页岩储集层水力裂缝网络扩展规模评价方法

基于裂缝性页岩水力压裂模拟实验,分析了页岩水力裂缝扩展规律,提出了裂缝扩展规模评价方法,并研究了地质及工程因素对裂缝扩展的影响。利用"裂缝沟通面积"作为水力压裂效果的评价指标,结合压裂模拟实验结果分析后发现:页岩水力压裂可产生复杂裂缝网络;脆性页岩地层地应力差越小、水力裂缝与层理面距离越短,裂缝沟通面积越大,水力裂缝遇到天然裂缝后越易发生滑移转向,压裂后裂缝形态越复杂;最大水平主应力方向与页岩的层理面方向正交或呈大角度、与开度较好的天然裂缝间的逼近角接近90°时,更易形成裂缝网络;脆性矿物含量高的页岩造缝能力更好;压裂液黏度较低、排量较大时,裂缝沟通面积较大,变排量压裂会增强水力裂缝沟通天然裂缝或层理的作用,开启更多的天然裂缝网络。图7表3参15     

页岩气储层水力压裂物理模拟试验研究

为了给彭水地区页岩气开发提供技术支持,进行了页岩储层水力压裂物理模拟试验研究,建立了一套页岩储层水力压裂大型物理模拟试验方法。利用声发射监测系统实时监测了页岩压裂裂缝的产生与扩展演化过程,观察了水力压裂裂缝形态,并探讨了压裂液黏度、地应力差异系数、压裂液泵注排量等因素对水力裂缝形态及其扩展的影响。试验结果表明,随着压裂液黏度降低、地应力差异系数减小,水力裂缝沿着天然裂缝方向延伸,将原有天然裂缝沟通并形成网络裂缝。根据泵压曲线变化结果,提出在实际压裂施工过程中采用变排量的方式提高压裂改造体积,这可为页岩气压裂优化设计提供依据。      

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统对页岩露头开展了水力压裂裂缝扩展模拟试验,并利用高能CT扫描观测压后岩心内部裂缝形态,研究了多种因素对页岩水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验条件下的研究结果表明：排量对裂缝复杂度的影响存在一定的范围;当水平地应力差小于9 MPa时,水力裂缝易沿天然裂缝转向,形成网状缝。随着应力差的增加,主裂缝（横切缝）的产生有利于沟通更多的天然裂缝,形成相对更复杂的裂缝;相同水平应力差条件下,水平应力差系数大于0.25时,有明显形成单一主裂缝的趋势;排量和压裂液黏度对水力裂缝几何形状的影响可用参数qμ表达,该值较低或较高都不利于缝网的产生;页岩层理的发育和胶结强度严重影响压裂缝网的复杂度。     

玛湖凹陷风城组页岩油藏水平井压裂裂缝扩展模拟

水力压裂是玛湖凹陷二叠系风城组页岩油藏有效的开发手段,但压裂裂缝扩展特征不明确。针对该区水平井压裂起裂难和加砂难的问题,亟需开展水力压裂模拟,明确天然裂缝、岩石力学性质和施工参数对压裂效果的影响。依据玛页1H井实际泵压、压裂液排量、加砂量等压裂施工参数,采用Abaqus软件和Petrel软件建立二维压裂裂缝扩展模型和三维水力压裂模型,开展压裂裂缝扩展数值模拟。结果表明,压裂改造效果与天然裂缝关系密切,天然裂缝发育处岩石抗拉强度越小,压裂裂缝越易被天然裂缝捕获;当压裂段内杨氏模量较大时,形成的压裂裂缝缝宽小,且多沿着天然裂缝走向扩展滑移,加砂难度大;当压裂段内杨氏模量较小时,形成的压裂裂缝缝宽较大,可直接穿过天然裂缝,加砂相对容易。     

