势,平均缝宽会不断增大;压裂液黏度为40～120mPa·s时,缝长会随黏度的增大先增大后减小,平均缝宽则会先减小后增大。通过真三轴水力压裂物理模拟实验对数值模型进行了验证,数值计算结果与实验结果吻合良好,证明了该模型的适用性。该研究成果可为致密油气藏开发提供技术指导。     

基于扩展有限元的水力压裂缝间干扰及裂缝形态分析

为了研究水平井分段多簇压裂裂缝扩展过程中缝间干扰及其对裂缝形态的影响,在考虑裂缝流和压裂液滤失的情况下,利用扩展有限元方法,分别对不同裂缝间距、不同位置组合的裂缝在同时和分时压裂过程中,水平主应力、裂缝长度、加砂前裂缝宽度以及裂缝延伸方向的变化进行数值模拟分析。通过对比发现：在裂缝扩展过程中,由压裂液作用而产生的诱导应力使得裂缝两侧椭圆型区域内的水平主应力发生转向,其单侧作用距离约为1.5倍的缝长,而裂缝尖端应力方向不受影响;2条裂缝同时起裂时,2条对称裂缝延伸方向呈“相斥型”偏转,偏转角度随着裂缝间距增大而减小,2条交错裂缝延伸方向呈“相吸型”偏转,加砂前缝宽较单一裂缝扩展时窄;分时起裂的2条裂缝,后起裂裂缝的延伸方向随着裂缝间距增加先呈现“相吸型”后出现“相斥型”,且后期裂缝的延伸缝长会受到抑制,当2条裂缝间距较近时,后起裂裂缝会严重影响前起裂裂缝的加砂前缝宽甚至会使其闭合,但其缝长会有所增加,交错裂缝两翼会出现严重的非对称扩展的情况。     

水平井交替压裂裂缝间距优化及影响因素分析

为使水平井交替压裂在非常规油气储集层中形成大规模高效复杂体积缝网,需对交替压裂裂缝间距进行优化分析。 从相邻 2 条压裂裂缝诱导应力叠加效应对初始水平主应力差的影响出发,建立了裂缝高度不同且缝内净压力也不同的物理模型,提出了交替压裂第一次压裂裂缝和第二次压裂裂缝临界裂缝间距及中间裂缝最佳起裂位置的确定方法。 分析发现：前两次压裂裂缝临界裂缝间距随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度和缝内净压力增大而增大;中间裂缝最佳起裂位置距第一次压裂裂缝的距离随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度增大而增大,而缝内净压力对中间裂缝最佳起裂位置的影响较小。 通过实例,将改进后的方法与已有方法进行对比分析后发现,改进后的临界裂缝间距和中间裂缝最佳起裂位置较已有方法能更准确地计算出诱导应力场,对非常规油气储集层交替压裂形成高效复杂体积缝网具有指导意义。     

致密储层CO2压裂裂缝扩展规律数值模拟

CO₂压裂具有节约水资源、降低储层伤害等优点,并已在矿场实践中取得良好效果。为认清CO₂压裂裂缝扩展规律,基于流体流动、热传导和固体力学方程,建立CO₂压裂裂缝扩展热流固耦合模型。采用有限元法求解该模型,并与解析解对比验证模型可靠性。根据数值模型对CO₂压裂裂缝扩展进行参数敏感性分析,结果表明:CO₂在渗透率高于0.01 mD的地层中滤失量较大,地层破裂前增压速率较低,缝长和缝宽较小;CO₂黏度显著影响压力扩散和裂缝几何尺寸;注入排量对起裂压力影响较小,但会改变地层破裂前增压速率和延伸压力;热应力造缝是CO₂压裂造缝机理之一,地层与注入液的温度差越大,热应力越大,地层起裂压力越小,裂缝延伸越容易。研究结果可为CO₂干法压裂设计提供参考。     

