水力压裂裂缝转向数值模拟研究

水力压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态,垂直裂缝井压裂前储层中的应力分布,尤其是水平主应力方向控制着裂缝的起裂方位和延伸方向。分析了影响储层地应力场、裂缝方位及几何尺寸的因素,在此基础上,建立了压裂裂缝转向的应力场和渗流场数学模型并进行模型求解。对压裂裂缝转向机理进行了定量研究。     

基于Iverson莫型的低渗透率油层压裂高度测井预测研究

低孔隙度低渗透率砂岩油层常需进行水力加砂压裂改造.为了防止压开围岩,将压裂缝控制在产层段内,需要预测给定施工压力下储层压裂缝的延伸高度.分析压裂缝延伸机理、确定压裂缝形态和方位及延伸方向;利用测井资料计算地层应力和破裂压力,定性分析压裂缝延伸情况.压裂缝的形态取决于地层应力的大小和方向,裂缝的方位垂直于最小水平主应力方...     

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。     

地层压裂缝高度预测方法及应用

水力压裂高度预测,对试油和储层改造都有非常重要的作用。本文通过地层强度参数、地层闭合压力(一般来说是最小水平应力)和岩石破裂特性计算出应力强度因子和岩石韧度来获取地层压力剖面和裂缝高度。同时运用破裂点最小水平应力与加压值之和与预测点最小水平应力相比较的方法来预测射孔层段压裂缝高度.将这些方法应用到实例中,达到了预期的压裂效果。     

重复压裂时水力裂缝的垂向延伸

利用长源距声波测试资料,对油层上、下隔层之间的最小主应力差值进行了量化分析研究。依据最小主应力差值的计算结果,应用三维水力裂缝模拟软件,对压裂施工中所形成的水力裂缝延伸状态进行了研究,通过施工后的井温测试资料,经与第一次压裂时的裂缝延伸状态进行对比,度为重复压裂与第一次压裂所形成的裂缝是不同的,在地层压力相对于第一次压裂时降低的情况下,裂缝高度小于第一次水力裂缝的高度。     

斜井及水平井在不同构造应力场水力压裂起裂研究

水力加砂压裂是储层特别是低渗透储层改造的重要手段。压裂施工时,储层破裂压力直接决定水力压裂的成功与否。影响储层破裂压力的因素较多,例如射孔相位、密度、孔径等,但对于斜井或水平井,构造应力场及其与井身结构之间的匹配关系对破裂压力和初始起裂方向影响更为显著。在压裂施工中,由于缺乏对上述因素的认识,常常导致施工因压力过高而中止。基于线弹性断裂力学结合岩石的抗拉破坏准则,对构造应力场进行分类,展开了不同构造应力场下斜井和水平井压裂施工中破裂压力及裂缝起裂方向研究,为水力压裂起裂及优化设计提供参考依据。     

考虑气井生产影响的重复压裂裂缝重定向研究

生产引起的地层流体压力变化和原有的人工裂缝都将引起储层应力变化，其迭加结果共同决定了重复压裂裂缝方位。首先基于孔隙介质渗流的质量平衡、达西定律和状态方程建立了流体运动模型，并根据小变形弹性介质的应力平衡、应力-应变关系和应力-应变-压力方程，得到基于位移和孔隙压力控制的三维流固耦合数学模型和计算模型，从而得到孔隙压力变化引起的地应力变化；然后将压裂裂缝简化为平板中央的直线贯穿裂纹，根据弹性力学原理结合Fourier变换，导出了计算压裂裂缝在重复压裂时产生的诱导应力场模型；再结合最小主应力原理，确定重复压裂裂缝方位。计算结果表明：重复压裂井的确可能发生应力重新定向，并在距井轴一定距离处（应力各向同性点）应力再次重新定向，逐渐恢复到初始应力水平。重复压裂裂缝重新定向是完全可能的。     

低渗透油田重复压裂裂缝形态规律研究

油井重复压裂是目前老油田提高单井产量的主要措施之一。为了提高重复压裂的针对性和措施效果,有必要对重复压裂裂缝形态进行研究。文中以长庆油田某低渗透油藏为例,选取典型的菱形反九点井网为分析单元,采用数值模拟方法,研究了考虑注采和一次裂缝影响条件下不同位置的储层应力变化规律和油井重复压裂裂缝形态。结果表明,不同注采比条件下．储层应力总的变化规律是随着注采时间的延长,储层应力变化幅度呈增大趋势;同一注采比条件下,应力改变随时问而变化．总的规律是应力的改变先增大后减小：应力改变最大的时间出现在20～30个月,因而是最佳的重复压裂时机;井网不同位置的油井水力裂缝的转向半径不同．中心井和角井的规律接近．而中间井的规律差别较大,总体上中间井的水力裂缝转向半径小于中心井和角井。     