深层缝洞型碳酸盐岩储层水力裂缝扩展机理研究

为了准确掌握深层缝洞型碳酸盐岩油藏压裂过程中水力裂缝的扩展规律,基于弹性力学、断裂力学和流–固耦合理论,建立了适用于缝洞型储层的水力裂缝扩展数学模型,采用数值模拟方法分析了水力裂缝扩展过程与缝洞体的相互作用规律,并对“沿缝找体”压裂技术的适用性进行了深入探讨。数值模拟结果表明：溶洞周围发育天然裂缝时,会影响缝洞体周围局部诱导应力场,使水力裂缝更容易沟通缝洞体;采用大排量注入低黏压裂液或中小排量注入高黏压裂液,仅能沟通与水力裂缝初始扩展方向夹角较小的溶洞,而对与水力裂缝初始扩展方向夹角较大的溶洞,则需考虑采用强制转向技术进行沟通。研究结果表明,基于井眼与缝洞体的配置关系,采用“沿缝找体”压裂技术可以实现直接沟通、定向沟通和沿缝沟通3种缝洞体沟通模式,显著扩大储量动用范围。     

页岩气藏网状裂缝系统的岩石断裂动力学

基于岩石断裂动力学理论,研究页岩气藏压裂网状裂缝的形成机理及天然闭合裂缝的激活机理。研究发现,水力裂缝在沟通天然裂缝后,需要在左右两端同时满足裂缝转向条件,才能形成复杂的网状裂缝,存在形成网状裂缝的最小排量(临界排量);临界排量随倾角增加而增加,倾角等于90°时,临界排量达最大值且为常数;倾角小于90°时,临界排量随裂缝与井筒夹角增加先减小后增加,垂直井筒方向的裂缝临界排量最小;天然裂缝长度越大、地层弹性模量越低需要的临界排量越高。天然裂缝面不吻合且缝面粗糙,水力裂缝开启天然裂缝后天然裂缝面上剪切应力释放使得缝面滑移,从而提高导流能力。裂缝倾角很大或很小时,对裂缝激活不利;30°～60°倾角裂缝激活效果最佳;弹性模量增加对裂缝滑移起抑制作用,泊松比变化对滑移量影响很小。     

压裂时天然裂缝对储层温度分布的影响

水力压裂中前置液除了具有造缝作用,在高温储层中还有不容忽视的降温作用,从而影响水力压裂开采的效果。为研究天然裂缝对前置液降温过程的影响,基于有限体积法模拟了裂缝储层水力压裂温度场,分析了天然裂缝对注液过程中裂缝温度场的影响,在此基础上探讨了天然裂缝参数对储层温度分布及前置液降温效率的影响规律。模拟结果表明：(1)其他条件相同时,天然裂缝的密度越大、缝宽越宽、与人工裂缝的夹角越小,改造时储层温度降低幅度越大,前置液降温效率越高,储层降温到相同温度时所需前置液用量更少;(2)天然裂缝密度对裂缝性储层温度场的影响最大,当裂缝密度为0.66条/m时前置液用量仅为0.16条/m时的三分之一。(3)对于深层裂缝性储层水力压裂可以考虑从降温的角度来优化前置液用量及排量,从而降低经济成本。     

不同压裂液类型对煤岩水力压裂的影响研究

通过水力裂缝改造煤层,沟通更多的天然裂缝系统,可达到促进排水降压采气的目的。而煤岩由于强吸附特征和天然裂缝系统异常发育的储层特点,从压裂的角度而言将带来两大难题：一是煤储层与水力裂缝本身的伤害问题;二是裂缝的有效造缝与延伸的难题。通过数值模拟方法,以不同液体类型的压裂特点为出发点,研究了不同伤害因素对压后产量的影响程度,以及对裂缝造缝与扩展的影响,为煤层水力压裂材料与技术提供了一个优选的理论依据。     