暂堵转向压裂机理有限元分析

暂堵转向压裂技术是低渗透油气田开发后期增产挖潜的新手段、新方向。文中采用有限元分析方法研究暂堵转向压裂机理,确定转向裂缝起裂位置,分析起裂压力影响因素。研究结果表明:纤维暂堵转向压裂起裂点不唯一,当最小水平应力较大时,裂缝更倾向于从井筒起裂,反之,裂缝更倾向于从初始裂缝中部起裂;破裂压力存在一个区间,当岩石破裂压力在这个区间时,转向裂缝从初始裂缝中部起裂,当岩石破裂压力高于或者低于这个区间时,转向裂缝从井筒起裂;井筒起裂点的起裂压力随着最小水平应力的增大而减小,初始裂缝中部起裂点的起裂压力随着最小水平应力的增大而增大,2个位置的起裂压力均和地层弹性模量无关。该研究对认识暂堵转向压裂机理以及提高缝网改造效率具有重要的理论价值和现实意义。     

基于离散元方法的煤层压裂裂缝模拟研究

我国煤层气资源丰富,但由于煤层气赋存与产出机理独特,要实现煤层气的工业开发必须采取有效的增产措施,水力压裂是众多增产措施中使用比较多的煤层气开发技术。裂缝延伸状态是水力压裂的关键,国内外学者采用多种数值方法开展裂缝性储层裂缝延伸的模拟研究,但由于煤岩中割理比较发育、非连续特征比较明显,采用常规的有限元、有限差分、边界元等方法模拟时与实际情况存在偏差。为此,考虑离散元方法模拟的优势,根据离散元原理开展了煤岩水力压裂裂缝扩展的数值模拟。模拟结果表明,煤岩压裂后产生了多裂缝,主要集中在近井筒附近。随着压裂液排量的增加,裂缝宽度也不断增加,压力的波及范围和裂缝扩展范围也增大。当水力裂缝遭遇割理时,水力裂缝容易被割理抑制造成裂缝发生转向。而转向压力高于裂缝延伸压力下,致使水力裂缝在另一侧延伸,形成非对称裂缝;随着压裂液黏度的增加,注入压力、裂缝宽度明显增加;随着压裂液黏度的增加,裂缝延伸的长度增加,分支裂缝张开的长度和张开的数量明显减小;随着水平最大最小应力比的增加,水力裂缝在最大水平主应力方向延伸长度增加,在最小水平主应力方向出现减小的趋势。说明在高应力比下,不利于割理的张开与多裂缝的产生,而更有利于形成对称双翼对称裂缝。     

致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响

为了研究致密砂岩多段分簇压裂中孔隙压力场对多裂缝扩展的影响,采用300 mm×300 mm×600 mm天然砂岩进行真三轴水力压裂实验,实验过程中采用2套压裂液注入系统分别独立控制2条水力裂缝,实验后将试件连续切片分析实验结果,同时采用三维流固耦合数值模拟方法研究孔隙压力场对水力裂缝扩展的影响。结果表明:在致密砂岩压裂中,由于孔隙压力场的存在,无论是簇内裂缝还是簇间裂缝扩展,当缝间距与裂缝半长的比值较小时,裂缝之间表现为相互吸引;当缝间距与裂缝半长的比值较大时,裂缝之间的相互影响较弱,多裂缝之间未出现相互排斥现象;除缝内净压力、缝间距、应力差外,裂缝周围孔隙压力场也是影响多裂缝扩展的重要因素;孔隙压力的增大减小了有效应力,岩石更容易发生剪切破坏,从而加速了裂缝的非平面、非对称双翼扩展;现场致密砂岩多段分簇压裂应增大簇间和簇内射孔间距,可避免压裂液滤失导致裂缝长度的减小,增大储层的改造体积。     