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。     

应用岩层层间滑移模型模拟水力压裂

当水力压裂遇到较弱地层或天然裂缝时,层间滑移是改变水力压裂强度的机理之一。在浅地层或超压地层,当地层层间的有效正应力很低时地层的层间滑脱就有可能发生。当垂向水力压裂裂缝在这样的地层中延伸时,岩层层间滑移将阻碍或停止裂缝高度的增长。现在研究出一种层间滑移模型,已将其应用于虚拟三维水力压裂模拟系统中。该模型用不连续位移法来计算层间滑移引起的裂缝宽度形变,用界面交叉点准则来判定压裂裂缝高度增长过程中裂缝是否穿过了特定的岩层。模型规定了所需要的摩擦系数和抗剪强度这两种界面性能,应用了Renshaw and Pollard判定准则并解释了不连续位移法。产生层间滑移直接影响裂缝高度的增长和宽度的变形,但是由于水力压裂的耦合作用,层间滑移还将影响裂缝的几何形状和地层破裂压力。将层间滑移模型的模拟结果与示踪测井压裂测量的裂缝高度和压力,以及压裂后的产能分析进行了比较。在现场实例中,根据实际现场测量,地层将产生一种T形裂缝,裂缝的高度、宽度和压力与用层间滑移模型模拟的结果和测量数据拟合得很好。     

岩石脆性对水力压裂裂缝影响的数值模拟实验

水力压裂裂缝起裂与拓展轨迹对致密油气储层水力压裂改造效果的影响至关重要。基于胜利油区某区块埋深为3200m的致密砂岩储层岩石试样的单轴压缩物理实验结果,应用数值模拟软件RFPA~(2D),对单轴压缩数值模拟实验中的岩石力学参数进行标定,建立数值模拟模型,研究岩石脆性指数及残余应力水平对水力压裂裂缝拓展轨迹的影响。研究结果表明:岩石脆性指数越大,越有利于水力压裂裂缝的拓展,并且产生的裂缝越宽,起裂压力越小,形成有效复杂裂缝网络的面积越大,水力压裂改造的效果越好;岩石残余应力水平越低,水力压裂产生裂缝的发育程度越高,并且压裂裂缝的宽度越宽,起裂压力越低,水力压裂改造的效果越明显。     

水力压裂形成裂缝形态的研究

油层水力压裂形成的裂缝形态与油层是否有天然裂缝和油层所地应力及其相岩石抗张强度有关，本文通过对吉林，大庆油田的水力压裂形成缝形形态研究，认为油层构造是压裂所形成缝形形态的重要条件，但油层三向应力是决定因素，进一步研究认为同一时代地层的地应力的相对大小的关系是固定的，不因地层埋藏深度而变迁。     

弹塑性储层水力压裂裂缝扩展研究

随着水力压裂技术在非常规油气资源开发中的大量应用,越来越多的学者发现传统的线弹性断裂力学不能对弹塑性储层中水力裂缝扩展进行准确预测。鉴于此,基于Mohr-Coulomb塑性理论,在考虑储层岩石塑性变形、压裂液流动与水力裂缝扩展非线性耦合的基础上,通过插入Cohesive单元的方法,建立三维多孔介质弹塑性土体模型,以此来研究弹塑性地层不同工况下水力压裂裂缝扩展规律。研究结果表明：水力裂缝在扩展过程中会在尖端产生明显的塑性应变,阻碍裂缝扩展;地层的抗拉强度越大,裂缝尖端的塑性应变越大,岩石的破裂压力越高,裂缝呈现出“短宽缝”的形态;增大压裂液的排量,会明显改变水力裂缝的形态,容易形成“长宽缝”,与此同时会使裂缝的扩展压力显著升高,给压裂作业带来困难。研究成果可为该地区现场压裂施工提供参考。     

水平井压裂裂缝局部应力场扰动规律

压裂裂缝形成复杂裂缝网络是非常规储层改造成功的关键,而裂缝的起裂和扩展又受控于地层中应力场的分布,所以研究水平井压裂裂缝局部应力场的扰动规律十分必要。为此,建立水平井井筒集中应力与裂缝诱导应力叠加的水平井压裂裂缝局部应力场计算模型,利用有限元数值分析软件Comsol Multiphysic,模拟分析裂缝净压力、裂缝长度、裂缝条数和裂缝间距对水平井压裂裂缝局部应力场的扰动情况,并揭示各影响因素对应力场的扰动规律。结果表明,水平井压裂裂缝对最小水平主应力的扰动程度更为显著,其中裂缝净压力和裂缝条数与局部应力场的应力扰动幅度呈正相关关系,裂缝长度的增加会引起应力扰动距离的增大,而裂缝间距的增加则会使裂缝间应力扰动程度降低。     