裂缝性储层中复杂压裂缝网形成过程的数值模拟

水力压裂技术是油气田增产的重要措施。页岩、砂岩等储层常发育不同程度的天然裂缝,在对裂缝性储层进行水力压裂改造过程中,储层中天然裂缝的存在对水力裂缝尤其是压裂缝网的形成及其发育程度具有十分重要的影响。基于有限元原理的岩石破裂过程分析系统的数值模拟,通过建立发育天然裂缝的二维平面应变模型,研究在储层水力压裂过程中,水力裂缝及复杂压裂缝网的形成过程,并对其影响因素进行分析,同时引入适合于储层复杂裂缝分形维数测定的统计方法——基于盒数法的网格覆盖法,对数值模拟的压裂效果进行评价。结果表明:天然裂缝的发育程度与压裂改造效果关系密切,水力裂缝遇天然裂缝发生分叉,并沿天然裂缝扩展滑移或直接穿过天然裂缝,形成复杂水力裂缝及复杂压裂缝网;天然裂缝发育密度越大,其迹长越长,水力裂缝的分形维数越大,对裂缝性储层改造效果越好。     

绒囊流体控制煤岩储层水力裂缝形态研究

煤岩储层水力裂缝易随割理和天然裂缝转向延伸,致使水力裂缝形态不规则且横向延伸较短。欲采用绒囊流体作为压裂液,在压裂过程中暂堵割理和天然裂缝,使压力向垂直于井筒的方向传递,从而形成规则长缝。室内测试绒囊压裂流体暂堵煤岩柱塞剖缝承压能力18 MPa,能够阻止裂缝向割理和天然裂缝方向偏转;绒囊压裂流体伤害煤基质渗透率恢复值86%,满足压后产气要求;φ0.9 mm陶粒在绒囊压裂流体中的沉降速率0.003 cm/s,满足携砂要求。X井压裂现场配制绒囊压裂流体520 m3,采用井筒加砂分隔的方式分层压裂山西组和太原组煤层。绒囊携砂液泵注过程中,施工压力稳定在14.64~15.99 MPa之间,表明水力裂缝延伸过程中未出现堵塞和转向。压后模拟发现,太原组缝长155.7 m,缝高41.3 m;山西组缝长163.9 m,缝高47.5 m。因此,绒囊流体能够作为压裂液形成规则长缝,解决了煤岩储层造缝不理想的难题。      

天然裂缝分布对水力裂缝扩展及近井筒孔隙压力的影响

页岩气储层发育大量天然裂缝,在水力裂缝扩展过程中,当遇到天然裂缝时,其扩展形式会发生改变,近井筒附近的孔隙压力也会发生一定的变化。文中通过结合现场蚂蚁体预测结果及微地震资料,建立多级压裂数值模型;采用Cohesive孔压单元分别模拟第1压裂段一侧、第1压裂段两侧、相邻压裂段对角侧以及相邻压裂段全局分布天然裂缝4种情况下的水力裂缝扩展规律,并分析了各情况下压裂后近井筒孔隙压力的变化情况;最后分析了压裂簇数、压裂液黏度和排量对孔隙压力的影响。研究结果表明：天然裂缝会促使水力裂缝的扩展发生转向,呈现非均匀扩展的现象,近井筒附近的孔隙压力扰动区也相应地呈现非对称性;当相邻压裂段全局分布天然裂缝时,水力裂缝和天然裂缝的沟通点会明显增多,且孔隙压力的扰动范围和扰动值也会明显增大;在天然裂缝发育段,增加压裂段内的压裂簇数以及适当降低压裂液黏度、排量可以在一定程度上降低孔隙压力的不均匀分布。该研究结果可以为页岩气水平井压裂施工作业提供一定的理论依据。     

