水力压裂裂缝的起裂和扩展

本文综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究,提出了垂直裂缝和水平裂缝的起裂判据并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素。文章认为裂缝的形成主要决定于井壁上的应力状态,而确定及影响此应力状态的因素有:地壳应力、地层的孔隙压力、井内液体压力、压裂液向地层中的渗滤流动以及被压裂地层的机械物理性质,并对此进行了较详尽的分析。作者注意到目前国外正引用线弹性断裂力学来分析裂缝延伸的方向及延伸的阻挡问题,提出裂缝的延伸方向主要取决于地应力,认为不论井壁上初始形成的裂缝方位如何,在远离井眼后,裂缝便趋于垂直最小主地应力的方向。扩缝压力除了取决于最小主地应力外,还与裂缝的类型、尺寸及岩石材料的性质有关。文章中还分析了地层岩性的变化、交界面的性质、裂隙面的存在、压裂液的比重及其滤失,地应力分布的变化等对裂缝端部应力强度因子的影响,认为这是判断裂缝继续延伸或产生阻挡作用的重要依据。     

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...     

不同构造地层水平井压裂起裂规律研究

水平井水力压裂时,由于井眼轨迹较长且钻遇地层复杂,使得井筒周围应力分布差异较大,从而无法准确预测起裂压力及起裂方位。利用Matlab软件三维可视化的优点,对储层构造为正断层、逆断层和平移断层3种情况下的压裂液侵入作用在井壁的应力分布状态进行模拟分析,并结合断裂力学理论对各种构造地层中压裂裂缝起裂压力和起裂方位进行研究。主要利用憋压时井眼周围三维应力分布直观地得到起裂方位规律,并对不同水平井方位角下的起裂压力规律进行了研究。结果表明:利用Matlab建立的水平井筒周围原地应力和压裂液作用下的综合应力三维图,能更好地阐述裂缝起裂方位和延伸趋势;不同构造水平井的起裂规律不同,水平井方位角为0～45°时,平移断层的起裂压力比正断层和逆断层的起裂压力要低一些;水平井方位角45～90°时,逆断层的起裂压力比正断层和平移断层低;正断层的裂缝延伸方位与逆断层和平移断层不同;水平井方位角为0°和180°时,起裂压力最大,90°时起裂压力最小;最小主应力是影响起裂压力最显著的因素。     

水平井压裂裂缝起裂及延伸规律模拟实验研究

应用水平井多级压裂技术对油气储层进行体积压裂缝网改造,已经广泛应用于非常规油气资源开采中,但较少研究水平井井筒走向与地应力方位的关系对压裂裂缝起裂及延伸的影响,以及主应力差对裂缝复杂程度的影响等问题研究。根据现场水平井压裂施工要求,通过物模压裂实验模拟了低孔低渗砂泥岩地层水平井在裸眼完井与套管射孔完井2种完井方式下,主应力差为10MPa和4MPa,水平井井筒方位角分别为0、30、45、60、90°时的裂缝起裂和延伸规律。结果表明：主应力差对裂缝起裂影响很大,应力差越小起裂压力越高,裂缝起裂和延伸越复杂;裂缝沿井筒轴向起裂,在井筒两端裂缝最终转向垂直于最小水平主应力方向延伸;水平段井筒沿最小水平主应力方向时,压裂能够形成横断缝。该研究对理解不同方位角的水平井压裂裂缝的起裂及裂缝延伸规律具有重要意义。     

水力压裂近井裂缝转向延伸轨迹模拟

室内实验和现场实践已经证明射孔方位对水力致裂裂缝延伸转向有极其重要影响,但尚无定量化的理论预测模型。针对均匀各向同性线弹性多孔材料,考虑射孔井水力裂缝起裂的原地应力场和孔隙压力、孔眼内压、压裂液向地层渗滤附加应力等多种机理,基于弹性力学和孔隙介质流体渗流理论,建立了孔眼深度任意位置的应力分布计算模型;基于孔眼末端最大周向拉应力判据,首次建立了压裂裂缝转向模拟的理论计算模型。结合长庆某气田参数进行模拟分析,揭示了垂直井射孔方位对压裂裂缝转向规律:水平主应力差是影响水力裂缝转向半径最主要因素,且随水平主应力差增加,射孔深度减小;射孔方位小于30°时对裂缝转向半径影响较小。     

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。     

重复压裂产生新缝条件模拟试验

重复压裂井在压裂过程中受前次压裂的影响 ,裂缝的起裂以及延伸方向取决于地应力场的变化。以真三轴试验为基础 ,对重复压裂裂缝破裂机理和裂缝延伸规律进行了研究 ,分析了重复压裂产生新缝的可能性及新缝产生条件     

