非稳态渗流下砂砾岩水力裂缝扩展数值模拟

由于砾石的存在,砂砾岩储层水力压裂裂缝扩展机理不明确,裂缝形态难以控制。将砂砾岩储层中砾石表征为基质—交界面—砾石的复合结构,结合断裂力学与损伤力学的方法,建立了应力场与非稳定渗流场共同作用下砂砾岩储层水力裂缝扩展的数学模型并进行了求解,分析了主应力差、砾石粒径、砾石含量、排量等因素对裂缝扩展形态和岩体破裂压力的影响。研究结果表明:砂砾岩储层水力裂缝形态复杂,次生羽状裂缝发育;水力裂缝遇砾发生绕砾、穿砾与止裂现象,并以绕砾扩展为主;在研究范围内,水力裂缝长度随主应力差、砾石粒径、排量的增大而增大,随砾石含量的增大而减小;水力压裂过程中岩体的破裂压力与主应力差、砾石含量、排量成正比,与砾石粒径成反比。     

基于细观损伤多相耦合的砂砾岩水力压裂裂缝扩展数值模拟

低渗透砂砾岩油藏水力压裂裂缝扩展机理及其数值模拟研究,对该类储层压裂改造成功实施具有重要意义。将砂砾岩储层中砾石表征为基质- 交界面- 砾石的三模态结构,假定砾石分布与几何尺寸及储层物性满足随机分布,结合Moter-Carolo 方法,完成砂砾岩储层数学表征;考虑储层渗流场、应力场、水化膨胀湿度场的三相耦合特征,结合损伤力学、断裂力学等原理,利用细观损伤有限元的方法,建立了砂砾岩储层水力压裂裂缝扩展数学模型,并进行数值模拟研究。模拟分析了不同主应力差、基质- 砾石交界面强度、砾石强度情况下,水力裂缝遇砾石扩展情况,并最终实现砂砾岩储层水力裂缝动态扩展数值模拟。研究表明,水力裂缝遇砾发生绕砾、穿砾、止裂现象,并以绕砾扩展为主,且裂缝发生明显转向,存在羽状次生裂缝;裂缝转向程度和裂缝延伸长度与主应力差、砾石强度以及交界面强度有关,主要表现有:水平主应力差越小,水力裂缝遇砾转向越明显;基质- 砾石交界面强度增加,水力裂缝明显变短,并难以转向;随着砾石强度的增大,裂缝的转向程度增大。     

砂砾岩水力裂缝扩展规律初探

胜利油田砂砾岩油藏主要分布在东营凹陷北部陡坡带,储层物性差,以低渗透、特低渗透为主,储层埋藏深,压裂改造难度大。在盐22、永920、车66、丰深等区块压裂/酸压施工60多井次,从施工曲线上反映出不同地区、不同埋藏深度的储层在裂缝扩展过程中具有不同的特点,存在砂堵及加砂困难的现象。由于砾石的存在,导致压裂液在裂缝中的流动状态发生变化,从而影响缝内压力场和流场分布。利用大尺寸真三轴模拟压裂试验系统,对人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟试验,模拟了无砾石、有砾石在不同压差、不同砾石粒径条件下的裂缝扩展规律,通过对试验施工曲线的分析,定性地分析了砾石存在对裂缝扩展的影响,为下一步进行数值模拟研究提供了依据。     

砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展规律与可压性评价

为探究准噶尔盆地二叠系乌尔禾组砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展延伸规律，采用真实破裂过程分析软件，研究砾石特征、地应力等因素对裂缝扩展的影响。根据数值模拟，研究不同条件下裂缝的扩展过程，描述岩石裂缝演化及形态，建立砂砾岩储集层可压裂性的评价模型。结果表明：乌尔禾组砾石强度和基质强度差异较大，砾石强度为216.62～2 032.64 MPa，是基质强度的2～4倍，砾岩岩石力学特性差异明显；砾石含量较小时，裂缝扩展主要受主应力的影响；砾石粒径较小时，裂缝扩展方式主要为绕砾；随着粒径增大或砾石含量增加，砾石对裂缝的抑制和屏蔽作用明显，裂缝延伸距离减小；砾石强度与基质强度差异越大，裂缝遇砾石受阻越强，扩展方式越易由穿砾变为绕砾，降低了裂缝延伸距离。运用灰色关联法和层次分析法，综合考虑砾石特征、水平地应力差等因素，建立了砂砾岩储集层可压裂性评价系数计算模型，无因次压裂裂缝面积和米采液指数与可压裂性评价系数呈正相关关系。     

