裂缝扩展注水技术中的裂缝扩展规律研究

低渗透油藏开发主要面临注水困难的问题,而裂缝扩展注水技术是提高低渗透油藏注水能力的有效技术。基于微可压缩流体假设和Griffith理论,分析了裂缝扩展注水机理,建立了裂缝扩展注水的扩展周期模型和裂缝半缝长扩展增量模型,讨论了注水量、滤失系数等参数对裂缝扩展规律的影响。结果表明:在裂缝扩展过程中,缝内压力呈不规则的周期性变化,随着注水量的增加,压力上升的速度越来越快;注水量越高,裂缝越容易扩展;随着注水时间增加,初始滤失系数越小裂缝越容易扩展;滤失系数减小越快,裂缝扩展越快,半缝长增量越小。      

水力裂缝在地层界面的扩展行为

采用岩石断裂力学的方法,分析了水力裂缝与地层界面相交时水力裂缝沿其高度方向可能发生的3种扩展行为:1裂缝停止扩展;2裂缝沿地层界面转向扩展;3裂缝直接穿过地层界面进入隔层内,并给出各种行为发生的判断准则。该模型中考虑了分层地应力、分层岩石力学参数、地层界面效应、储层厚度及施工参数的影响。研究表明,对于水力裂缝与地层界面相交后停止扩展的情况,裂缝存在一个临界长度。裂缝超过临界长度后,将沿地层界面转向扩展或穿过地层界面进入隔层内。得出临界裂缝长度的计算方法。对于水力裂缝与地层界面相交后穿过地层界面进入隔层内的情况,分段计算应力强度因子并将其叠加,给出了裂缝在隔层中延伸距离的计算方法及验证实例。     

页岩储层复杂裂缝扩展研究

页岩储层孔隙度和渗透率低,岩石脆性大,天然裂缝发育。大规模水力压裂过程中,页岩储层易发生张性破坏和剪切破坏相结合的复合破坏,形成复杂网状裂缝,而网状裂缝的展布形态关系到页岩压裂方案的设计和压后产能的评估。针对页岩储层网状裂缝扩展问题,基于流-固耦合方程和损伤力学原理,建立了二维网状裂缝扩展有限元模型。综合研究认为:水平主应力差增大,压裂裂缝分布长度增加,分布宽度降低,长宽比增大;压裂施工排量降低,压裂裂缝复杂程度降低,压裂裂缝分支数减少,分布长度增加,分布宽度降低,长宽比增大;水平井"多段分簇"压裂可能出现多裂缝干扰问题,部分压裂裂缝在延伸过程中止裂或者沟通两端射孔簇的压裂裂缝;水平井"多段分簇"压裂过程中,各个射孔簇形成的压裂裂缝分支长度差别较大,部分裂缝分支长度明显大于其他裂缝分支。     

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。     

煤系页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

深部煤系页岩储层纵向上连续发育多套产层,由于对裂缝扩展形态认识不清,缝高延伸距离短,一体化水力压裂作业无法沟通不同产层.为了提升水力裂缝纵向延伸能力,基于有限元计算平台,采用最大主应力起裂准则,考虑压裂液沿裂缝面横向和纵向流动规律,建立了煤系页岩层状储层水力裂缝三维穿层扩展模型,并研究了层间渗透率差异、主应力条件及岩性...     

致密油水平井多簇裂缝扩展数值模拟研究

大庆油田致密油水平井近年来主要采用密切割布缝进行压裂改造,多簇裂缝扩展将产生诱导应力,从而导致各簇裂缝延伸均匀程度不一致。为此,采用有限元软件ABAQUS 建立了大庆油田致密油水平井多簇裂缝扩展数值模型,采用扩展有限元（XFEM）模拟方法,研究了2 个布缝参数（簇距、段内簇数）、3 个压裂施工参数（压裂工艺、施工排量及液体黏度）对裂缝扩展的影响。同时对比分析模拟结果与矿场实际光纤测试的各簇产能贡献结果,发现模拟的各簇裂缝长度与各簇的产油贡献具有很好的一致性,证实了模拟结果的正确性。模拟结果表明：当簇距缩小至5 m时,各簇应力干扰明显,不利于裂缝扩展,当簇距达到10 m及以上时,平均单簇裂缝半长变化不明显,合理簇距约为10 m。平均单簇裂缝半长随段内簇数的增加呈增大趋势,但非均匀延伸程度也随之增大;与桥塞段内多簇同时改造相比,连续油管单簇依次改造模式更有利于裂缝延伸;平均单簇裂缝半长随施工排量的升高呈增大趋势,提高施工排量还能促进裂缝均匀延伸。平均单簇裂缝半长随液体黏度的升高呈增大趋势,可适当提高高黏液体比例。     

