水平井分段压裂簇间应力作用分析北大核心CSCD

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

水平井分段压裂簇间应力作用分析

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

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。     

页岩储层多簇限流射孔裂缝扩展规律

在多簇密集切割压裂情况下,多缝间诱导应力干扰现象严重,使得优化射孔簇参数促进多簇均衡改造变得尤为重要.采用耦合岩石变形和流体流动的多簇限流射孔裂缝扩展模型,结合裂缝形态定量评价指标,展开限流射孔参数对裂缝扩展影响规律研究.结果表明:段内六簇射孔压裂时,密集切割使得多簇间诱导应力场影响区更为复杂,高孔密、均匀布孔时多裂缝...     

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。     

水平井分段多簇压裂模拟分析及射孔优化

针对缝间应力干扰造成的段内各裂缝非均匀延伸问题,建立综合考虑应力干扰、流固耦合、多裂缝流量分配的分段多簇压裂裂缝动态延伸数值模型。基于建立的数值模型,研究了射孔孔眼摩阻、射孔簇间距、储集层岩石弹性模量、压裂液黏度对多条水力裂缝延伸形态的影响。模拟结果表明,考虑射孔孔眼摩阻时裂缝发育较为均衡;随着簇间距缩小、岩石弹性模量或压裂液黏度增大,应力干扰增大,导致部分裂缝缝宽变窄而减少进液,加剧了段内各裂缝的非均匀延伸。合理的孔眼摩阻能够有效促进多裂缝均匀延伸,为此提出了简便的射孔孔眼摩阻优化计算方法。通过估算压裂过程中缝间诱导应力值,定量计算出维持压裂段内裂缝均匀延伸所需的孔眼摩擦系数,并以此优选合理的射孔工程参数。采用射孔摩阻优化方法对1口水平井射孔参数进行计算,数值模拟结果及现场压裂效果显示,优化后的射孔参数能够有效维持各裂缝均衡发育。     

深层页岩油水平井密切割裂缝均衡扩展数值模拟

中国页岩油储层非均质性强、粘度高和可改造性差,水平井分段多簇射孔体积压裂难以形成复杂的裂缝网络,单缝“缝控储量”低,必须寻求新的工艺突破。通过增加单个压裂段内的射孔簇簇数,使多个射孔簇裂缝在射孔段内均衡扩展,对页岩储层进行密切割,实现页岩油储层的充分改造,是中国页岩油高效开发的关键。考虑数千米长压裂管柱与射孔孔眼的摩阻以及多裂缝之间流体的竞争分配,建立页岩油水平井密切割多裂缝动态扩展的渗流-应力-损伤模型,并通过现场压裂施工数据验证其正确性。根据胜利油田页岩油储层的地质工程特征,开展射孔簇簇数、射孔孔眼数量、压裂施工参数等对多裂缝流体流量分配、应力干扰及裂缝几何形态影响的数值模拟研究发现：单簇裂缝扩展时,裂缝诱导应力最优波及距离为10 m左右;簇间距为10 m时,三簇裂缝均衡扩展射孔密度为20 孔/m,施工排量为12 m³/min,压裂液粘度为30 mPa·s;4个射孔簇时,压裂液均匀分配和裂缝均衡扩展的簇间距为10 m。此项研究为胜利油田页岩油勘探开发的突破奠定了理论基础。     

水平井分段压裂平面三维多裂缝扩展模型求解算法

针对多层油气藏水平井分段多簇压裂设计问题,提出平面三维多裂缝扩展模型高效解法。采用三维边界积分方程计算固体变形,考虑井筒-射孔-裂缝耦合流动及缝内流体滤失。利用显式积分算法求解流固耦合方程,根据尖端统一解析解和最短路径算法计算裂缝扩展边界。方法的准确性通过与径向裂缝解析解、隐式水平集算法和有机玻璃压裂实验对比得到全面验证。与隐式水平集算法相比,新算法计算速度大幅提高。以浙江油田页岩气水平井为例,重点分析了平面应力分布、射孔数分布等对多簇裂缝扩展与进液的影响。研究表明,减小单簇射孔数可以平衡簇间应力非均质分布的影响;调整各簇射孔数量可以实现均衡进液,各簇射孔数差别应控制在1～2孔;增加高应力簇的射孔数有利于均匀进液,但进液均匀并不等于裂缝形态一致,裂缝形态受应力干扰和层间应力剖面共同控制。图17参41     

