射孔对致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响

为降低致密砂岩气藏偏高的地层破裂压力及增加储层改造体积,设计小型水力压裂实验装置,通过鄂尔多斯致密砂岩气藏钻井取心,研究不同射孔数量﹑射孔间距﹑射孔深度及水平应力差条件下水力压裂裂缝起裂与扩展规律.结果表明,射孔可以有效地降低致密砂岩气藏的破裂压力;增加射孔数量可以增加裂缝条数,并且裂缝沿射孔的方向扩展,有利于均匀布缝,提高储层的改造体积;低水平应力差和较小的射孔间距产生的缝间干扰导致裂缝在扩展的过程中发生偏转,缝间干扰随着射孔间距的增加及水平应力差的增大而减弱;射孔深度对于裂缝起裂也有一定的影响,裂缝更容易从射孔较深的区域起裂,为致密砂岩气藏压裂井射孔参数优化提供依据.     

射孔方式对压裂压力及裂缝形态的影响

利用大型真三轴压裂模拟试验系统,通过模拟地层条件,监测压裂过程及其压力情况,观察裂缝的起裂及其延伸形态,进行射孔方式对压裂压力及裂缝形态的影响研究.研究结果表明,在地应力的大小和分布确定的情况下,破裂压力随着射孔角度的增大而升高,随着射孔排数的增加而降低.为有效降低地层破裂压力、提高压裂成功率及效果,射孔方位应选择0°方向,射孔密度在套管强度容许的前提下越大越好;单排射孔形成的裂缝形态较为简单,多排射孔形成的裂缝形态较为复杂,裂缝条数增加且形态各异.     

临兴区块致密砂岩气水平井连续油管分段压裂工艺

针对临兴区块裸眼水平井分段压裂过程中存在的裂缝起裂位置不确定、管柱携液能力差等问题,提出了套管固井连续油管分段压裂技术,优化了工具参数、水力喷砂射孔参数、压裂施工参数及配套工艺参数.通过水力喷枪、封隔器、接箍定位器等井下工具的组合应用来实现喷砂射孔、封隔分层、连续油管精确定位与环空大排量注入,只需一趟管柱作业即可完成多层射孔、压裂等作业,压裂级数不受限制.     

基于高能CT扫描的煤岩水力压裂裂缝扩展研究

水力压裂是提高煤层气产量的关键技术,但由于煤岩力学性质的特殊性,使其裂缝扩展规律十分复杂,掌握水力压裂裂缝的形成机制对煤层气开发有着重要的意义。在开采沁水盆地南部区域的大型天然煤岩时,将真三轴水力压裂装置和高能工业CT扫描成像技术相结合,研究了天然裂缝、割理发育情况和地应力对水力压裂裂缝起裂和扩展特征的影响。结果表明:天然裂缝和割理在井筒周围的发育程度决定了水力压裂裂缝的起裂位置和破裂压力,裂缝在基质处起裂的破裂压力显著高于在天然裂缝和割理处起裂的破裂压力;在低水平应力差条件下水力压裂裂缝易沿着天然裂缝和割理随机扩展,随着水平应力差增大,地应力对水力压裂裂缝扩展的控制作用增强,合理的水平应力差范围为2～6 MPa,在此条件下易形成一条水力压裂裂缝为主、连通多条天然裂缝为辅的复杂裂缝系统。研究结果可为国内煤储层的水力压裂裂缝预测和压裂设计提供一定的理论参考和设计指导。     

