致密砂砾岩压裂裂缝遇砾扩展模式的数值模拟研究

由于致密砂砾岩具有超低渗透性,不进行水力压裂难以达到经济开采目标。砂砾岩储层的有效开采需要对水力裂缝扩展规律有清晰认识。考虑砂岩或砾岩材料本身的非均质性以及砂岩与砾岩之间的非均质性,提出一种数字图像技术和有限元软件RFPA(Rock Failure Process Analysis)相结合的数值模拟方法。基于该方法的致密砂砾岩压裂的二维数值模拟结果表明,在不同水平地应力差和砾岩强度条件下,水力裂缝可以穿过砾岩或沿砾岩转向扩展。考虑砾岩分布方位、尺寸和轴比,三维数值模型模拟结果表明,水力裂缝能够穿过砾岩,形成一种在常规压裂实验中不容易观察到的环绕扩展模式,也能够像二维数值模型得到的结果那样沿砾岩转向扩展,即不同的砾岩分布方位、尺寸和轴比使水力裂缝扩展遇到砾岩时呈现不同的扩展模式,包括:①直接穿过砾岩;②沿砾岩转向扩展;③环绕扩展;④模式①和②或者②和③同时出现。     

砂砾岩压裂中砾石对水力裂缝扩展影响机理研究

近年来砂砾岩油气藏在新探明储量中占比逐年上升,砂砾岩油气藏的开发也逐渐受到重视.砂砾岩具有渗透率低、导流能力差的特性,在开发砂砾岩油藏时需要进行大规模水力压裂形成缝网,但是由于砾石阻碍复杂缝网的形成,导致砂砾岩压裂增产效果不理想.因此针对砂砾岩的结构特征,根据断裂力学理论,以砂砾岩地层中水力裂缝为研究对象,探讨在砂砾岩...     

砂砾岩水力裂缝扩展规律初探

胜利油田砂砾岩油藏主要分布在东营凹陷北部陡坡带,储层物性差,以低渗透、特低渗透为主,储层埋藏深,压裂改造难度大。在盐22、永920、车66、丰深等区块压裂/酸压施工60多井次,从施工曲线上反映出不同地区、不同埋藏深度的储层在裂缝扩展过程中具有不同的特点,存在砂堵及加砂困难的现象。由于砾石的存在,导致压裂液在裂缝中的流动状态发生变化,从而影响缝内压力场和流场分布。利用大尺寸真三轴模拟压裂试验系统,对人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟试验,模拟了无砾石、有砾石在不同压差、不同砾石粒径条件下的裂缝扩展规律,通过对试验施工曲线的分析,定性地分析了砾石存在对裂缝扩展的影响,为下一步进行数值模拟研究提供了依据。     

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。     

基于离散元法的砾岩水力压裂裂缝扩展规律及主控因素

砾岩储层普遍具有低孔低渗、非均质性强等特点,地层起裂以及裂缝扩展难以控制,极大影响了砾岩储层的压裂改造效果。为了搞清砾岩储层水力压裂裂缝的形成机制,针对国内典型砾岩储层,采用数值模拟方法研究了砾岩储层裂缝的扩展规律及主要控制因素。结果表明：强度高、尺寸大的砾石对裂缝的阻碍作用较为明显,破裂压力随着砾石的强度和粒径的增大而增大;低胶结强度比有利于砾石对水力裂缝的“吸引”,进而形成曲折的裂缝延伸路径;水平应力差对裂缝延伸方向起主导作用,随着最小水平主应力的减小,地层起裂难度降低;通过随机森林对影响压裂缝扩展因素的重要程度进行分析,认为胶结强度比和水平应力差为影响压裂缝扩展的主要因素。研究成果为砾岩储层压裂的选层提供了理论依据。     

松北致密气藏压裂裂缝扩展形态及压裂参数优化

松北深层致密气藏沙河子储层属超深致密气藏、纵向呈多小层分布且小层发育薄。为了提高单井产量,针对沙河子组储层水平应力差大,天然裂缝不发育等不利条件,开展基于沙河子储层物理模拟和相关数学模拟的基础研究,建立了沙河子组致密气藏复杂裂缝判断图版并形成对应的体积压裂工艺优选技术,实现了不同区块、不同岩性储层的针对性改造。现场试验14口井,5口井试气产量超过10×10⁴ m³,压后工业气流井占比71%,整体提高了松北深层气井的开发效果。研究成果为大庆油田勘探储量的提交以及有效开发提供了有力的技术支撑,同时对国内其它相似油田的开发生产具有借鉴指导意义。     