煤层气藏水力裂缝扩展规律

由于水力压裂改造措施是煤层气藏增产的主要手段,故研究水力裂缝在煤层的扩展规律是高效开发煤层气的重要内容。煤层强度低且天然裂缝发育,其水力裂缝的扩展不同于常规天然气储层,为此应用损伤力学的方法研究了在流、固、热共同作用下的裂缝扩展规律。研究结果表明：与天然裂缝相遇后,水力裂缝会发生迂曲转向,部分水力载荷将消耗在非主裂缝的路径上,但迂曲一段距离之后,主裂缝仍会沿着平行于最大水平主应力方向延伸;主裂缝发生迂曲转向的临界条件随着天然裂缝数量、天然裂缝与最大水平主应力方向的夹角以及天然裂缝长度的不同而发生改变。该研究成果对煤层气藏进行水力压裂具有指导作用。     

水平井压裂过程中固井界面裂缝的扩展规律北大核心

页岩气水平井压裂过程中,高压流体的注入可能会引起压裂液沿水泥环一、二界面的窜流,对页岩气井井筒完整性提出了严峻挑战。基于CZM模型建立了定注入压力下水泥环一、二界面裂缝扩展模型,分析了水泥环、地层力学参数对固井界面裂缝扩展的影响规律。研究结果表明:提高固井二界面的胶结强度能同时抑制一、二界面的裂缝扩展;水泥环弹性模量由4 GPa增加至9 GPa,一、二界面扩展长度分别降低10 m、19 m,当弹性模量超过6 GPa时,其对二界面的影响减弱,泊松比由0.2增加至0.3,一、二界面裂缝长度分别降低10 m、1 m,表明泊松比主要会对一界面的裂缝扩展有所影响;地层弹性量从25 GPa增加到35 GPa,一、二界面裂缝长度分别增加3 m、9 m,表明弹性模量较低的地层有助于控制界面裂缝扩展。研究结果对水平井压裂过程中水泥环密封完整性的评价以及水泥浆体系的优选具有一定的指导意义。     

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。     

多裂缝煤岩储层水力压裂裂缝动态扩展研究

考虑多裂缝煤岩储层裂缝发育特性,基于简化的N-S方程和连续性方程建立了水力压裂裂缝尖端动态扩展模型。采用坐标变换的方法简化缝内流体连续性方程,计算得到多裂缝煤岩储层任意时刻压裂液的滤失速度。应用3D-CBMulti-Fracture软件,对山西某区块WS-10煤层气井水力压裂主裂缝及次生裂缝动态扩展过程进行研究。研究结果表明,当携砂液注入次生裂缝时间超过5 min后,压裂液滤失速度出现波动,随着裂缝尖端砂堵区渗透率增大,压裂液滤失系数增大;当次生裂缝砂堵区渗透率较小时,裂缝尖端变得短而粗,携砂液进入次生裂缝10 min后,裂缝最大宽度增加了2.2倍;增大裂缝尖端砂堵区渗透率,裂缝长宽比变化均匀,裂缝截面形状不会发生突变;当裂缝尖端砂堵区渗透率为0时,水力裂缝动态扩展体积误差为5%~25%。     

深水动态压井钻井井筒压力模拟

动态压井钻井技术可有效解决深水表层钻井过程中出现的溢流或井漏、井塌等井下复杂事故。为研究深水表层动态压井钻井过程中的压力变化特征,结合动态压井钻井基本原理,建立了动态压井钻井井筒物理模型,通过设定海水和加重钻井液的初始排量、排量随时间的变化率,推导出了变排量、变密度模式下的动态压井钻井井筒压力数学模型。根据墨西哥湾深水钻井实例数据,计算分析了动态压井钻井过程中环空密度、环空压力、环空压耗以及井底压力随时间的变化关系。结果表明,动态压井钻井技术的关键在于通过实时调整海水排量、加重钻井液排量控制混浆密度,进而控制环空液柱压力,达到深水表层安全钻井的目的;机械钻速是影响井底压力的重要因素,机械钻速越大,由岩屑产生的附加密度越大,井底压力越大。     

深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用

深水地层上覆岩层压力低,井眼破裂压力低,安全钻井液密度窗口窄,易发生井壁失稳,因此,准确评估安全钻井液密度窗口对深水钻井十分必要。深水地层井壁稳定性研究难点在于准确评估上覆岩层压力与建立浅层井眼坍塌压力和破裂压力计算模型,针对国外现有模型中对深水地层密度评估存在偏差的问题,从深水地层特性出发,认为深水浅层和深层处于不同的成岩阶段,应采用不同的模型进行密度评估;针对深、浅层井周应力状态的差异,分别对深水浅层和深水深层的井壁稳定性进行研究,得出了安全钻井液密度窗口计算的分段模型。利用该模型对南海某深水气田的安全钻井液密度窗口进行了评估,评估结果与实钻情况吻合,表明该模型准确、可靠,为深水钻井液密度设计提供了重要依据。     