水平井分段压裂射孔间距对煤储层压裂缝延伸的影响

水平井分段压裂射孔间距对煤储层渗透性能影响显著,为了探讨不同射孔间距下煤储层压裂缝延伸规律,以鄂尔多斯大宁-吉县矿区为例,采用扩展有限元法模拟射孔间距对压裂缝起裂压力、几何特征和延伸形态的影响。结果表明：当射孔间距较小时,裂缝起裂压力较高,高度与宽度较小,且延伸形态较为复杂,裂缝偏向最小水平主应力方向延伸;随着射孔间距增大,裂缝起裂压力降低,高度与宽度增加,裂缝延伸逐渐回归到最大水平主应力方向;射孔间距达到105 m时,裂缝起裂压力与几何形态基本不再发生变化,所有裂缝不再偏转,压裂效果最佳。现场验证表明,模拟结果与实测数据吻合度较高,各项参数误差仅2%～5%,从而证明所建数值模型的正确性。研究结果可为水平井分段压裂施工设计提供理论依据。     

煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术，该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程，获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征，应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程，研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明：起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时，第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难；当裂缝平行于钻孔方向扩展，第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展；较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面；提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围，从而增加了裂缝扩展到煤层...     

中深层地热储层水力压裂多股裂缝扩展数值模拟研究

目前中深层地热能岩石裂缝扩展研究主要针对单一裂缝，而实际开采生产过程中，岩石裂缝多以复杂缝网为主，单一裂缝研究难以指导现场实际工程。采用Cohesive单元内聚力模型，利用大型有限元商业软件ABAQUS并通过厚壁筒膨胀致裂实验结果预制水力裂缝扩展路径，建立了中深层地热储层水力压裂多裂缝缝网扩展模型，并开展了相关的数值模拟计算，考察了地热储层水力压裂过程中裂缝起裂时间、最大主应力、孔隙压力、裂缝宽度等多种因素对水力裂缝扩展的影响规律，并分析比较了多条水力裂缝不同起裂次序、3条裂缝同时起裂情况下的人工裂缝扩展特征。结果表明：水力裂缝的起裂时间对于最大主应力和孔隙压力具有影响，但是对于裂缝宽度影响甚微。相对于裂缝同时起裂，裂缝先后起裂会使最大主应力和孔隙压力增加，有助于多裂缝缝网的形成，但是不能通过控制起裂时间使裂缝宽度增加。     

注液速率对页岩水力压裂起裂的影响规律研究

为了研究近井筒区域内的裂缝起裂行为,采用单轴水力压裂设备开展水力压裂试验。采用不同的注液速率开展压裂试验,结果表明注液速率对近井筒范围内的裂缝起裂时间有显著影响,随注液速率增加,起裂时间减小。注液速率对裂缝起裂压力的影响可以忽略,裂缝起裂与注液总量具有较强的关联性。通过图像对比,分析了裂缝表面的粗糙程度,结果表明沿不同位置起裂的裂缝表面粗糙程度不同,沿层理面起裂的裂缝表面粗糙程度更大。     

水力压裂的几个新进展

综述了水力压裂机理的最新研究成果和缝端脱砂压裂的原理及其应用。压裂机理是水力压裂的重要组成部分,包括裂缝起裂和裂缝延伸机制,不同注入排量和不同完井方式下直井、斜井和水平井的裂缝起裂机制不尽相同,取决于时间效应,规模效应和应力状态,而流体滞后,端部膨胀,过程区和连续伤害机理则从不同方面考虑了裂缝延伸的一些重要影响因素。八十年代提出的缝端脱砂压裂则拓宽了常规水力压裂的应用范围,在介绍缝端脱砂压裂原理和     

裂缝性基岩气藏水力压裂起裂压力与近井形态研究

为了进一步明确裂缝性基岩气藏水力压裂起裂压力和裂缝起裂形态,提出了天然裂缝应力强度因子解析方法,建立了天然裂缝地层起裂压力模型。运用高斯数值积分和二分法求解非线性积分方程,编制计算程序,通过有限元分析对比验证模型的合理性。基于该模型,计算分析了天然裂缝长度、岩石断裂韧性和地应力对起裂压力的影响规律。研究表明:横切天然裂缝越长,起裂压力就越低,纵向天然裂缝起裂压力则随缝长增大而先下降后上升;天然裂缝越长,就越容易发生横切裂缝起裂,且当近井存在较短纵向天然裂缝时,纵向天然裂缝会优先起裂;岩石断裂韧性越小,横切天然裂缝起裂压力就越低,高断裂韧性有利于纵向天然裂缝起裂;纵向裂缝在高应力差时起裂压力高,难以起裂;在高垂向应力条件下,纵向裂缝起裂压力降低,近井容易形成纵向裂缝。     

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.     

