煤层顶板水平井分段多簇穿层压裂数值模拟

煤层顶板水平井分段压裂技术是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。文中基于流-固耦合原理,考虑分段多簇压裂时缝间应力干扰作用和射孔簇裂缝间压裂液动态分配,建立三维裂缝穿层扩展计算模型,研究了多簇射孔条件下裂缝动态延伸情况。结果表明：单簇射孔压裂形成的裂缝半长和宽度均较大,且裂缝尖端位于煤层顶板内,顶板内裂缝向前延伸后,由高应力顶板向低应力煤层中穿层扩展;三簇射孔条件下,当射孔簇间距小于15 m或压裂液排量低于8 m³/min时,中间裂缝不能获得有效的压裂液分配而发育不充分;对于煤层顶板水平井,射孔簇增多会导致压裂液分流,部分射孔簇将无法形成有效裂缝或无法穿层扩展,导致射孔簇效率降低。因此,对于多簇施工,应综合考虑压裂液排量、簇间距,以促进裂缝均匀扩展。研究成果可为煤层顶板水平井分段压裂施工优化设计提供依据。     

玛湖地区致密砾岩人工裂缝垂向延伸机理应力模拟

针对新疆油田玛湖砾岩油藏储集层特低孔特低渗特征,开展水平井体积压裂改造储集层试验,但由于泥岩夹层多,压裂缝穿层难,压裂缝如何最大程度连通储集层是一大难点。以流固耦合和岩石弹塑性断裂力学理论为基础,以有限元数值模拟为手段,探讨水平井体积压裂过程中泥岩层的应力演化规律和破裂机理,对泥岩夹层厚度、岩石力学参数、地层倾角、有效应力等影响因素进行分析。结果表明,在一定压裂液注入速度（压裂液施工排量3.5 m ³/min）条件下,压裂缝穿越泥岩夹层有效厚度小于5.0 m;砾岩和泥岩力学参数差异越大、泥岩层地层倾角越大,压裂缝穿透泥岩的能力越差;最小水平有效主应力对裂缝垂向上的延展具有主导作用。此外,水平井距泥岩层距离以及井口注入压力对裂缝的延伸都有重要影响。施工作业时,应避免距泥岩隔夹层近距离射孔,以提升压裂效果。     

层理发育的页岩气储集层压裂裂缝扩展模拟

以涪陵页岩气田焦石坝背斜主体区为研究对象,通过室内岩石力学实验和直剪实验明确了层理发育的岩石力学各向异性特征及其参数;结合室内实验评价结果,基于离散元方法建立了考虑力学各向异性、层理弱面和纵向应力差异的目标储集层三维压裂裂缝扩展模型,分析了不同层理弱面发育密度、层理强度以及压裂工程参数(射孔簇数、排量和压裂液黏度)条件下的水力裂缝展布规律。研究表明:综合考虑层理弱面和纵向应力差异的影响,研究区3～4 MPa的隔层应力差异将缝高控制在应力遮挡层内,缝高低于40 m;若不考虑层理弱面影响,缝高扩展预测结果明显较高。高密度层理缝的开启增加了水力裂缝复杂性,但显著限制了水力裂缝缝高的延伸。通过降低簇数、提高排量、增加前置液阶段高黏度压裂液用量及比例,可以减少层理弱面与纵向应力差异对缝高扩展的限制,促使裂缝纵向延伸。利用裂缝扩展模型对涪陵页岩气田焦页A井压裂施工段进行模拟,模拟结果与微地震裂缝监测结果相符。图13表4参34     