砾石影响下裂缝扩展规律数值模拟

大规模水力压裂是致密砂砾岩储层经济高效开发的必备技术,砾石参数是影响水力裂缝形态以及整体改造效果的关键因素。砾石的存在使压裂改造施工难度增大,裂缝形态复杂、迂曲度高,支撑缝长较短,难以达到设计的裂缝导流能力。基于连续-非连续单元法（CDEM）,建立了含砾石二维流-固全耦合裂缝扩展模型,系统研究了应力差、砾石含量和施工排量对裂缝扩展形态的影响。数值模拟结果表明：基于CDEM方法的多相复合介质水力压裂模型能够准确模拟砾石影响下裂缝扩展形态;裂缝遇到高强度砾石时易偏转绕流,产生迂曲裂缝;高应力下,水力裂缝先绕砾偏转,后转向至水平最大主应力方向扩展;砾石影响下,裂缝扩展会憋压形成“高压区”,促进产生局部微裂缝,提高储层改造体积。研究为砂砾岩储层压裂设计优化奠定了理论基础。     

页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展

页岩储层低孔低渗,水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施,压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析,得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法,但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程;②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟 方法,但各种方法都有其优缺点和适用性,需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展;③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成,天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大,复杂裂缝网络形成难度越大;天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小,越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。     

水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟

水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义。本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度。本文所要做的第一步是要建立模型,再对水力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟。通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础。     

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。     

复杂裂缝产生机理研究

目前的水力压裂理论多数是建立在单裂缝延伸基础之上的，这种假设在大多数情况下都能满足工程实践的需要。随着储层改造复杂性的增加和认识手段的提高，逐渐认识到有复杂的裂缝形态存在，包括转向裂缝、鱼刺状小裂缝、不同方位的多裂缝、同方位的多裂缝及纵向上的多裂缝等。这些复杂的裂缝形态与裂缝尺寸、改造效果及压裂施工的成败直接相关。结合射孔方式、地层特点、地应力结构及裂缝产生的微观过程，阐述了各种裂缝形态的产生条件，从而提高压裂设计的针对性与压裂施工的成功率。     

玛湖砾岩油藏水平井压裂井间窜扰特征与机制分析

玛湖砾岩油藏油气资源丰富,以地质工程一体化思想为指导形成的“大井丛、多层系、小井距、长井段、交错式、密切割、拉链式、工厂化”系列开发技术,已实现了百万吨级以上的年生产能力。但在实施小井距水平井、水平井体积压裂立体开发的过程中出现了不同程度的压裂井间窜扰现象,较大程度影响了钻/完井工程作业及稳定生产。为此,以理论研究与数值模拟相结合,开展了压裂窜扰机制研究及主控因素分析。研究结果表明：①根据水平井压裂井间窜扰的连通方式及窜扰特征,将玛湖砾岩油藏水平井压裂井间窜扰分为天然软弱结构发育导致的压裂窜扰、压裂缝沟通导致的窜扰和压裂扰动压力/应力扰动区连通诱发的邻井干扰3 种类型。②水平井井距是影响水平井压裂井间窜扰以及井间窜扰程度的关键因素。当水平井井距小于300 m时,研究区井间压裂窜扰发生几率大幅增大。综合考虑压裂窜扰对油藏开采的积极作用以及压裂窜扰对钻/完井工程作业、采油作业的不利影响,合理优化设计水平井井距,对砾岩油藏的安全、高效开发具有积极且重要的意义。     

岩石水力压裂微观破裂机制

基于岩石水力压裂微观破裂机制尚未被厘清的实际,以线弹性破裂理论为基础,以网格化定量模拟为手段,通过构建储层微观结构简化模型,对水力压裂缝延伸的微观过程开展模拟。依据模拟结果,对微观破裂次序、位置展开深入剖析,提出水力压裂的两种微观破裂模式,分别为沿孔喉突破的“结构破裂”和沿晶体薄弱面延伸的“本体破裂”。其中,“结构破裂”为主要破裂方式,“本体破裂”有利于增加新的渗流通道,对于提高采收率意义重大。     