页岩气藏压裂支撑剂沉降及运移规律实验研究

页岩气资源储量巨大,但由于页岩渗透率低,往往需要压裂才能有效开采。滑溜水压裂有利于形成复杂的裂缝网络,是中外页岩储层压裂改造首选的压裂液体系。由于滑溜水粘度低,携砂能力差,增加了滑溜水压裂的风险。中国在该领域的研究尚处于起步阶段,尤其对滑溜水携砂支撑剂沉降及运移规律的研究更少,同时缺乏必要的实验手段。为此,设计了裂缝模拟装置,通过实验模拟了施工排量、缝宽、支撑剂粒径、压裂液粘度和砂比等参数对裂缝内支撑剂沉降和运移规律的影响,获得不同参数下支撑剂的沉降速度和水平运移速度,分析了各因素的影响规律,并求解了各因素对支撑剂沉降速度和水平运移速度的修正系数。结果表明,随着缝内流速和压裂液粘度的增大,支撑剂沉降速度减小,水平运移速度增大;随着支撑剂粒径与缝宽比值和砂比的增大,支撑剂沉降速度和水平运移速度均减小。     

射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究

综合考虑井筒内压、原始地应力分布、先压水力裂缝的诱导应力等因素,根据叠加原理及弹性力学理论,建立了射孔水平井分段压裂起裂压力计算模型,分析了初始及后续裂缝的起裂规律。研究结果表明,初始裂缝产生的诱导应力分布受裂缝间距影响。当初始裂缝缝长一定时,沿井筒方向诱导应力逐步降低,直至地应力场趋于原始地应力场;射孔水平井裂缝起裂受射孔方位角的影响,最佳射孔方位由井筒周围地应力分布决定;先压裂缝产生的诱导应力场会导致后续裂缝的起裂压力增大,这种影响会随着裂缝半缝长的增大而增强;半缝长一定时,起裂压力的增加幅度随着裂缝间距的增加递减。      

多级脉冲气体加载压裂裂缝扩展及增产效果分析

多级脉冲气体加载压裂松弛岩层地应力、压裂地层的过程中,通过引入加权函数,应用弹性力学、断裂力学理论建立了多裂缝条件下裂缝起裂扩展模型,并采用与时间相关的爆生气体压力分布方程,模拟了爆生气体驱动下缝长、缝宽的变化过程,分析了不同裂缝参数对产能和表皮系数的影响.结果表明,裂缝起裂后向前延伸直到止裂,止裂后裂缝会发生一定程度的闭合;不同的裂缝条数会产生不同的最终缝长;多极脉冲气体加载压裂能够显著增加油井产量,降低储层表皮系数,裂缝的长度对油井产量的增加起决定作用,在压裂弹能量一定的情况下应该设计增加裂缝长度,减少裂缝条数.实现了对多级脉冲气体加载压裂的优化与控制.     

碳酸盐岩储层缝内暂堵转向压裂实验研究

顺北油气田碳酸盐岩储层非均质性强、连通性差,采用暂堵转向压裂技术可提高裂缝复杂程度,改善开发效果,但碳酸盐岩储层暂堵条件下的裂缝起裂扩展规律尚不明确。为此,采用改进后的三轴压裂物模模拟实验装置,进行了碳酸盐岩暂堵转向压裂实验研究。依次注入压裂液和加有暂堵剂的压裂液,分析了注入暂堵剂前后的施工压力曲线变化情况和暂堵转向压裂后的裂缝形态,从而明确了裂缝暂堵转向规律和实现缝内暂堵转向压裂的条件。研究表明,暂堵可增大裂缝复杂程度;为了实现缝内暂堵转向压裂,岩样内要发育有天然裂缝或层理面,同时暂堵剂能够进入裂缝内并实现封堵,使施工压力升高,从而实现新缝开启或转向。碳酸盐岩缝内暂堵转向规律研究结果为顺北油气田碳酸盐岩储层压裂改造提供了理论依据。      

