水力压裂中裂缝及近缝地层温度计算模型的改进与应用

依据拟三维水力压裂模型,改进了拟三维裂缝及近缝地层温度场计算模型及其解法。在该模型中,考虑了压裂液综合滤失系数和压裂液流变性的粘温关系。计算结果表明,缝内液体与岩石壁面之间存在温度梯度;缝口液体温度接近井底温度,缝端液体温度接近地层温度;近缝地层边界等温线呈椭圆形,其它等温线近似为平行四边形：     

三维水力压裂裂中的温度场模型

水力压裂过程中，裂缝中的温度将随时间和位置发生变化，因此压裂液的流变性也将随时间和位置变化，为提高压裂设计的可靠性和合理性，需要计算不同时间裂缝中流体的温度分布。根据滤失和非滤失裂缝面上的热流密度函数，利用热能平衡方程推导出裂缝三维延伸时缝中流体的温度场模型，该模型较为简便，且具有较强的实用性。     

压裂施工闭合过程压裂液滤失分析

基于压开裂缝闭合过程中压裂液向储层中渗流的物理过程分析，建立了裂缝闭合过程中压裂液滤失量的数值计算方法。考虑了闭合过程中压裂液与岩石之间的热交换，通过建立水力裂缝温度场的计算模型，求出了闭合过程中温度场的变化，结合温度对压裂液流变性能影响的实验数据，给出了用有限差分方法求解的算法，实现了对压裂液滤失量的计算。从而为用数值模拟的方法研究垂直裂缝井闭合过程的压裂压力分析提供了理论依据。     

天然裂缝性地层水力裂缝延伸物理模拟研究

为了研究天然裂缝性地层中天然裂缝网络对水力裂缝延伸的影响规律，采用室内大型试验模拟装置进行了物理模拟。根据实际地层条件和施工参数确定试件参数和试验条件，并采用高温加热自然空气冷却的方法使试件中产生随机裂缝。研究发现，天然裂缝显著影响水力裂缝的延伸，天然裂缝性地层中水力裂缝的延伸具有一定的随机性。裂缝性地层中的水力裂缝是由少数几条尺寸较大的主裂缝和大量尺寸较小的次裂缝组成的系统。压力曲线随时间波动幅度大，在实际压裂施工中表现为压裂液的大量滤失，容易造成过早砂堵，推荐采用高黏度压裂液。     

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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本文应用流体力学、渗流力学、输砂力学和流体热力学等理论,通过分析混砂液在裂缝中的流动运移规律,建立了预测水力压裂造缝大小的数值模型及方法和液体渗滤模型,建立了一套压裂裂缝中的速度场、压力场和温度场(包括井筒温度场)以及混砂液在裂缝中运移分布的数值计算模型和方法,并通过实例计算验证其实用性。     

高渗松软地层水力压裂缝宽预测新模型

对高渗透松软地层进行水力压裂施工时，由于地层胶结程度差，强度低，压裂液对弱胶结裂缝壁面的切向应力就会破坏裂缝壁面的稳定性，使附着在裂缝壁面上的砂粒由静止变为运动，并随压裂液的注入而向缝端后移，形成冲刷裂缝；同时，砂粒在水力冲刷作用下的后移有利于“端部脱砂”产生，而“端部脱砂”的形成又加剧了水力冲刷作用强度，这种相互作用控制着缝宽的大小，影响着“端部脱砂”压裂施工的成败，因而具有很强的研究价值。现有的缝宽模型都以弹性理论为基础，并没有考虑该水力冲刷现象，因而不能准确地预测缝宽，文中综合考虑岩石力学、流体力学、压裂液性质以及压裂施工等理论，对该冲刷缝形成机理进行了分析，建立了一种新的针对垂直裂缝的水力冲刷缝宽预测模型，并编制了相应的计算程序，最后根据一些实际参数对该模型进行了分析验证。     

水力裂缝层内爆燃油井产能评价与分析

根据温度场、电压场和渗流压力场的相似性,利用ANSYS热稳态模型和建立的电模拟实验装置,研究水力裂缝和爆燃裂缝参数对油藏渗流场和油井产能的影响,并与水力裂缝层内爆燃油井产能数学模型的计算结果进行了对比。研究结果表明,水力裂缝和爆燃裂缝的存在,改善了流体在地层中的渗流状况,有利于油井产能的提高;实验测试结果与数学模型预测结果的平均相对误差为4．06％;ANSYS数值模拟计算结果与数学模型预测结果的平均相对偏差为2．33％;为水力裂缝层内爆燃技术的水力裂缝和爆燃裂缝参数设计提供依据。     

