清水压裂多场耦合下裂缝扩展规律数值模拟分析

利用室内实验测试研究层段页岩储层的物性参数、岩石力学参数和天然裂缝分布特征参数,建立了清水压裂过程中缺陷性岩体应力场—损伤场—渗流场耦合本构模型和破坏准则。通过Comsol软件进行有限元数值模拟,分析地层分别在拉伸和压剪应力下裂缝的扩展规律,天然裂缝系统开启时,页岩储层水力压裂可以形成人工裂缝网络。当水力裂缝扩展至天然裂缝时,裂缝的宽度有明显的增加,且水力裂缝方向发生改变,沿天然裂缝两翼的其中一翼扩展,另外的一翼并没有扩展。天然裂缝间存在着明显的互相干扰。多裂缝产生的过程是从多个小裂缝向少数大裂缝发展的过程,最终的裂缝条数取决于裂缝之间的连接性;地应力、天然裂缝、射孔井段、射孔方式、地层倾角、施工排量与液体黏度等,是影响多裂缝形成的主要因素。     

低渗透储层裂缝研究进展

储层裂缝对改善致密砂岩和碳酸盐岩等低渗透储层以及致密砾岩、火成岩、泥页岩等非常规低渗透储层的物性具有重要作用。通过总结近年来储层裂缝的相关研究进展,对储层裂缝的多种识别和预测方法进行了分析,并讨论了储层裂缝研究的几个关键问题。结果表明:储层裂缝的识别技术是点(岩芯、薄片)、线(测井)、面(相似地表露头区)、体(地震资料)和时间(生产动态资料)组成的多维综合体系;储层裂缝的定性预测主要是根据裂缝与构造部位和岩性之间的关系进行,定量预测方法包括井间直接插值法、曲率法、能量法与岩石破裂法(二元法)、地震法、分形分维法、构造应力场数值模拟法和多参数判据法等,每种预测方法各有其优势与不足,因此,需要综合多种方法才能实现储层裂缝的有效预测;储层裂缝研究的关键问题包括裂缝分布预测与精细表征、裂缝动态参数和裂缝三维地质建模等方面。最后,在油气田勘探开发中进行储层裂缝预测及建模等工作时,应以明确储层裂缝的成因、演化及主控因素为基础。     

页岩暂堵转向压裂水力裂缝扩展物模试验研究

暂堵转向压裂是提高页岩储层重复压裂缝网改造效果的重要手段，然而该压裂工艺对页岩水力裂缝扩展规律的影响机理尚不明确。因此，基于室内真三轴压裂物模试验，研究页岩暂堵转向压裂裂缝起裂与扩展规律，分析地应力及注入速率等因素对水力裂缝延伸行为的影响，并通过油藏改造面积(SRA)定量表征暂堵转向压裂缝网改造效果。结果表明，暂堵剂可有效封堵初始裂缝，憋压促使水力裂缝发生缝内转向或激活原生天然裂缝系统，提高页岩缝网复杂程度；根据最终水力裂缝形态展，可划分为4种基本类型，包括台阶状缝、激活天然弱面的横切缝、简单多裂缝以及复杂多裂缝网络；不同地应力差异条件下暂堵机理及裂缝延伸规律不同，当水平应力差小于12 MPa时，暂堵剂通过封堵近井筒初始张开的原生层理或天然裂缝，诱导产生与天然裂缝斜交的二次裂缝，当应力差高于15 MPa时，近井筒天然弱面难以激活，暂堵剂通过封堵垂直井筒的初始横切裂缝，诱发形成平行多横切裂缝；增大注液排量可以提高多裂缝形成几率及裂缝沟通面积。     

油层压裂模拟的损伤力学方法及数值应用实例

为了充分发挥油层改造的效力,采用塑性损伤有限单元法,模拟水力压裂产生裂纹的扩展和分布情况,并以此为依据,对某油田长度为400m的致密砂岩储层中一条水平井多段压裂的段间距设计进行优化选择,并使用标量损伤从数学上表达注水压裂在油层中产生微裂纹的体积密度.数值计算中采用固液耦合的三维有限元格式来模拟渗流与变形的耦合力学行为.为了对压裂区进行准确模拟,计算中采用了子模型技术.计算结果中给出了给定注水速率时相应的三维损伤演化,同时给出了损伤场、孔隙压力场和主应力场的分布.根据数值计算结果,推荐的段间距为80m,这样400m的水平井段应该采用6段压裂.     