水平井地层破裂压力的解析公式

分析了正断层地层任意偏离角水平井在裸眼完井和射孔完井两种完井方式下,井筒和孔眼的应力状态,以垂直井地层破裂压力公式为基础,利用替代方法,给出了水平井地层破裂压力的解析公式,并进行了算例研究.结果表明,地层破裂压力与完井方式及偏离角密切相关.由于射孔完井孔眼和裸眼完井井筒的应力状态完全不同,所以,两者破裂压力通常并不相等.不论是裸眼完井还是射孔完井,其破裂压力都是偏离角的单调递增函数.当偏离角为0°时,破裂压力最低;而当偏离角为90°时,破裂压力最高.     

恒定水头岩体混凝土裂纹水入浸过程分析

针对自然营造力作用下岩体或混凝土裂纹的水力劈裂特点,基于裂纹水流运动的立方定律建立了恒定水头作用下裂纹内水流入浸过程计算模型与迭代步骤.通过对不同裂纹张开宽度、裂纹表面起伏差、裂纹形状等因素变化,分别计算了水流入浸过程.计算结果表明,裂纹内水流入浸过程是先快后慢,随着时间的推移,裂纹内水压会发展为全水头.当裂纹张开宽度大于0.02 mm,水流入浸过程及其短暂,裂纹内水流很快就达到裂尖,而且水压基本就是全水头.当裂纹的张开宽度特别小,达到微米级,水流就很难进入,即产生不透水的现象.裂纹表面的起伏差对于裂纹张开宽度较小的裂纹影响程度要大于宽度较大的裂纹.     

页岩储层可压性评价关键指标体系

从美国的页岩压裂作业经验看,压裂后产能高的气井并非压裂过程复杂、破裂压力高的地层,而是可压裂性好的地层。借鉴美国典型页岩气田的成功压裂经验,从地质评价指标、页岩体积压裂评价指标和工程技术评价指标三方面探索国内页岩可压性评价体系,对页岩气储层的地质特点进行评价,确定总地质储量、地质"甜点"区、成熟度等;获得储层岩石的脆性参数、天然裂缝、地层倾角、地应力等数据,对储层形成体积裂缝的可行性进行评价;探讨压裂增产的方式、射孔方式、压裂液性能等工程技术指标。从中优选影响储层可压性的主导因素,挑选出最能直接反应页岩地质力学可压性的指标,建立一套适合国内复杂地质和工程条件下的页岩气储层可压裂性评价指标体系,为构建页岩可压性评价模型与风险控制方法提供参考指标。     

射孔完井条件下地层破裂压力修正公式

在重新考察垂直井射孔完井条件下孔眼的应力状态后,利用替代方法给出了某一射孔深度处的孔眼壁面出现破裂所需要注入压力的计算公式.但分析公式,发现人工裂缝将会在射孔根部位置出现,于是给出了相应的地层破裂压力计算修正公式.研究结果袁明,计算修正公式与原公式对比,更能反映射孔完井条件下地层的应力状态和实际情况,可供油田的钻井和压裂设计作参考.     