砂泥岩储层水力裂缝穿层规律数值模拟

水力压裂是实现页岩气高效开发的主要技术之一,而层理面是影响水力裂缝三维几何形态展布的关键因素。目前国内外学者已经探究了页岩储层层理面对水力裂缝纵向扩展的影响,但是对砂泥岩互层条件下水力裂缝纵向扩展规律缺乏认识。基于线弹性断裂力学理论,构建了耦合应力-损伤-滤失的多层理水力压裂裂缝扩展模型,并分析了储层应力场变化、地层倾角和层理面抗张强度对水力裂缝纵向扩展的影响。对比微地震监测结果,该模型的准确率可达95%以上。模拟结果表明,水力裂缝在贯穿砂泥岩层理面过程中的扩展动态可划分为三个阶段,储层应力场变化、地层倾角和层理面抗张强度决定了第三阶段水力裂缝的延伸方向;低应力差和低地层倾角储层有利于层理面开启,高应力差和高地层倾角储层有利于水力裂缝纵向扩展;随着层理面抗张强度的降低,层理面开启程度也随之增加,主要是由于层理面抗张强度越低,打开层理面耗费能量越小。     

裂缝性地层测试压裂分析在川西须家河组的应用

川西地区须家河组砂岩气藏埋藏深，储层基质渗透率低，天然微裂缝局部发育，主要依靠大型加砂压裂工艺提高气井产量。为了解地层特征及为压裂优化设计提供必要的基础数据，在水力压裂施工前，采用测试压裂技术分析裂缝型地层的滤失系数、地层渗透率、闭合应力，计算近井筒区域的摩阻压力损失等参数。系统地介绍了裂缝性地层测试压裂分析的具体方法，结合川合148井的实例分析，对该方法在川西须家河组储层压裂设计中的应用进行了详细论述，为同类型储层的压裂优化设计提供了借鉴。     

控制压裂缝高技术研究及影响因素分析

在水力压裂过程中,裂缝会沿着垂直方向上延伸,当裂缝超出生产层而进入隔层时会影响水力压裂效果。为了将裂缝高度控制在油气层内,研究了岩石物质特性、施工参数、地层应力差和裂缝上下末端阻抗值对缝高的影响,并分析了人工隔层控制缝高基本原理和对转向剂性能要求、压裂工艺与应用范围,同时也提出了控制缝高技术的研究内容与发展趋势。     

多级压裂诱导应力作用下天然裂缝开启规律研究

非常规储层多级压裂过程中,诱导应力是影响天然裂缝是否开启和压裂效果的重要因素。根据岩石力学理论和天然裂缝的受力状态,推导出压裂过程中地层应力分布计算模型,得到天然裂缝发生张性破坏和剪切破坏开启的力学条件。黑185井的模型计算结果表明:水平井压裂时存在诱导应力,由于诱导应力的影响,沿井筒方向的地应力增大1.70 MPa,地应力状态发生改变;考虑诱导应力的天然裂缝开启所需的压裂最小泵压为29.27 MPa;不考虑诱导应力的压裂最小泵压为26.31 MPa。研究结果表明,多级压裂产生的诱导应力使天然裂缝开启变得困难,诱导应力增大,天然裂缝开启所需的泵压增大,二者呈线性关系,实际压裂设计时应考虑诱导应力的影响。      

页岩气储层水力压裂扩展有限元模拟方法及应用

页岩气储层低孔低渗,需用水力压裂等方法进行储层改造方可获得经济产能。储层改造中裂缝的形态和分布对体积改造效果至关重要。为了研究压裂裂缝的模拟方法,系统调研和对比了储层水力压裂模拟常用方法,开展了扩展有限元模拟,研究表明:①水力压裂物理模拟实验能够直观观测裂缝的形态及展布特征,但因试样尺寸等问题难以代表实际储层压裂情形;②常用的数值模拟方法有边界元法、非常规裂缝模型、离散化缝网模型和扩展有限元法等,这些方法各有优缺点,需做有针对性的改进才能更好地模拟真实页岩储层压裂情况;③应用扩展有限元法模拟水力压裂和分段顺序压裂过程中裂缝的延伸情况,得到射孔方向与最大水平主应力之间夹角和诱导应力对压裂裂缝的影响,夹角越大,裂缝偏转角度越小,偏转距离越大,初始破裂压力越高,裂缝稳定延伸的压力也越大,而诱导应力的存在会抑制压裂裂缝的延伸。对实际压裂工程中射孔方向的选择和分段压裂射孔间距的设计具有指导意义。     

煤层气水力压裂微地震监测技术在鄂尔多斯盆地东部M地区的应用

为探索研究二叠系下统太原组和山西组煤系地层水力压裂效果,以鄂尔多斯盆地东部M地区煤系地层太原组和山西组为例,以微地震井中监测为技术手段,实时监测压裂效果,结合微地震事件属性特征分析人工裂缝网络连通性,解决复杂区域裂缝网络控制问题,为煤系地层水力压裂过程中压裂方案设计与调整提供依据,并对施工过程质量控制提供依据。现场实施取得良好的效果,实时调整压裂方案,为煤系地层水力压裂和储层评价提供了依据和技术保障;利用井间应力干扰可以促成大范围裂缝带的形成和沟通,形成更大的裂缝体积和渗流通道,对产能的改善作用更加明显,提高开发效率。