油藏数值模拟在压裂先导试验参数优化中的应用

根据高尚堡深层高94断块油藏地质特征及开发要求,以高94断块注水井组为研究对象,采用数值模拟网格加密技术,对水力压裂裂缝长度和导流能力进行优化。优化结果显示注水井井排方向平行于裂缝方向最优,最佳水力裂缝半缝长65 m,最佳导流能力40μm^2·cm。现场应用取得了较好的开发效果,为高94断块及其他区块难采储量的有效开发提供了技术保证和借鉴。     

Effect of ground stress on hydraulic fracturing of methane well

Most of the coal reservoirs in China are of low-permeability, so hydraulic fracturing is widely used to improve the permeability in the extraction of gas by ground drilling. The ground stress around the well was analyzed by using theory of elasticity. The pressure when the well fractured is formulated and the effect of ground stress on pressure is discussed. The effect of ground-stress-differences on hydraulic fracturing was analyzed by using the numerical software RFPA2D-Flow in reference to the tectonic stress in Jincheng coal area. The results show that: 1) the position where initial fracture appears is random and fracture branches emerge when the fractures expand if ground stresses in any two directions within a horizontal plane are equal; 2) otherwise, the fractures expand in general along the direction of maximum ground stress and the critical pressure decreases with increasing ground-stress-differences and 3) the preferred well-disposition pattern is diamond shaped. The preferred well spacing is 250 m×300 m. This study can provide a reference for the design of wells.     

利用非线性渗流数值模拟技术对低渗透油藏井网进行优化

研究认为,低渗透油藏中流体主要呈非线性渗流流动.为了更准确地模拟这一过程,选用自研软件,低渗透油藏非线性渗流数值模拟一体化系统,对纯17块油藏的概念模型进行数值模拟计算.在利用该软件对不同井距的五点井网进行模拟计算时,采用水驱产能比这一指标进行对比分析,从而优选出合理井距.低渗透油藏生产井产能往往较低,需要进行生产井人工压裂.利用自研软件,对生产井人工压裂缝的导流能力和裂缝穿透率进行模拟计算,进而优选出合理的压裂缝导流能力和裂缝穿透率.     

主应力方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型实验方法和数值模拟方法探究了马蹄形隧道在不同方向主应力作用下围岩从初始损伤到完全破坏的全过程,归纳分析马蹄形隧道在不同方向主应力作用下的破坏规律。数值模拟方法采用最大拉应变准则,计算出隧道周边各点的相当应力,与模型实验结果吻合较好。结果表明,马蹄形隧道裂纹的产生和扩展大致沿主应力方向,马蹄形隧道围岩的破坏模式随主应力方向而改变。破坏应力的最大值出现在主应力与隧道成60°左右时,破坏应力的最小值则出现在主应力与隧道成45°左右和90°左右时,且45°左右方向的破坏应力与90°左右方向的破坏应力基本相同。     

砂岩储层裂缝在水力压裂作用下扩展准则及其应用

为研究不同储层裂缝方向以及井网布置下的油田合理注水压力,基于多孔介质力学以及断裂力学理论建立了含共线裂缝岩体储层裂缝的扩展模型,以及注水压力的计算模型。文章结合头台油田扶余储层参数探讨了储层裂缝方位,注采井方位以及裂缝距注水井距离对注水压力的影响规律。研究结果表明：在给定的注采井方位下,当裂缝与最大主应力方向平行时,注水压力最小,随着裂缝与最大主应力夹角的增大,注水压力也逐渐增大,当裂缝与最小主应力方向平行时压力最大;注水压力随注采井方位以及裂缝距注水井距离增大而增大。为避免油井出现暴性水淹以及提高油田采收率,针对扶余储层给出了一个合理的注水压力范围值。本文研究结果与实际工程测井数据较吻合,因此对同类油田开发具有指导意义。     

Weakening effects of hydraulic fracture in hard roof under the influence of stress arch