坪北油田转向压裂分析计算

通过对天然裂缝开启和延伸机理的研究,计算了坪北油田地质条件下实现裂缝转向所需的压力上升值,与实际施工数据对比,认为现有工艺技术完全满足暂堵压裂施工的要求。同时,计算结果也对现场施工有重要指导意义。     

页岩暂堵转向压裂水力裂缝扩展物模试验研究

暂堵转向压裂是提高页岩储层重复压裂缝网改造效果的重要手段，然而该压裂工艺对页岩水力裂缝扩展规律的影响机理尚不明确。因此，基于室内真三轴压裂物模试验，研究页岩暂堵转向压裂裂缝起裂与扩展规律，分析地应力及注入速率等因素对水力裂缝延伸行为的影响，并通过油藏改造面积(SRA)定量表征暂堵转向压裂缝网改造效果。结果表明，暂堵剂可有效封堵初始裂缝，憋压促使水力裂缝发生缝内转向或激活原生天然裂缝系统，提高页岩缝网复杂程度；根据最终水力裂缝形态展，可划分为4种基本类型，包括台阶状缝、激活天然弱面的横切缝、简单多裂缝以及复杂多裂缝网络；不同地应力差异条件下暂堵机理及裂缝延伸规律不同，当水平应力差小于12 MPa时，暂堵剂通过封堵近井筒初始张开的原生层理或天然裂缝，诱导产生与天然裂缝斜交的二次裂缝，当应力差高于15 MPa时，近井筒天然弱面难以激活，暂堵剂通过封堵垂直井筒的初始横切裂缝，诱发形成平行多横切裂缝；增大注液排量可以提高多裂缝形成几率及裂缝沟通面积。     

三维压裂压力递减分析方法

在前人提出的拟三维压力递减分析模型基础上,建立了解释压裂后压力递减的三维模型,模型考虑了压裂液的续流影响.利用所建模型分析的压裂停泵后的压力递减数据,可计算裂缝几何参数(裂缝宽度、高度、长度)、压裂液滤失系数、地层应力强度因子、压裂液效率和裂缝延伸时间等,为调整大型压裂设计方案和新区整体压裂优化设计提供可靠的参数.研制了一套windows环境下的解释软件,运用该软件可获得有关评价参数.用计算实例说明了三维压裂压力递减分析方法的适用性和可靠性.     

Impact of hydraulic perforation on fracture initiation and propagation in shale rocks

To enhance the oil and gas recovery rate, hydraulic fracturing techniques have been widely adopted for stimulation of low-permeability reservoirs. Pioneering work indicates that hydraulic perforation and layout could significantly affect fracture initiation and propagation in low-permeability reservoir rocks subjected to complex in-situ stresses. This paper reports on a novel numerical method that incorporates fracture mechanics principles and the numerical tools FRANC3D and ANSYS to investigate the three-dimensional initiation and propagation behavior of hydro-fracturing cracks in shale rock. Considering the transverse isotropic property of shale rocks, the mechanical parameters of reservoir rocks attained from laboratory tests were adopted in the simulation. The influence of perforation layouts on the 3D initiation of hydro-fracturing fractures in reservoir rocks under geo-stresses was quantitatively illuminated. The propagation and growth of fractures in three dimensions in different perforating azimuth values were illustrated. The results indicate that: 1) the optimal perforation direction should be parallel to the maximum horizontal principal stress, 2) the crack plane gradually turns toward the direction of the maximum horizontal principal stress when they are not in parallel, 3) compared with the linear and symmetric pattern, the staggered perforation is the optimal one, 4) the proper perforation density is four to six holes per meter, 5) the optimal perforation diameter in this model is 30 mm, and 6) the influence of the perforation depth on the fracture initiation pressure is low.     

致密油直井缝网压裂初期产能影响因素分析

缝网压裂技术是大庆油田开发外围致密油的关键技术之一,为了探索和提高缝网压裂的压裂效果和经济效益,必须进一步研究其初期产能的影响因素。针对传统的数理统计方法计算出的初期产能与各影响因素之间的相关度差别不大的问题,应用改进的灰色关联分析法,对原模型进行修正,分析了压后初期产能和各影响因素之间的相关程度,确定了主要影响因素,并通过实例验证了该模型的实用性与准确性。研究结果表明,在不改变地层渗流场的前提下,尽可能提高地层压力,加大施工规模,可提高致密油藏直井缝网压裂的效果。该方法为致密油直井缝网压裂方案的设计和效果评价提供了可靠的依据。