多条水力裂缝偏转延伸规律的影响因素

非常规油气田开发时,通常采用水平井分簇射孔分段压裂的方式,一次可以压开多条裂缝。施工过程中,新形成的裂缝延伸可能会逐渐靠近前一级所形成的裂缝,造成压裂液流道偏移,使裂缝难以有效分布开来而影响最终压裂效果。一条裂缝的存在或者延伸,对后续裂缝或者其他正在延伸的裂缝产生一定的吸引或排斥作用。文中通过有限元模拟裂缝的形成,对应力场进行了分析计算,得到了裂缝的间距和尺寸对裂缝间相互作用的影响规律。计算结果表明:当2条裂缝同步延伸时,裂缝相距越近、裂缝吸引会越强烈,反之亦然;当2条裂缝不同步延伸时,近距离时两裂缝均会偏向短裂缝那一边;新起裂的裂缝在前一级水力裂缝影响下,当二者距离较近时,前一级水力裂缝会对新裂缝产生吸引作用,当间距较远时,前一级裂缝对新裂缝产生排斥作用。通过对上述模型的计算结果分析,可以为分段压裂的多裂缝分布设计和射孔簇间距的优化设计提供指导。     

砂砾岩油藏影响压裂效果关键地质力学因素研究及应用

地质工程一体化技术是致密砂砾岩油藏实现效益开发的有效途径,地质力学参数在地质工程一体化中起桥梁作用。以准噶尔盆地中拐—玛南地区上乌尔禾组砂砾储层为例,分析了影响储层压裂效果的关键地质力学因素。首先,通过研究乌尔禾组储层岩石力学参数与声波、体积密度间的关系,揭示储层岩石力学参数的响应机制,并建立储层岩石力学参数的测井计算模型,基于已钻井压裂和测井资料,建立了地层孔隙压力多参数预测模型和地应力计算模型;然后采用灰色关联法研究了地质力学参数与米采液指数的关联程度,明确了影响压裂效果的地质力学主控因素依次为水平应力差、脆性指数、弹性模量、抗张强度以及单轴抗压强度;最后利用层次分析法构建了综合考虑主控因素影响的储层压裂工程评价模型,为研究区储层压裂优化设计提供了依据。     

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.     

砂砾岩水力裂缝延伸路径模拟研究

通过研究砾石尺度下水力裂缝的不规则延伸和压力波动的原因,优化砂砾岩储层的压裂设计及施工参数.将砂砾岩简化为由砾石、基质和界面3部分组成的复合介质,各部分具有不同的断裂韧性,并由断裂韧性得到判断裂缝延伸与停止延伸的指标——临界能量释放率.通过断裂力学理论与坐标变换,得到裂缝前沿处沿不同角度延伸的虚拟裂缝的应力强度因子和与之对应的能量释放率,裂缝延伸的优先方向即为最大能量释放率对应的方向,沿不同方向延伸的临界破裂压力可由能量释放率得到.通过编程模拟研究了包含不同粒径、含量和断裂韧性砾石的砂砾岩裂缝延伸规律与压力波动特点.模拟结果显示,砾石粒径、含量以及不同部分间断裂韧性的差异是导致砂砾岩裂缝不规则延伸或分叉及诱发施工压力波动的重要因素.     

页岩气压裂数值模型分析

水力压裂和水平井开采是页岩气开发的主要技术,在我国尚处在工业试验阶段,存在很多技术瓶颈。在总结分析了页岩气压裂的特点基础上,探讨了网状裂缝形成的主控因素及裂缝扩展模型、产能预测模型的类型以及优缺点。结果认为,特殊的赋存生产机理、复杂的裂缝形态和多尺度的渗流模式是页岩气压裂的主要特点,其目的是形成网状裂缝,扩大储层改造体积;网状裂缝的形成主要受天然裂缝与人工裂缝的夹角、水平主应力差和岩石的脆性等因素的控制。页岩气压裂产能预测模型面临的主要问题是裂缝形态的模拟和气体流态的描述,主要有非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型等,这些模型和方法在一定程度上表征了页岩气压裂裂缝形态和渗流特点,但没有考虑不规则的裂缝形态等。