风城油田超稠油油藏非均质储集层地应力场特征

风城油田浅层超稠油油藏非均质储集层具有埋藏浅、非均质性强、隔夹层发育等特点,阻碍SAGD蒸汽腔的发育,需要利用水力压裂建立渗流通道。为指导储集层压裂,分析了非均质储集层沉积特征、地应力场分布,以及隔夹层对地应力场的影响,结合岩石力学室内实验、测井资料解释和地应力测试结果,建立埋藏深度为282~332 m储集层三维应力场模型。模拟结果与小型压裂测试比较显示,建立的三维应力场模型贴合实际地层侧向压力系数和最大水平主应力与垂向主应力的比值,能较好地反映储集层岩性交界面和应力特征。超稠油储集层以垂向主应力为主,利于引导垂向裂缝;岩性交界面地应力突变,储集层砂岩最小水平主应力小于泥岩隔夹层最小水平主应力。泥岩隔夹层具有较高的破裂压力、杨氏模量和最小水平主应力,裂缝扩展能力弱于油砂段。压裂设计应选择隔夹层内或下方射孔,控制缝高,避免砂堵,以达到较好改善渗流能力的目的。     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律,可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑,进而提升压裂改造效果。为此,通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果,归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点,总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明:①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征,是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段,但现有的实验仪器还有改进和完善的空间;②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充,其中计算流体动力学—颗粒元(CFD-DEM)法能够更真实地模拟支撑剂运移情况,是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一;③对于单簇射孔,支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝;④对于分簇射孔,支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝,并且在压裂液黏度较低时,支撑剂容易进入跟端射孔簇,而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性;⑤对于单一平面裂缝,压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支撑剂运移与展布特征的重要因素;⑥较之于单一平面裂缝,复杂压裂裂缝的形态和次级裂缝角度对支撑剂运移与展布的影响更加复杂,需要开展针对性研究。     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律，可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑，进而提升压裂改造效果。为此，通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果，归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点，总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明：①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征，是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段，但现有的实验仪器还有改进和完善的空间；②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充，其中计算流体动力学—颗粒元（CFD-DEM）法能够更真实地模拟支撑剂运移情况，是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一；③对于单簇射孔，支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝；④对于分簇射孔，支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝，并且在压裂液黏度较低时，支撑剂容易进入跟端射孔簇，而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性；⑤对于单一平面裂缝，压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支撑剂运移与展布特征的重要因素；⑥较之于单一平面裂缝，复杂压裂裂缝的形态和次级裂缝角度对支撑剂运移与展布的影响更加复杂，需要开展针对性研究。     

水力压裂支撑剂铺置形态影响因素研究

为改善支撑剂在裂缝中的铺置形态和提高压裂增产效果,采用实验模拟方法,应用可视化裂缝平板装置开展压裂液携砂实验,结合支撑剂颗粒的微观运动轨迹和砂堤的宏观形状,描述缝内砂堤的形成过程,分析黏性和非黏性压裂液携砂方式的区别,研究射孔孔眼间干扰、压裂液排量、压裂液黏度和施工砂比对缝内砂堤形态的影响规律。结果表明:支撑剂在裂缝中的运移是流化和沉积共同作用的结果,以流化拖拽和输送为主;黏性压裂液中流化层和砂堤之间可形成不流动的液体薄层,对颗粒具有托举作用,减小流体和颗粒间的摩擦和碰撞;砂堤的形成过程共经历砂堤形成、生长、平衡状态和活塞状推进4个阶段,在射孔孔眼干扰和液体冲蚀的共同影响下,形成的砂堤形态可由堆积角、平衡高度和前进角表征,裂缝内存在近井筒和缝高方向的无砂区;砂堤的平衡高度主要取决于支撑剂颗粒的运动速度,与施工排量和压裂液黏度成反比,与砂比成正比。该研究可为压裂施工参数优化提供参考。     