页岩气水平井段内多簇裂缝同步扩展模型建立与应用

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,分析段内多裂缝同步扩展规律和进行段内簇间距优化设计对提升水平井压裂效果具有重要意义。基于多层压裂流量动态分配思想,考虑缝间应力干扰、射孔和摩阻压降损耗、滤失等影响建立多簇裂缝同步扩展数学模型,利用改进Picard法进行方程组求解并开展敏感性分析。研究结果表明,簇间距对多簇裂缝扩展的影响最为明显,当簇间距达到缝高高度时,缝间力学干扰则几乎可以忽略;簇间距越近,则整个缝簇系统受到应力干扰影响越为明显,而加大压裂液黏度则可以明显改变缝宽,一定程度上抵消应力干扰影响;地层滤失系数增加则会显著降低改造体积范围,射孔密度对缝簇扩展影响较小。提出的段内多裂缝扩展数值模型简化了数学建模步骤,综合考虑了影响裂缝扩展的岩石力学和工程因素,且计算速度快,精度可靠,可为水平井段内簇间距压裂优化设计工作提供技术支持。     

深层页岩气水平井压裂异步起裂裂缝延伸模拟与调控

深层页岩气主要通过水平井分段多簇密切割压裂进行增产,但由于深层地应力变化较快以及缝间应力的干扰导致水力裂缝长短不一,亟需优化调控。针对深层页岩压裂多簇裂缝起裂时间不同、延伸不均匀的现象,建立了水力裂缝异步起裂延伸模型,同时考虑了各簇射孔位置地应力差异和缝间应力干扰对水力裂缝异步起裂、非均匀延伸的影响。模拟结果表明：采用常规均匀射孔工艺,射孔簇位置地层破裂压力越高,该簇裂缝起裂时间越晚,外侧裂缝延伸更快,裂缝延伸非均匀程度较大;采用非均匀限流射孔工艺,通过合理调整各簇射孔孔眼数量,可使各簇裂缝起裂时间与延伸速度差异明显减小,保证压裂结束时各簇裂缝长度基本一致,实现“抑长促短,均匀延伸”的目的。现场监测各簇进液比例与模型计算结果较为一致,验证了模型的可靠性。研究成果可有效降低目前非均匀限流射孔工艺参数设计的盲目性,对深层页岩气压裂优化设计具有重要的理论价值和指导作用。     

水平井“多段分簇”压裂簇间干扰的数值模拟

水平井"多段分簇"压裂是开发低渗透和非常规油气藏的关键技术,能够大幅度提升压裂改造的体积,达到提高油气产量和最终采收率的目的。为了研究水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝的干扰规律,基于多孔介质流—固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用零厚度黏结单元模拟压裂过程中压裂裂缝起裂、延伸造成的损伤,建立了低渗透油气藏水平井"多段分簇"压裂裂缝扩展的三维有限元模型。利用该模型研究了射孔簇数、射孔簇间距、储层参数、施工参数等对水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝干扰的影响。模拟计算结果表明:射孔簇数和射孔簇间距是影响水平井"多段分簇"压裂簇间裂缝干扰的最大的影响因素。利用该模型对某水平井压裂的射孔簇间距进行了优化,使得该井的油气产量比邻井明显提高,证明了模型对于水平井"多段分簇"压裂优化的可行性和可靠性。     

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。     

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。     

水平井分段多簇压裂缝间干扰影响分析

水平井分段多簇压裂在低渗透油气藏开发中发挥了巨大作用。为进一步提升油气产量,压裂段、簇数近年不断增加,同时也加剧了缝间干扰问题。合理利用裂缝产生的诱导应力干扰能够促使裂缝网络形成,使得储层改造体积增大。但是过高的诱导应力干扰也可能导致裂缝起裂困难,甚至造成裂缝砂堵,所以应当对缝间干扰问题进行相关研究。对此,采用位移不连续法建立了研究多簇裂缝诱导应力的数学模型,从局部应力场改变、起裂压力、裂缝宽度多方面研究了缝间干扰对分段多簇压裂造成的影响。模拟结果表明,诱导应力会导致局部区域水平主应力差异下降、破裂压力陡升、裂缝宽度下降等。分析显示,分段多簇压裂在利用诱导应力促进缝网形成的同时,也需要防止其对施工造成困难。研究结论对水平井分段多簇压裂具有指导意义。     

页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法

页岩储层水平井密切割压裂过程中同一压裂段内各簇水力裂缝难以维持均衡扩展，这一问题严重制约了压裂改造效果。为此，建立了一套完全流固耦合的水平井密切割压裂多簇水力裂缝同步扩展数值模拟方法，采用水力裂缝体积标准差(δ_v)定量表征多簇水力裂缝均匀发育程度，提出了一套科学完善的页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法。研究结果表明：单段射孔簇数越多，缝间诱导应力干扰作用越强，各簇水力裂缝发育越不均匀；随着每簇射孔数减少，孔眼摩阻增大，δ_v降低，各簇水力裂缝发育越均匀，当δ_v≤0.01后，继续减少每簇射孔数，对水力裂缝均匀发育程度的改善效果有限，且过度减小射孔数量会导致施工压力过高；以δ_v≤0.01为优化目标，针对2口实例井分别开展了等密度与非等密度限流射孔参数优化设计，均取得了良好的增产效果。研究结果可为页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化设计提供理论依据和优化方法。     