BZ13-1油田井壁稳定性研究及应用

位于渤海中部海域的BZ13-1油田在前期钻井中存在溢流、井漏、阻卡等较多复杂问题,制约了钻井速度。井壁稳定的力学分析方法主要利用钻井资料、测井资料、录井资料等,分析地层压力、地应力、地层强度参数的分布规律,结合岩体强度准则计算坍塌压力与破裂压力,得出钻井安全密度窗口。通过对BZ13-1油田井壁稳定性进行分析,得出了高压层、易漏失层、易坍塌层位置,并据此对开发井进行井身结构设计,分析结果在开发井钻井中取得了良好的应用效果,有效减少了钻井复杂问题。     

井眼间隙对下部钻具组合横向振动的影响

将下部钻具组合看成钻头处铰支的细长梁，同时考虑井眼间隙与钻压波动对下部钻具组合的作用，应用有限单元法建立下部钻具组合的动力学基本方程，采用数值模拟的方法得到下部钻具组合动态响应，并进行频谱分析。对不同井眼间隙时的下部钻具组合的横向振动数值模拟结果表明，振动幅值随稳定器与井壁之间间隙增大而增大。并且可能存在稳定器与井壁之间的间隙的临界值，当达到该临界值时，钻具组合的振动剧烈。     

塔河凝析气井井筒积液判断标准

由于凝析气藏流体性质的特殊性,反凝析和气液分离常常造成井筒积液,严重影响气井产能。利用塔河凝析气井井筒积液前后的生产动态变化,求出了判断气井是否积液的临界动能因子,由此进一步计算出了各区块井的临界流量,并与李闽公式计算的结果和现场实际进行了对比,在此基础上结合实测流压梯度曲线,提出了塔河凝析气井井筒积液的判断标准。     

动能因子在苏里格气井积液时机判断中的应用

气井积液会不同程度地降低气井产能,严重制约气井稳产能力,极大地妨碍气井正常生产.因此及时判识出气井积液,力争在气井积液之前采用妥善的排水采气工艺,可显著减小和解除积液导致的严重后果.通过计算苏里格气井单井的动能因子,并与苏里格气田不同类型气井的临界携液流量进行比较,得到苏里格气田气井能连续携液时的动能因子的最小值,根据苏里格气田不同类型井临界携液流量及动能因子变化出现拐点处的气井日产气量互相验证,为判断气井积液时机提供有效参考依据.     

高温高压气井生产过程井筒温度场分析

高温高压气井在生产过程中受到地层高温流体的影响,井筒温度原有的平衡被打破,井筒温度重新分布会引起环空压力增高,威胁井筒安全服役和井筒的完整性。为了准确预测井筒温度,基于质量、动量、能量守恒、传热学、井筒传热理论,再考虑气体焦耳-汤姆逊效应、气体温度、压力、密度及物性参数的影响,建立井筒温度预测模型;将流体物性参数根据不同的温度压力分段计算,可提高模型计算的精确性。最后,通过实例计算分析了环境温度的影响因素。     

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。     

斜井套管射孔破裂压力及起裂位置研究

针对以往斜井压裂破裂压力计算中存在的问题,根据套管射孔斜井中钻井井眼与射孔孔眼相交处的应力状态,研究了射孔孔边切应力的计算方法,并分析了存在微环面时的两孔相交处的应力场、破裂压力及起裂方位的计算方法以及环空胶结严密时两孔相交处破裂压力的计算方法.利用空间几何知识,推导出了裂缝起裂平面与理想平面夹角及用于判断裂缝的转向程度的计算公式,并给出了计算实例.     

等壁厚螺杆钻具定子衬套变形规律研究

研究了静压和压差对等壁厚螺杆钻具定子橡胶衬套变形规律的影响,并与常规螺杆钻具定子衬套做了比较。分析结果表明,静压和压差作用对等壁厚定子衬套变形规律的影响与常规定子衬套相比有很大区别,如等壁厚定子衬套弧底位移最大,弧顶位移最小,与常规定子衬套相反;等壁厚定子衬套变形受内压作用影响比常规定子衬套小,且随着压力增加,等壁厚定子衬套内轮廓线各点法向位移增加较均匀;与常规定子衬套相比,等壁厚定子衬套具有更高的抗压能力和更好的密封性能。因此,采用等壁厚定子衬套可提高螺杆钻具的工作效率和延长其使用寿命。