射孔孔眼磨蚀对分段压裂裂缝扩展的影响

非常规油气藏分段压裂施工中常利用射孔限流法促进段内多条水力裂缝均匀发育,压裂过程中,支撑剂会逐渐磨蚀射孔孔眼,致使射孔孔眼的限流作用失效。为研究射孔孔眼磨蚀现象对分段压裂中多裂缝发育的影响情况,耦合了孔眼磨蚀模型和水力裂缝扩展模型,建立了考虑射孔孔眼磨蚀的水平井分段压裂裂缝扩展模型。模拟结果表明:随着支撑剂磨蚀破坏射孔孔眼,孔眼的限流能力显著下降,导致压裂段内各水力裂缝尺寸差距增大。基于所建立的数值模型,研究了不同支撑剂浓度、压裂液排量条件下射孔孔眼磨蚀对压裂段内多条水力裂缝扩展的影响。结果表明:(1)压裂液内支撑剂浓度越高,射孔孔眼初期的磨蚀速度越快;(2)支撑剂浓度变化对段内裂缝扩展延伸的影响较小;(3)压裂液排量越高,射孔孔眼限流效果越好,压裂段内各裂缝发育越均匀。最后建议在分段压裂施工中尽可能提高压裂液排量,这将有助于压裂段内各裂缝的均衡发育。     

克拉玛依油田七区八道湾组砂砾岩油藏地应力特征

克拉玛依油田七区八道湾组油藏储集层以中—粗砂岩和砾岩为主,油藏开发时间长,剩余油分布广,为实现小层挖潜,弱化储集层非均质性,实施了精细分层压裂。在储集层改造过程中,出现了裂缝穿过隔夹层沟通水层的情况,挖潜效果较差。为了明确储集层的岩石力学特性和区域地应力分布状态,采用室内岩心实验和现场资料分析相结合的方式,建立油藏三维应力场模型。研究发现,油藏西南部和中部应力差异不大,油藏东南部应力受断层影响较大,西南部应力受断层影响较小;研究区内发育5条逆断层且地层倾角变化较大,并在断层的交会处产生应力突变,对后期的压裂施工有较大影响,因此需要调整施工参数;在油藏西南部和中部裂缝向上向下延伸均匀,在油藏东南部深部地区,若隔夹层较厚,裂缝则向较为容易延伸的方向大幅延伸,易沟通水层,隔夹层较薄时,裂缝易穿透上下夹层。对2 m3/min和3 m3/min排量下的裂缝高度进行了模拟,发现在3 m3/min排量下裂缝的高度控制困难,裂缝纵向延伸较大,沟通下部底水;在2 m3/min排量下,裂缝延伸控制容易,纵向延伸合理。     

水力泵送桥塞分段多簇体积压裂技术在AP959井的应用

为了解决鄂尔多斯盆地致密油藏水平井压裂改造过程中单层改造规模小、压后裂缝形态单一、作业周期长等问题,提出了水力泵送桥塞分段多簇体积压裂技术。该技术利用水力泵送的方式将封隔桥塞推放到预定位置,通过多级点火装置进行多簇定位射孔,裂缝起裂位置准确,施工排量大,而且分段压裂级数不受限制。AP959井压裂微地震检测表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式更利于利用应力干扰,形成复杂裂缝,与相同储层条件下的邻井相比,加砂总量增加1.5倍,单井产量提高50%,达到"体积压裂"的效果。     

水平井转向压裂用暂堵球运移封堵规律研究

常规压裂优先沟通高渗透层,对增产改造极其重要的低渗透层很难产生作用。针对这种现状,转向压裂技术应运而生。为了探讨水平井转向压裂用暂堵球运移封堵规律,采用数值模拟的方法,利用统计学规律,考虑暂堵球密度、液体黏度及泵送排量等参数,得到暂堵球在水平段内的运移轨迹,以及对不同位置孔眼的封堵效率。研究结果表明:在水平段射孔孔眼的封堵过程中,暂堵球密度与流体密度相同时,其封堵效率达到90%;延长暂堵球的投放时间间隔,有助于暂堵球从射孔段尾部逐渐向前封堵;随着流体黏度的增大,暂堵球对孔眼的封堵效率先降低后增加,泵送液体的黏度在施工要求范围内应尽量高,但排量高于6 m~3/min时,封堵效率提升不明显。研究结论可为优化暂堵球转向压裂施工参数提供参考。     