基于停泵压力降落曲线分析的压后裂缝参数反演

在主压裂停泵压降分析中,目前没有任何模型可以定量地计算出包括天然裂缝在内的裂缝总面积。而在小型压裂和微注测试分析中,Liu-Economides模型已经可以对包括天然裂缝在内的裂缝系统进行模拟,并给出了所涉及到的相关参数的解析解,包括天然裂缝和水力裂缝的面积。借鉴Liu-Economides模型,提出了一套针对主压裂停泵后的压降分析方法,从而评价天然裂缝和水力裂缝参数。利用该方法在四川盆地某页岩气水平井F井的实际压裂施工中进行了压力分析与应用。结果表明:该F井的28段现场压裂数据中有15段由于压后停泵测压时间不足,没有出现特征线段,无法进行裂缝参数的计算。利用模型对13段有效数据进行裂缝参数分析,发现提高缝内净压力,页岩气储层压裂裂缝复杂性会显著增加。同时,由于天然裂缝开启比例的增加,主裂缝长度也会发生显著降低。研究可以为压裂施工现场压后效果的实时评价提供理论依据与技术支撑,从而提高后续压裂施工的针对性与有效性。     

页岩储层水力裂缝和天然裂缝交互规律

页岩储层的大量天然裂缝会在水力压裂中影响水力裂缝扩展路径,厘清二者交互规律对于明确储层裂缝扩展机制及优化裂缝网络具有指导意义。文中利用真实页岩岩心,在提前预置单一裂缝基础上,模拟水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝的交互行为;采用单一变量法,研究水力裂缝逼近角、注入孔深度、天然裂缝胶结强度、围压对二者交互行为的影响。结果表明：交互状况有水力裂缝打开天然裂缝、沿天然裂缝穿行一定距离后偏转、穿过天然裂缝3种,而打开时最大滑移量和最大滑移速率在所有交互结果中最高,偏转时次之,穿过时最小;相比张性起裂,裂缝剪切起裂下最大滑移速率较小,最大滑移量较大。逼近角大、注入孔深度小、天然裂缝胶结强度大、围压高均有利于水力裂缝均衡扩展;反之,则易沟通天然裂缝形成复杂缝网。该研究成果对改善裂缝网络形态及优化页岩储层压裂设计具有一定的借鉴意义。     

页岩气水平井缝网压裂施工压力曲线的诊断识别方法

受储层非均质性、天然裂缝发育和层理等的影响,页岩气水平井压裂时施工压力曲线形态复杂,所蕴含的大量信息难以被充分挖掘。为了准确表征水力压裂裂缝参数进而评价压裂效果,基于页岩气缝网压裂理论,采用套压、泵注排量、支撑剂浓度等实时数据,建立井底净压力折算模型,构建净压力斜率和净压力指数两个关键表征参数,动态划分净压力曲线阶段,用以描述压裂过程中不同裂缝延伸行为所对应的力学条件,识别出缝网延伸、裂缝延伸受阻、裂缝延伸正常、裂缝沿层理延伸、裂缝沿缝高延伸、液体快速滤失等6种裂缝延伸模式,综合形成了页岩气水平井缝网压裂施工压力曲线诊断识别方法。研究结果表明：(1)所形成的方法摒弃了常规储层压裂施工曲线诊断识别方法的不足,提出了缝网复杂指数这一新概念;(2)缝网复杂指数越大,代表缝网延伸和层理延伸的时间越长,储层改造效果越好;(3)以四川盆地东南缘地区页岩气井为研究对象开展应用,单井平均缝网复杂指数为0.3,与该区微地震监测结果吻合度较高,证实所形成的方法具有较高的可靠性。结论认为,该模型方法有助于提升页岩气储层压裂改造潜力和水平,对于完善页岩气储层缝网压裂压后评价技术、指导现场压裂施工实时动态调整具...     