For the problem of hydraulic fracture propagation when weakening the hard roof in fully mechanized top-coal caving stope of ultra-thick coal seam, based on the stress arch theory and the fracture mechanics, a two-dimensional model for hydraulic fracture of the roof in the stope was established to investigate the propagation laws of hydraulic fracture. The result shows that, after mining, the principal stress direction of overlaying rock deflects to form the stress arch, whose arrow height and arch thickness increase with the increase of the mining width and the side pressure coefficient. Within the influence range of stress arch, the hydraulic fracture in hard roof deflects towards the stope direction in the course of propagation and forms the ‘‘arch" fracture, which cuts off the roof below the fracture in a laminated way. The deflection angle of hydraulic fracture increases with the increase of the mining width, but decreases with the increase of the side pressure coefficient and the fractured horizon. This research can provide theoretical basis for the application of hydraulic fracturing method in the stope roof weakening.     

叉状压裂多分支水平井电模拟实验

近年来, 多分支水平井在低渗透油气藏, 特别是开采页岩储层、 致密砂岩储层开发中起到越来越重要 的作用。为了进一步提高产量, 可对水平井采用水力压裂的方法使其产生裂缝从而增加油气产量。运用水电模拟 原理, 分别考察了裂缝长度、 渗透条件、 分支数量、 水平段裸眼及封闭条件等因素对产量的影响。结果表明, 裂缝存 在最优长度, 各分支水平井的产量不同, 在分支情况相同时裸眼完井与封闭完井的产量存在差异。     

丹江口库区初始地应力场的反演

根据丹江口库区的地质构造,考虑断裂破碎带和岩石力学参数随埋深变化,建立计算模型,反演分析了库区的初始地应力场,结果表明:1)库区地应力的临界深度在1km埋深附近;2)水平方向两个主应力,在埋深750m范围内X轴方向为主压应力,随埋深由13MPa增至23MPa,Y轴方向为主拉应力,随埋深由12MPa减至0,埋深750m以下两个坐标轴方向均为主压应力且随埋深增加;3)两个水平主应力差在埋深10km范围内随埋深基本呈线性增加,大约10km深处急剧减小,20km以外基本消失,岩体处于静水压力状态.     

页岩储层可压性评价关键指标体系

从美国的页岩压裂作业经验看,压裂后产能高的气井并非压裂过程复杂、破裂压力高的地层,而是可压裂性好的地层。借鉴美国典型页岩气田的成功压裂经验,从地质评价指标、页岩体积压裂评价指标和工程技术评价指标三方面探索国内页岩可压性评价体系,对页岩气储层的地质特点进行评价,确定总地质储量、地质"甜点"区、成熟度等;获得储层岩石的脆性参数、天然裂缝、地层倾角、地应力等数据,对储层形成体积裂缝的可行性进行评价;探讨压裂增产的方式、射孔方式、压裂液性能等工程技术指标。从中优选影响储层可压性的主导因素,挑选出最能直接反应页岩地质力学可压性的指标,建立一套适合国内复杂地质和工程条件下的页岩气储层可压裂性评价指标体系,为构建页岩可压性评价模型与风险控制方法提供参考指标。     

低渗透双重介质油藏试井解释模型

低渗透油藏不仅渗透率低,储层存在一定的应力敏感性,而且原油在地层中的流动不满足达西定律,其渗流必须克服一定的启动压力梯度才能流动.针对这些特点,引入渗透率模数表示介质变形对渗透率的影响,考虑原油的非达西流动,建立了低渗透双重介质油藏试井解释模型,采用数值方法进行求解,绘制压力和压力导数双对数曲线.结果表明:低渗透双重介质油藏的压力和压力导数双对数曲线不存在0.5水平直线段,而是呈现为上翘的曲线,并且对后期压力响应影响起主要作用的是裂缝的启动压力梯度和渗透率模数.     