基于孔弹性效应的水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析

页岩等非常规油气储层水平井分段压裂改造用液规模大，返排效率低，其诱发的孔弹性效应不可忽视，然而孔弹性效应对缝间应力干扰、多裂缝竞争扩展的影响机理尚未明晰。为了揭示压裂液滤失诱发的孔弹性效应对地应力场及多裂缝扩展的影响规律，基于平面三维多裂缝模型，在考虑液体滤失诱发的孔弹性效应的基础上，建立了水平井压裂裂缝扩展数学模型，并开展了水平井多簇压裂裂缝扩展数值模拟研究，针对孔弹性诱导应力导致多裂缝扩展不均匀提出了解决的工艺手段。研究结果表明：(1)孔弹性应力与裂缝诱导应力具有相似的效果，其大小约为裂缝诱导应力的30%，影响范围约为裂缝诱导应力的40%；(2)孔弹性效应会增大缝内压力、强化缝间应力干扰、加剧裂缝不均衡扩展，与不考虑孔弹性效应的模拟案例相比，考虑孔弹性效应后裂缝宽度降低约8%，缝内压力升高约0.5 MPa，井底压力升高0.62 MPa，各簇瞬时进液差异系数升高6.5%、整体进液差异系数升高5%；(3)保持限流射孔摩阻为3～6 MPa可在一定程度上克服孔弹性效应对各簇均衡进液的负面影响。结论认为，孔弹性效应研究可为水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析提供重要的理论支撑和依据，该成果可...     

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。     

致密砂岩水平井多段压裂裂缝扩展规律

基于真三轴水力压裂模拟系统,开展已压裂缝内流体压力、段间距、射孔参数、水平应力差和水平井段固井质量对致密砂岩储集层多裂缝扩展形态影响的实验。通过岩样剖分和压力曲线特征的类比分析得到以下认识:已压缝处于临界闭合状态时,高水平应力差和小段间距将导致多裂缝合并,而已压缝内高净压力和缝宽不对称分布可能抑制后续裂缝扩展;较大段间距使得后续裂缝处于诱导应力递减区域,降低应力干扰程度;采用大密度深穿透射孔,有利于降低裂缝起裂压力;缝内净压力一定时,低水平应力差将增大水平应力反转程度,增大后续裂缝偏转角度;水平段固井质量较差时,裂缝在井筒与地层结合处起裂,形成纵向缝;各段裂缝起裂压力呈上升趋势,压力增长幅度可达30%;形成横切缝时,起裂后压力迅速下降,延伸压力低;裂缝发生偏转时,起裂后压力波动下降,延伸压力较高,为迂曲窄缝;形成纵向缝时,压力剧烈波动上升,呈现多峰值特征,起裂阶段和延伸阶段区别不明显。     

重复压裂气井热—固耦合应力场拟三维模型

初次人工裂缝周围的应力场变化是影响重复压裂气井裂缝转向的关键因素。为研究人工裂缝和低温液体热—固耦合作用下应力场的变化情况,采用位移不连续法(DDM)与热源函数理论,考虑远场地应力作用、缝内压力非均匀分布及热效应,建立了重复压裂气井热—固耦合拟三维模型并得到其半解析解,可用于重复压裂气井的裂缝扩展模拟,计算结果明确了压裂液注入后裂缝周围应力场的分布及参数的影响情况。模拟计算表明,垂直裂缝面方向最小水平主应力增加值与增加范围均大于最大水平主应力,使应力转向区主要分布在裂缝壁面附近,有利于应力场发生转向,但同时该区域的破裂压力也相应增加。压裂液的注入在裂缝周围产生了很小的张性应力,对新裂缝的起裂与转向帮助不大,应力重定向的关键影响因素是缝内净压力。因此,封堵初次裂缝尖端不仅能阻止新裂缝沿原裂缝方向延伸还能提高缝内净压力,为重复压裂气井的定向射孔及缝内暂堵技术提供了理论依据。     

水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力分析

为了提高水平井分段多簇压裂射孔簇的起裂效率,针对段内多条裂缝同步扩展的特点,考虑裂缝间的应力阻隔效应以及缝内有效净压力的变化,根据待压段的诱导应力建立了不同射孔簇破裂压力计算模型,并分析了各射孔簇破裂压力的变化规律。通过研究得出认识:水平井分段多簇压裂多条裂缝同步扩展时存在应力阻隔效应,待压段受到的诱导应力为之前各段最后一簇裂缝缝内有效净压力产生的诱导应力的叠加;距离上一段压裂位置最远的射孔簇破裂压力最低,段内多射孔簇间的破裂压力差异随着时间的延长而增大,多簇起裂的最好时机是在施工初期,可在短时间内迅速提高排量,利用射孔孔眼的节流效应提高井底压力,实现多簇裂缝的依次起裂;段内较小的应力变化会引起较大的破裂压力差异,诱导应力引起的各射孔簇破裂压力的变化在射孔参数设计和压裂参数优化时必须得到重视。