最小主应力对水力压裂设计的影响

以一组实际数据为基础，应用全三维水力裂缝模拟软件研究了最小主应力纵向剖面对水力裂缝的高度、长度、施工压力、压裂液及支撑剂等施工材料优选等方面的影响。提出了具有实际意义的观点，对水力压裂的设计及其施工，具有一定的意义。     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律，可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑，进而提升压裂改造效果。为此，通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果，归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点，总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明：①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征，是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段，但现有的实验仪器还有改进和完善的空间；②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充，其中计算流体动力学—颗粒元（CFD-DEM）法能够更真实地模拟支撑剂运移情况，是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一；③对于单簇射孔，支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝；④对于分簇射孔，支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝，并且在压裂液黏度较低时，支撑剂容易进入跟端射孔簇，而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性；⑤对于单一平面裂缝，压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支撑剂运移与展布特征的重要因素；⑥较之于单一平面裂缝，复杂压裂裂缝的形态和次级裂缝角度对支撑剂运移与展布的影响更加复杂，需要开展针对性研究。     

非均质碳酸盐岩油气藏酸压数值模拟研究进展与展望

要实现深层、超深层海相碳酸盐岩油气藏的高效开发,亟需相关酸化压裂技术理论的突破与创新。为了指导多种酸压工艺的现场实践,通过系统梳理和总结酸压数值模拟技术的已有研究成果,结合目前深层、超深层海相碳酸盐岩油气藏酸压工程的技术需求,探索研究了当前酸压数值模拟面临的新挑战和需要突破的方向。研究结果表明:①酸压三维数值模拟基于解耦思想,将酸压模型分为水力裂缝初始形态构建、酸刻蚀模拟及导流能力计算等3个模块,其中酸刻蚀模拟模块是酸压数值模拟的核心;②地质统计学参数方法在水力裂缝初始形态建模中的应用已较为成熟,酸刻蚀模拟通过N-S方程组、酸平衡方程、酸液滤失模型及酸岩反应溶蚀力方程耦合求解,已初步实现了精细化和油藏工程尺度的模拟,酸蚀裂缝导流能力的计算主要基于局部立方定律进行求解,并考虑了多重因素对导流能力的影响。结论认为,酸压数值模拟面临的新挑战包括酸液在复杂流动介质中的多场耦合高效计算、酸刻蚀过程的精细模拟、酸蚀裂缝导流能力的准确计算以及酸压数值模拟与酸压工程应用的匹配;需要突破的方向是实现多场、多尺度的酸压数值模拟。     

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对高温油气层实施酸压时，由于酸岩反应速度过快，酸蚀裂缝长度有限，往往导致酸压效果不理想。文章提出了一种新型的酸压工艺技术——固体酸酸压工艺技术，其基本原理是将常规酸固化成颗粒，然后用非反应流体压开裂缝并将固体酸携带入裂缝中预定位置；并根据所设计裂缝的长度和导流能力确定布酸方式，最后注入释放液，使固体酸释放出酸并与岩石作用，从而实现对裂缝壁面的刻蚀并实现深部改造。借鉴水力压裂模拟思想，应用流体力学、线弹性断裂力学、渗流力学和输砂力学等理论，建立了一套包括裂缝拟三维延伸、固体酸的运移/沉降、酸岩反应和酸蚀裂缝参数模拟等模型在内的固体酸酸压优化设计计算模型和求解方法，模型能够较好地模拟裂缝延伸规律、固体酸在裂缝中分布和相关敏感性参数对酸压的影响。该技术具有较好应用前景，将较好地解决高温油气层酸压酸蚀裂缝长度受限的技术难题。     

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。     

川西地区压裂施工过程中管柱摩阻计算

以降阻比法为基础,分别对有机硼交联(HPG)压裂液的前置液、携砂液的沿程管柱摩阻计算方法进行分析,结合川西地区部分井压裂施工现场的施工数据,对管柱摩阻计算公式进行修正改进后,提高了压裂施工设计和数值模拟中摩阻参数计算的准确性;同时用计算机程序实现了施工过程管柱沿程摩阻的计算,可用于模拟压裂施工全过程的摩阻计算.对四川川西地区以油管方式注入井的水力压裂施工设计及现场施工过程中井底压力的分析具有重要意义.     