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施

压裂过程存在多裂缝是近年来对压裂技术的新认识,多裂缝的存在对压裂施工及压后产能都会产生较大的负面影响,而处理多裂缝是压裂改造技术的一个难点。从提高压裂成功率及压后效果的角度出发,分别分析了多裂缝的形成原因及几何形态,研究了多裂缝的理论特性,在研究现场施工曲线的基础上归纳了多裂缝敏感性特征,最终从根本避免产生多裂缝和减少多裂缝的负面影响两个方面提出了优化钻井方案、优化射孔井段、采用定向射孔、优化施工排量及增加液体黏度等多种措施。同时笔者提出了处理多裂缝问题的艰巨性,需要进一步研究新工艺、新措施,为进一步认识、研究和处理多裂缝提供了理论依据和技术支持,为复杂储层的压裂改造提供了参考。     

基于交错定面射孔的近井筒裂缝扩展规律物理模拟

基于对射孔压裂各阶段裂缝发育特点及常规射孔方式的分析,提出了交错定面射孔的思路,采用两种型号射孔弹进行了大型射孔打靶实验,模拟页岩中交错定面射孔过程,分析交错定面射孔条件下近井筒裂缝形态、形成机理以及扩展规律,并讨论近井筒裂缝的人工控制方法。研究表明:①交错定面射孔加强了同一定面内以及相邻定面间射孔的联系,易形成连通裂缝并有序扩展;②射孔时伴随着孔道生成,孔周发育3种微裂缝,分别为Ⅰ型径向微裂缝、Ⅱ型斜交微裂缝和Ⅲ型射孔尖端发散微裂缝,3种裂缝相互连通形成复杂的近井筒裂缝;③不同型号射孔弹采用不同定面夹角和交错角组合时,近井筒裂缝形态和扩展规律不同;④采用交错定面射孔方式,对各定面按照螺旋单向或连续"之"字形等方法进行排布,可促进形成所需的近井筒裂缝,有利于非常规油气储集层及复杂常规油气储集层压裂时对主缝的人工控制。图13参18     

新型后效体射孔技术在深层致密储层压裂中的应用

致密储层需经过大规模压裂才能经济开发,但随着储层深度增加,压裂施工往往面临施工泵压过高、无法有效压开地层的关键难题。新型后效体射孔技术利用聚能射孔弹穿过储层,形成的超高速金属射流穿过后效体,在挤压地层形成孔道的同时,后效粒子在孔道有限空间内二次做功使孔道末端瞬间开裂,大幅提升孔道直径及沟通地层天然裂缝的能力。现场应用表明,相比于常规射孔,后效体射孔技术可有效增加射孔孔径和孔道周围微裂缝,大幅降低压裂施工的破裂压力、减少射孔压实污染的影响,有助于提高致密储层压后产量。     

鄂尔多斯盆地致密油层混合压裂簇间干扰研究

针对鄂尔多斯盆地致密油层施工排量和簇间应力干扰作用对形成复杂缝网的影响开展了相关研究。采用离散缝网模型及有限元软件进行模拟分析,选择产层相同、压裂增产方案相近的2口试验水平井,进行压裂设计参数对比、产量对比及微地震监测结果对比。研究表明,施工排量过小,压裂效果以常规双翼缝为主,大排量是保证复杂缝网形成的条件;储层存在实现复杂缝网的临界排量,大于该临界排量时,主裂缝变短,次生缝网增加,带宽变大;多簇压裂时,主裂缝不同步开裂易引起主裂缝不同步延伸,率先延伸的主裂缝会抑制周围主裂缝的延伸甚至开裂,后延伸的主裂缝周围易产生剪切诱导的次生裂缝,利于形成复杂缝网。因此,选取大于临界排量的施工排量有利于增加储层改造体积,而多簇压裂时开裂延伸的主裂缝数量有可能小于设计簇数。     