安塞油田低渗透砂岩油藏重复压裂技术研究

初次水力压裂后产生的支撑裂缝周围会形成诱导应力场,进而改变原始地应力场,从而导致重复压裂的启裂改向,其延伸方向依然取决于地应力状态。通过改变围压条件进行的水力压裂模拟实验证实了重复压裂造新缝的可能性。安塞油田采用了重复压裂工艺,在老裂缝重张过程中加入暂堵剂进行封堵,形成高压环境,产生新裂缝并沟通部分天然微裂缝,随后加入支撑剂构建新的高导流裂缝体系,使泄油面积大大增加。现场试验的裂缝监测和效果分析资料证实产生了新裂缝。     

基于三维扫描技术的页岩暂堵压裂物理模拟实验

页岩水力裂缝扩展形态及表征方法是评价暂堵压裂效果的基础,常规裂缝形态监测手段(如示踪剂法、声发射法)难以准确反映水力裂缝的起裂与扩展规律。因此,文中结合三维扫描技术,开展真三轴暂堵压裂物理模拟实验,研究不同排量下页岩暂堵压裂水力裂缝的起裂与扩展规律;通过获取裂缝体积与面积等参数,定量表征页岩暂堵压裂的裂缝网络复杂程度,从而评价压裂改造效果。结果表明,暂堵剂可有效促进页岩水力裂缝转向、分叉,以及多裂缝的形成,水力裂缝面曲率变化反映不同注液阶段暂堵剂的累积作用效果。不同排量下,页岩暂堵压裂的裂缝形态和裂缝网络复杂程度不同:小排量条件下,暂堵剂封堵初次裂缝,形成平行于初次裂缝的简单缝;大排量条件下,暂堵剂封堵初次裂缝,形成平行于初次裂缝并伴随天然裂缝张开的复杂缝。现场可通过增大排量提高暂堵剂在裂缝中的运移距离和封堵程度,增加远端天然裂缝的激活概率。     

基于离散元数值法的页岩压裂复杂网络裂缝研究

页岩气藏天然裂缝发育,非均质性强,连续介质模型不能准确表征页岩储层特征。基于离散裂缝网络模型(DFN)和渗流-应力耦合数值算法,建立了水力压裂裂缝与天然裂缝相互作用的数值计算模型,利用该模型开展了相邻多裂缝间距、力学特性参数等对缝网扩展及连通性影响规律研究。结果表明,无论天然裂缝网络如何分布或者水力裂缝长短,次生人造水力裂缝的形成可稳定先压水力裂缝顶端天然裂缝的剪切破坏区域。水力裂缝尖端处的天然裂缝开度较大,裂缝间距越大,剪切破坏面积越大,缝距在一定范围内可实现远井带网缝贯通的可行性;内摩擦角对天然网络裂缝连通面积影响较大,较小的内摩擦角,易于形成复杂网络裂缝;不同天然裂缝倾角组合条件下复杂网络裂缝连通面积不同。研究结果可为页岩气井复杂网络裂缝形成预测提供理论依据。     

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。     

基于分形方法的水力压裂分支裂缝分布模拟

对水力压裂裂缝分布位置的准确描述是进行压裂设计及压裂效果评价的重要前提,而在人工裂缝分支的描述方面,尚未开展有关裂缝位置和形态等描述研究。运用分形L-系统建立树枝模型,建立岩石天然薄弱面分布规律的平面模拟描述方法。应用分形相似原理,将天然薄弱面分级,得出各级天然薄弱面剪切、张开判别条件和天然薄弱面起裂后裂缝内压裂液压降梯度。依据天然薄弱面分布模型及裂缝剪切、张性断裂准则,提出水力压裂分支裂缝分布模拟计算方法。计算结果表明,水力压裂分支裂缝数量与井壁处缝内净压力、储层最大与最小主应力差值密切相关。主裂缝附近存在较多分支裂缝,分支裂缝数量随井壁处缝内净压力增加而增多;储层最大与最小主应力差值越小,细小分支裂缝开启数量越多,裂缝沟通面积越大。运用该计算方法能够模拟具有分形特征的裂缝平面形态和开启状况,并为复杂裂缝形成机理分析提供依据。     

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。