Rock fracture under anti-plane shear (Mode III) loading

Anti-plane punch-through shear test and anti-plane four-point bending test are used to study the crack initiation and propagation under anti-plane shear (Mode III) loading. The tensile and shear stresses at the crack tip are calcualted by finite element method. The results show that under Mode III loading the maximum principal stress σ₁ at crack tip is smaller or a little larger than the maximum shear stress τ_max. Since the tensile strength of brittle rock is much lower than its shear strength, σ₁ is easy to reach its critical value before τ_max reaches its critical value and thus results in Mode I fracture. The fracture trajectory is helicoid and the normal direction of tangential plane with the fractured helicoid is along the predicted direction of the maximum principal stress at the notch tip. It is further proved that Mode I instead of Mode III fracture occurs in brittle rock under Mode III loading. The fracture mode depending on the fracture mechanism must be distinguished from the loading form. Foundation item: Project (50374073) supported by the National Natural Science Foundation of China; project (2002032256) supported by the Postdoctor Science Foundation of China     

水力压裂井井温资料在河南油田的应用

井温测试作为诊断水力压裂缝高最有效的一种手段,在全世界得到广泛应用,由于各地储层特征千差万别所以解释方法和应用范围也各不相同。本文根据河南油田压后井温曲线特征结合储层压力和测温时间,总结了判断裂缝高度的四种方法;用停泵后不同时间录取的温度,统计出停泵时目的层温度,为压裂液的优选提供了可靠的依据;用砂层厚度与隔层厚度交会的方法统计出了安棚油田能够有效阻挡人工裂缝延伸的最小纯泥岩隔层厚度,为压裂选层、压裂施工设计、压后效果分析提供了可靠的第一手资料。     

一种考虑滤失的水平裂缝延伸新模型

为满足工程设计的需要,以缝中流体单元的受力分析为基础,综合流体力学理论,弹性力学理论和物质平衡原理,重新建立了水平裂缝中压力分布,水平裂缝宽和水平裂缝延伸半径等数学模型以及用差分法离散后的数值模型,并用牛顿迭代方法进行数值求解。     

王庄地区郑4潜山油藏裂缝性储层描述

针对王庄地区郑4潜山裂缝性储层的特点,利用断裂增强滤波处理后的地震资料,提取了反映储层微裂缝的最优几何属性。曲率属性描述了微断裂体系的线状特征,最大曲率的方位角则代表了裂缝的方向,通过最大曲率属性的两个不同量得到裂缝密度和方向,从而刻画出裂缝空间的网状结构及其横向的连续性,成像裂缝性储层的三维的微断裂体系,结合已完钻井的生产资料,明确了该区裂缝的发育特征,为下一步部署井位进行剩余油挖潜,提高采收率提供了有力的科学依据。     

基于数字图像的微观尺度下方解石脉对页岩各向异性的影响

通过对牛蹄塘组页岩岩芯进行显微薄片观察和岩芯X射线全岩矿物衍射分析,并进行7组不同方位角下的直接拉伸数值试验.试验结果表明:方解石脉对页岩抗拉强度各向异性影响显著,随着方位角α的增大,抗拉强度逐渐递减,抗拉强度的方解石脉结构效应系数随方位角α的增大呈曲线型增长趋势,在α=90°达到最大,为0.127;不同角度下的页岩试...     

Simulation of crack coalescence mechanism underneath single and double disc cutters by higher order displacement discontinuity method

The present research is focused on the numerical crack coalescence analysis of the micro-cracks and cracks produced during the cutting action of TBM disc cutters. The linear elastic fracture mechanics(LEFM) concepts and the maximum tangential stress criterion are used to investigate the micro crack propagation and its direction underneath the excavating discs. A higher order displacement discontinuity method with quadratic displacement discontinuity elements is used to estimate the stress intensity factors near the crack tips. Rock cutting mechanisms under single and double type discs are simulated by the proposed numerical method.The main purposes of the present modeling are to simulate the chip formation process of indented rocks by single and double discs.The effects of specific disc parameters(except speed) on the thrust force Ft, the rolling force Fr, and the specific energy ES are investigated. It has been shown that the specific energy(energy required to cut through a unit volume of rock) of the double disc is less than that of the single disc. Crack propagation in rocks under disc cutters is numerically modeled and the optimum ratio of disc spacing S to penetration depth Pd(i.e. S/Pd ratio) of about 10 is obtained, which is in good agreement with the theoretical and experimental results cited in the literature.