页岩储集层水平井段内多簇压裂技术应用现状及认识

水平井段内多簇压裂技术能增加页岩储集层压裂裂缝复杂程度,提高簇间动用率,是有效改造页岩储集层的核心技术。对北美页岩气区块和中国四川盆地南部页岩气区块水平井段内多簇压裂技术的应用现状进行分析,并结合技术原理提出了几点认识：段内多簇压裂应与井间距合理匹配,并配套采用暂堵转向技术和限流射孔技术,增大射孔簇簇效率,促进裂缝均匀扩展,提高段内多簇压裂改造效果;北美页岩气区块采用段内多簇压裂技术增产,实现了页岩储集层高效开采,川南页岩气区块水平井段内多簇压裂技术起步较晚,目前在300~400 m井间距下主要开展了段内为6~8簇压裂现场试验;为了降低压裂成本、提高作业时效,长段多簇压裂将是实现效益开发的一个重要发展方向;但随着段内簇数不断增加,射孔技术、暂堵转向技术、射孔簇数与施工参数合理匹配等方面面临新挑战,亟需进一步研究,从而形成适合不同地区地质工程特征的段内多簇压裂技术。     

页岩油多储集层穿层压裂缝高扩展特征

采用渤海湾盆地东濮凹陷沙河街组页岩油不同储集层全直径岩心进行真三轴压裂物理模拟实验,研究水力裂缝在不同储集层中的纵向扩展形态;采用全局嵌入内聚力单元的数值模拟方法建立考虑界面强度、射孔层位、压裂液排量的页岩油多储集层拟三维裂缝扩展数值模型,研究水力裂缝穿层扩展特征.研究表明:水力裂缝在致密砂岩层呈十字型扩展,在天然裂缝...     

晚期快速埋藏过程中微裂缝对深层不同成岩强度碎屑岩储集层的改造作用——来自准噶尔盆地南缘白垩系清水河组成岩物理模拟的启示

以准噶尔盆地南缘白垩系清水河组埋藏史为约束,利用露头区低成熟砂岩样品开展成岩物理模拟实验,并结合区域地质资料,探讨微裂缝对不同成岩强度储集层的改造作用及其对优质储集层发育的意义。研究结果表明：大尺度微裂缝主要形成于晚期快速埋深阶段,形成时间与有机酸充注基本发生在同一时期。微裂缝的发育为油气在深层、超深层碎屑岩中的运移创造了良好的条件,也为有机酸沿着微裂缝进入储集层促进胶结物与颗粒发生晚期持续性溶蚀提供了可能。快速埋深前储集层的基质孔隙、微裂缝的发育与否决定了快速埋深过程形成的微裂缝对储集层的改善程度。快速埋深前基质孔隙与微裂缝越发育、胶结程度越低,晚期快速埋深中的微裂缝越发育、溶蚀程度越高,储集层质量的改善程度越明显,实验中储集层渗透率最大增加55%。如果快速埋深前储集层胶结作用强烈、基质孔隙缺乏但已局部发育微裂缝,则晚期快速埋深中的微裂缝发育程度也相对较高,可使渗透率增加43%。但如果快速埋深前储集层的胶结作用强烈、基质孔隙缺乏,且不存在微裂缝,那么晚期快速埋深形成的微裂缝有限,渗透率仅增加16%。晚期快速埋深过程中大尺度微裂缝的形成及其对有机酸溶蚀的促进,是深层、超深层优质储集层发...     

大庆油田水平井分流压裂技术

水平井分流压裂的技术原理是将水平井的水平段分成若干个单元，在每个单元的最佳部位进行射孔，每段的射孔数由孔径、单元数、设计施工排量等参数决定，射孔方案为压裂方案的有机组成部分。大庆油田已有5口水平井实施分流压裂，根据油层厚度分为两类：裂缝限制在油层内和裂缝穿透隔层贯穿多个薄油层。通过肇57-平35井和肇57-平33井进行的分流压裂贯穿多个油层现场试验，介绍了大庆油田水平井分流压裂的设计方法、压裂液体系、现场施工控制方法和效果分析方法。微地震裂缝监测结果表明，在最大施工排量7．5m^3／mim条件下，一次施工形成3～4条裂缝，加砂量最大达到75m^3（陶粒），平均砂比达到35％以上。水平井采用分流压裂技术施工后，初期产能可达到相邻直井压裂后产能的2．0倍以上。如何检测裂缝是否穿透了隔层并贯穿多个油层，是指导水平井分流压裂技术的选井选层，提高压裂效果的关键技术。图8表2参2。