泡沫压裂液在三维缝中流动数值模拟

在分析泡沫压裂液流动特性以及流体重力、地应力梯度、地应力差等因素对裂缝延伸综合影响的基础上,建立了泡沫压裂液在缝中流动的裂缝三维延伸数学模型和泡沫压裂液的温度、压力、流量及泡沫质量分布数学模型,并给出了计算方法．计算表明,所提出的求解方法能较好地模拟泡沫液在缝中的流动,可用于现场泡沫压裂施工设计。     

相变自生固相压裂液及施工工艺优化

常规水力压裂存在摩阻高、易砂堵、设备磨蚀、残渣伤害等难以避免的问题。针对上述问题,提出一种全新的相变自生固相压裂技术,即：向地层中注入由相变压裂液、非相变压裂液组成的自生固相压裂液体系。在地层温度条件下,相变压裂液通过相变由液态转变为固态,代替陶粒、石英砂等支撑剂,非相变压裂液占据的空间在其返排后形成具有高导流能力的流动通道。压裂液体系在水力裂缝内的流动形态、铺置长度、填充率受注入工艺影响较大,研究不同工艺下的自生固相压裂液体系流动形态、铺置长度、填充率,对提高该技术成功率具有重要意义。文章建立了一套自生固相压裂液体系流动分布数学模型,模拟不同工艺下的流动形态、铺置长度、填充率,模拟结果表明：相变压裂液形成的固体支撑剂能够有效支撑裂缝;随着注入液量的增加,相变压裂液前缘距离井眼越远;冻胶可以降低滤失量,形成更长的铺置长度和更高的填充率;顶替液不能过量,防止形成饺子状裂缝。     

四川省宜宾地区龙马溪组页岩水力裂缝形态实验研究

水力压裂技术是页岩储层开发中的关键技术之一,如何实现储层改造体积的最大化,是制约当前页岩储层高效开发的技术难题。通过开展水力压裂物理模拟实验,直接观察水力压裂裂缝扩展形态,有助于准确认识裂缝扩展机理。通过对762mm×762mm×914mm四川盆地龙马溪组页岩露头和人工样品开展针对性实验研究,分别考察了天然裂缝,泵注参数(排量、黏度)对该龙马溪组页岩水力压裂裂缝形态的影响,同时采用声发射监测技术,对页岩储层声发射事件分布规律进行分析。结果表明,天然裂缝的存在是实现储层复杂裂缝形态的必要条件之一,其分布形态又决定了水力裂缝形态的复杂程度;对水力裂缝形态的评估需要将施工净压力、排量、黏度三者结合考虑,提高施工净压力有利于形成复杂裂缝,随着施工排量或黏度的增长,净压力呈现先增大后减小的规律,即当排量或黏度过高时,裂缝形态又趋于单一化;声发射监测结果能够客观反映裂缝在三维空间内的扩展趋势,声发射率和振幅与泵注压力曲线趋势一致,出现多个峰值,表明页岩水力裂缝扩展具有明显的非连续特征。本工作为页岩压裂机理研究探索了实验方法,为该区块现场体积压裂工艺设计、改造后评估提供实验依据。     

提高深层页岩裂缝扩展复杂程度的工艺参数优化

埋深大于3 500 m的深层页岩储层具有高水平主应力差、发育层理裂缝、低脆性指数等特点,在压裂改造时难以形成复杂裂缝。为了充分认识其水力裂缝扩展规律,采用三维离散格子方法对四川盆地下志留统龙马溪组深层层理性页岩12 MPa水平主应力差下的真三轴压裂物理模拟实验结果开展了离散元数值模拟分析,其结果与发育单一层理的页岩露头室内压裂物理模拟的裂缝扩展规律相吻合;进而对发育多层理的深层页岩储层开展排量、压裂液黏度、层理强度和压裂液交替注入等影响下的裂缝扩展规律数值模拟。研究结果表明:①高排量注入和提高压裂液黏度能够增强深层页岩储层裂缝深穿透改造能力,当排量达到90 mL/min或压裂液黏度达到60 mPa·s时,水力裂缝可连续穿过4条层理并贯穿整个试样;②在高水平主应力差下,低黏度压裂液倾向于激活水平层理,而高黏度压裂液则倾向于直接穿过层理形成垂直主缝。结论认为:①采用前置高黏度/后置低黏度压裂液交替注入压裂工艺可以最大限度地提高深层页岩储层压裂裂缝复杂程度;②当井筒附近存在薄弱层理时,应及时调整压裂工艺和压裂参数,比如尽可能地增加施工排量、采用瓜胶压裂液等,以使水力裂缝突破近井薄弱层理抑制进而实现深穿透改造。