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。     

水平井定向射孔裂缝起裂与穿层特征数值分析

为了探索水力裂缝的起裂形式和受控因素影响以及水力裂缝扩展至产层隔层界面处的穿层特征,运用基于有限元的数值模拟方法建立数值模型对其进行分析和研究,重点探讨了压裂双裂缝形成的可能性和条件,模拟了裂缝延伸至产层与隔层界面处的穿层现象。结果表明,地应力差和射孔方位角对压裂裂缝的起裂形式影响显著,地应力差越大,则裂缝从射孔方向起裂的可能性越小,方位角越大,从射孔方向起裂的可能性也越小,此时若水泥环失效,裂缝可从井壁大主应力方向起裂;若满足岩层物理力学与压裂条件,裂缝同时从射孔方向和井壁大主应力方向起裂的双裂缝起裂形式是可能的;在裂缝延伸过程中,产层与隔层弱胶结界面可使裂缝钝化或滑移成“T”型裂缝,弹性模量较小的隔层有利于裂缝穿层并继续延伸。数值分析结果可对水平井射孔参数优化及水力压裂施工提供些许参考。     

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。     

塔中工区压裂缝高度预测方法研究

本文根据压裂段地层垂向应力、最大和最小水平主应力的大小关系确定裂缝的形态及方位;依据压裂段地层和相邻地层最小水平主应力的大小划分出最小水平主应力的低应力段、较高应力段和高应力段,并根据裂缝易向低应力段延伸特点,定性分析裂缝延伸高度与方向;结合断裂力学岩石应力强度因子和断裂韧度关系定量分析裂缝延伸高度与方向。为人工压裂缝预测提供了一套完整的方法,并把此方法应用塔中Ⅰ号气田部分压裂井段,取得了良好的效果。     

重复压裂气井三维诱导应力场数学模型

重复压裂新裂缝的重新定向分析是具有相当难度和应用价值的核心问题,也是制约重复压裂优化设计的关键。重复压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态,垂直裂缝井重复压裂前储层中的应力分布,尤其是水平主应力方向控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。系统研究了垂直裂缝井重复压裂前应力场的分布特征及影响应力大小和方向变化的主要因素,在此基础上应用弹性力学、流固耦合、孔隙弹性理论等建立了重复压裂气井诱导应力场的数学模型,实现了垂直裂缝气井重复压裂前应力场的定量分析与模拟。     

考虑缝高压降的裂缝三维延伸数值模拟

在分析国内外裂缝三维延伸模型的基础上,全面考虑压裂液缝高压降、液体重力、地应力梯度、地应力差等因素对裂缝延伸的综合影响,建立一套新的裂缝三维延伸数学模型,并给出相应数值求解方法。由于考虑了压裂液缝高方向流动,建立的模型对缝高预测更符合实际,对于指导压裂设计特别是控制缝高压裂有一定的实用意义。     

玛湖地区三叠系百口泉组储层可压性应力分类评价方法

针对玛湖地区储层可压性评价体系缺乏的问题,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。结果表明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向,缝高延伸终止于最小水平主应力高值处。使用应力突进参数模型对缝高进行模拟,建立缝高变化模型,可将玛湖地区百口泉组低渗储层分成三类可压性储层,采用不同的压裂措施。将该方法应用到玛湖地区三叠系百口泉组储层的压裂工程中,提高了该区域的压裂成功率。     

川西新场构造地应力分布规律研究及其应用

在充分利用现场加砂压裂、测试压裂数据的基础上，精确求取了新场构造不同层位的最小地应力值，并将该最小地应力与压裂测试同期地层压力建立联系，研究发现该区最小地应力与对应地层压力之差值与垂直深度呈线性关系，且相关性极高。该公式的提出解决了新场构造须家河组压裂资料少、裂缝闭合压力求取难的问题，为钻井、固井、压裂施工提供了科学指导；该区须家河组应力绝大部分处于走滑应力状态，最小地应力为最小水平应力；针对须家河组钻井诱导张性裂缝发育的现象，还推导了水平最大地应力的计算公式，并应用到几口重点深井的地应力场求解中，为须家河组天然裂缝渗透性分析提供了准确的地应力模型。     