定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响

为了探究直井水力压裂过程中定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响,采用扩展有限元方法对水压致裂岩石的流固耦合模型进行求解,从射孔方位、射孔长度和射孔相位角3个方面分析了裂缝自射孔孔眼起裂的扩展和转向规律。研究结果表明:射孔方位对裂缝周围地层压力分布几乎没有影响;射孔方位角较小的孔眼具有较低的起裂压力和较高的扩展压力,压裂后容易形成长而宽的裂缝;射孔方位角较大的孔眼则具有较高的起裂压力和较低的扩展压力,压裂后容易形成短而窄的裂缝;随着射孔长度的增加,重新定向距离逐渐增长,在转向处易形成相对较宽的裂缝;射孔相位角过小容易引发裂缝干扰,射孔方位角较小的裂缝优先扩展并对后扩展的裂缝产生较强的抑制作用。在施工时,为获得较好的改造效果,应尽量选择小方位射孔;为避免缝间干扰,射孔相位角应大于45°。     

致密砂岩储层水平井水力压裂裂缝参数影响因素数值模拟

在大规模压裂开发过程中,水力压裂裂缝扩展形态及空间展布是致密砂岩储层改造效果定量描述和评价的难点。为了研究水平井水力压裂裂缝扩展形态及空间展布规律,通过落实岩石力学参数,建立油藏地质、岩石力学及地应力模型,利用kinetix水力压裂模拟模块,模拟泊松比、弹性模量、水平应力差、加砂量、压裂液排量以及压裂液总量等参数对复杂缝网形成规律的影响,分析了裂缝起裂和扩展的规律。结果表明：随着泊松比、弹性模量、加液量的增加,裂缝缝长呈减小的趋势,加砂量、主次应力差对裂缝缝长影响较弱;裂缝导流能力随泊松比、单段加液量、加砂量、压裂液排量的增加而增大,主次应力差在6 MPa左右时,裂缝导流能力最高,弹性模量对水力裂缝的导流能力影响相对较小;主次应力差较小时,裂缝展布方向与主应力方向夹角较大;主次应力差较大时,裂缝沿主应力方向延伸。研究结果可为致密油藏储层水平井大规模压裂参数优化和压后定量评价提供技术支撑。     

多射孔压裂对水力裂缝扩展规律的影响

岩石水力压裂涉及到复杂的流固耦合过程,水力裂缝扩展规律及压裂液与岩体间耦合机理是目前研究的热点与难点。基于ABAQUS平台的扩展有限元法（XFEM）具有计算精度高和计算量小的优势,其中的Soil模块可用来模拟岩石水力压裂的复杂过程,分析水力裂缝的扩展路径、宽度、应力等基本参数。通过上述数值模拟方法,研究了单射孔压裂、两射孔异步压裂、两射孔同步压裂3种工况对水力裂缝扩展路径、裂缝宽度、裂缝长度、射孔眼孔压等参数的影响。模拟结果显示：(1)在两射孔异步压裂和两射孔同步压裂工况下,由于裂缝之间的干扰,最小水平主应力的大小和方向以及储层抗拉强度发生改变,进而改变了水力裂缝的扩展路径;(2)在3种工况下,单射孔压裂形成的水力裂缝宽度最小,储层岩石初始起裂压力最小;异步压裂形成的水力裂缝宽度最大,长度最大,储层岩石的初始起裂压力最大;两射孔同步压裂时形成的水力裂缝长度最短,宽度、初始起裂压力则位于前述2种工况之间;(3)射孔间距影响同步压裂和异步压裂时的初始起裂压力,缝宽最大值及裂缝长度等。模拟结果可为不同的场地条件及压裂需求下选取合适的压裂方法提供初步理论指导。     

基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究

针对页岩压裂属于脆性材料的裂缝扩展问题,从线弹性断裂力学理论出发,建立了水力裂缝与天然裂缝干扰判据以及新裂缝起裂角计算模型,并在此基础上编写了裂缝扩展计算程序,从地质和工程2个方面分析了页岩储层缝网延伸形态的受控因素。研究表明:在低水平主应力差和低逼近角的情况下,天然裂缝易发生剪切破坏,迫使水力裂缝发生转向形成复杂裂缝网络;新裂缝起裂角与天然裂缝倾角、水平应力差以及缝内净压力密切相关;天然裂缝展布(倾角、距离)对缝口净压力、交会点处裂缝缝宽有重要影响;低黏度压裂液有利于增大天然裂缝的极限延伸距离,而较高的施工排量可以增大交会点处天然裂缝宽度,利于支撑剂通过弯曲段,减小桥堵现象的发生。研究成果对页岩储层压裂设计具有重要的理论参考价值。     

胶结型天然裂缝对水力压裂裂缝延伸规律的影响

为确定致密砂岩储集层中天然裂缝在水力压裂裂缝网络形成中的作用,采用渗流-应力-损伤耦合方法建立数值模型,并运用Monte-Carlo模拟方法,在数值模型中生成裂隙网络模型,研究天然裂缝方向、天然裂缝强度、水平主应力差、压裂液注入速率以及压裂液黏度对水力压裂裂缝延伸规律的影响。结果表明,天然裂缝与最大水平主应力夹角为30°~60°时,形成的水力压裂裂缝最为复杂。天然裂缝强度增大不利于分支裂缝和转向裂缝的产生,低水平主应力差条件下,天然裂缝展布方向主导水力压裂裂缝的延伸;在高水平主应力差条件下,应力主导裂缝网络的延伸;当水平主应力差为3.0~4.5 MPa时,水力压裂裂缝复杂程度最高,延伸范围最大。增大压裂液注入速率,会促进复杂水力压裂裂缝网络的形成;适当提高压裂液黏度,可以促进裂缝的扩展,但是当黏度过高时,裂缝仅在射孔周围有限范围内形成复杂裂缝网络。     

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。     

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。     

多裂缝煤岩储层水力压裂裂缝动态扩展研究

考虑多裂缝煤岩储层裂缝发育特性,基于简化的N-S方程和连续性方程建立了水力压裂裂缝尖端动态扩展模型。采用坐标变换的方法简化缝内流体连续性方程,计算得到多裂缝煤岩储层任意时刻压裂液的滤失速度。应用3D-CBMulti-Fracture软件,对山西某区块WS-10煤层气井水力压裂主裂缝及次生裂缝动态扩展过程进行研究。研究结果表明,当携砂液注入次生裂缝时间超过5 min后,压裂液滤失速度出现波动,随着裂缝尖端砂堵区渗透率增大,压裂液滤失系数增大;当次生裂缝砂堵区渗透率较小时,裂缝尖端变得短而粗,携砂液进入次生裂缝10 min后,裂缝最大宽度增加了2.2倍;增大裂缝尖端砂堵区渗透率,裂缝长宽比变化均匀,裂缝截面形状不会发生突变;当裂缝尖端砂堵区渗透率为0时,水力裂缝动态扩展体积误差为5%~25%。     

压裂多级裂缝内流量分布规律

当前,以页岩油气为主的非常规油气藏开发力度日益加大,水力压裂是开发该类储层的核心技术。在该类储层的开发过程中,往往采用多级复杂裂缝压裂技术,但目前针对压裂过程中各级裂缝内流量分布规律研究甚少,而该规律对认识裂缝、指导压裂方案至关重要。为了研究压裂过程中多级裂缝内的流量分布规律,自主研制了多级裂缝系统有效输砂模拟实验装置,在模拟多级裂缝情况下,开展了不同压裂液黏度、支撑剂粒径、注入排量、砂比等因素对各级裂缝内流量的影响规律实验研究。研究结果表明,各级裂缝中流量占比逐级减小,主裂缝占比平均为64.63%,一级分支缝平均为22.14%,二级分支缝平均为13.23%;各级裂缝中流量分布比例主要受总流量大小影响,流量越大,主裂缝中流量占比越高,分支缝中流量占比越低,其次依次为支撑剂粒径、压裂液黏度和砂比。通过研究形成了一套多级裂缝内流量分布规律评价方法,揭示了各级裂缝内流量分布规律,为认识裂缝、优化压裂设计方案提供了依据。