基于离散元方法的煤层压裂裂缝模拟研究

我国煤层气资源丰富,但由于煤层气赋存与产出机理独特,要实现煤层气的工业开发必须采取有效的增产措施,水力压裂是众多增产措施中使用比较多的煤层气开发技术。裂缝延伸状态是水力压裂的关键,国内外学者采用多种数值方法开展裂缝性储层裂缝延伸的模拟研究,但由于煤岩中割理比较发育、非连续特征比较明显,采用常规的有限元、有限差分、边界元等方法模拟时与实际情况存在偏差。为此,考虑离散元方法模拟的优势,根据离散元原理开展了煤岩水力压裂裂缝扩展的数值模拟。模拟结果表明,煤岩压裂后产生了多裂缝,主要集中在近井筒附近。随着压裂液排量的增加,裂缝宽度也不断增加,压力的波及范围和裂缝扩展范围也增大。当水力裂缝遭遇割理时,水力裂缝容易被割理抑制造成裂缝发生转向。而转向压力高于裂缝延伸压力下,致使水力裂缝在另一侧延伸,形成非对称裂缝;随着压裂液黏度的增加,注入压力、裂缝宽度明显增加;随着压裂液黏度的增加,裂缝延伸的长度增加,分支裂缝张开的长度和张开的数量明显减小;随着水平最大最小应力比的增加,水力裂缝在最大水平主应力方向延伸长度增加,在最小水平主应力方向出现减小的趋势。说明在高应力比下,不利于割理的张开与多裂缝的产生,而更有利于形成对称双翼对称裂缝。     

重复压裂前的地应力场分析

重复压裂是低渗透油藏增产稳产的重要措施之一,井眼周围和初次压裂裂缝附近的应力场分布对重复压裂裂缝的起裂和延伸有重要的影响。运用弹性力学和流固耦合理论,建立了原始地应力作用下的垂直井围岩应力、初次压裂裂缝诱导应力和孔隙压力诱导应力计算模型,实现了对重复压裂前井眼和裂缝附近地应力的定量研究;通过计算,得出了应力场和孔隙压力随空间和时间的变化特征。研究认为:孔隙压力变化和初次压裂裂缝在2个水平主应力方向产生的诱导应力,将改变初次压裂后井周的应力分布,并可能引起2个水平主应力的重定向;2个水平主应力的初始差值是决定应力是否发生重定向以及应力反转发生时间的关键因素。     

水力压裂裂缝高度控制分析

本采用正交分析方法，通过对裂缝三维延伸的模拟计算，较为全面地分析了地层参数、施工参数和压裂液性能对裂缝延伸影响的主次关系。并认为：合理调整压裂液性能。并结合适当的工艺措施，可以有效控制水力压裂裂缝高度延伸。     

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随着油气藏压裂技术的发展，压后评估技术越来越受到广泛重视。压裂压力递减资料分析是评价压裂裂缝形态、获取压裂设计重要参数的常用手段。对于压裂规模较大、施工排量较高的压裂井或上、下隔层较为薄弱的压裂井，采用二维或拟三维模型分析结果与实际情况偏差很大。章推导建立了一套用于分析压裂压力递减资料的三维模型，模型综合考虑了压裂液续流对裂缝继续延伸的影响，提出了以压力平方差获取拟合压力，应用该模型和此拟合压力可以有效分析计算压后裂缝长度、宽度、高度、闭合时间、停泵后裂缝延伸时间、延伸长度、施工结束时压裂液效率、压裂液滤失系数和地层应力强度因子等参数。计算实你说明了三维模型和数学拟合方法有较高的适用性和可靠性。     

胶结型天然裂缝对水力压裂裂缝延伸规律的影响

为确定致密砂岩储集层中天然裂缝在水力压裂裂缝网络形成中的作用,采用渗流-应力-损伤耦合方法建立数值模型,并运用Monte-Carlo模拟方法,在数值模型中生成裂隙网络模型,研究天然裂缝方向、天然裂缝强度、水平主应力差、压裂液注入速率以及压裂液黏度对水力压裂裂缝延伸规律的影响。结果表明,天然裂缝与最大水平主应力夹角为30°~60°时,形成的水力压裂裂缝最为复杂。天然裂缝强度增大不利于分支裂缝和转向裂缝的产生,低水平主应力差条件下,天然裂缝展布方向主导水力压裂裂缝的延伸;在高水平主应力差条件下,应力主导裂缝网络的延伸;当水平主应力差为3.0~4.5 MPa时,水力压裂裂缝复杂程度最高,延伸范围最大。增大压裂液注入速率,会促进复杂水力压裂裂缝网络的形成;适当提高压裂液黏度,可以促进裂缝的扩展,但是当黏度过高时,裂缝仅在射孔周围有限范围内形成复杂裂缝网络。