砾岩储层水力裂缝扩展形态及影响因素

水力压裂技术已成为致密油气储层增产改造的主要措施之一。目前针对水力裂缝形态的研究主要集中在致密砂岩及页岩储层,以玛湖油田为代表的砾岩致密油储层由于其发现时间较晚,相关研究较为缺乏。砾岩储层非均质性较强,砾石的存在进一步加大了水力裂缝形态研究的难度。基于有限元中的内聚力模型实现了大型物理模拟实验尺度下基质和砾石的差异化表征,并通过现有实验结果,验证了模型的可行性。在此基础上,开展了影响砾岩储层裂缝形态扩展关键因素机理研究,明确了储层在低应力差下主要表现为绕砾和分叉,高应力差则以穿砾、转向为主的特征行为。在机理研究的基础上,结合现场压裂施工数据、有限元机理模型结果及微地震监测结果,基于边界元方法,论证了可采用等效天然裂缝的方式对砾岩宏观人工裂缝扩展过程进行模拟,并得出水力裂缝在宏观上以双翼缝特征为主,主缝周边可能存在小尺度分支缝的认识。基于现场压裂井的裂缝扩展模拟,验证了宏观裂缝形态的准确性。     

页岩气储层水力压裂扩展有限元模拟方法及应用

页岩气储层低孔低渗,需用水力压裂等方法进行储层改造方可获得经济产能。储层改造中裂缝的形态和分布对体积改造效果至关重要。为了研究压裂裂缝的模拟方法,系统调研和对比了储层水力压裂模拟常用方法,开展了扩展有限元模拟,研究表明:①水力压裂物理模拟实验能够直观观测裂缝的形态及展布特征,但因试样尺寸等问题难以代表实际储层压裂情形;②常用的数值模拟方法有边界元法、非常规裂缝模型、离散化缝网模型和扩展有限元法等,这些方法各有优缺点,需做有针对性的改进才能更好地模拟真实页岩储层压裂情况;③应用扩展有限元法模拟水力压裂和分段顺序压裂过程中裂缝的延伸情况,得到射孔方向与最大水平主应力之间夹角和诱导应力对压裂裂缝的影响,夹角越大,裂缝偏转角度越小,偏转距离越大,初始破裂压力越高,裂缝稳定延伸的压力也越大,而诱导应力的存在会抑制压裂裂缝的延伸。对实际压裂工程中射孔方向的选择和分段压裂射孔间距的设计具有指导意义。     

砾岩油藏压裂裂缝遇砾扩展行为机理

砾石的随机分布使砾岩储层具有高度非均质性,显著影响局部力学响应,难以控制和预测水力压裂裂缝的扩展。水力压裂裂缝的遇砾扩展机制仍不清楚,使得水力压裂的设计和有效实施充满挑战。基于全局黏聚力单元,在Abaqus 平台建立了渗流-应力-损伤多场耦合的二维裂缝扩展模型;在细观尺度上将砾岩视为砾石、基质和胶结面组成的三相复合材料,进行压裂裂缝遇砾扩展行为机理研究。结果表明,水力裂缝遇砾发生穿砾、绕砾、穿砾且绕砾等现象;砾石的渗透性和弹性模量对裂缝遇砾行为影响的作用机理不同：砾石的低渗透性造成憋压现象,裂缝尖端流体压力提高了13%,水平与竖直方向有效应力分别减小了10.1%和12.8%;砾石的高弹性模量造成应力的屏蔽现象,裂缝尖端与砾石间的区域水平方向有效应力减小了5.8%。砾石的低渗透性与高弹性模量都会造成胶结面上发生剪应力集中,增加了胶结弱面破坏的可能性,造成裂缝遇砾发生偏转。     

永北砂砾岩油藏水力压裂技术研究与应用

针对永北砂砾岩油藏储层水力压裂改造难点,开展了油层保护、砂砾岩岩石力学特征、人工裂缝扩展规律、缝高控制及暂堵降滤等项技术的研究,形成了一套行之有效的致密砂砾岩油藏储层水力压裂改造技术。该技术现场应用36口井,有效率94.4%,压裂效果显著。     

基于岩心脆性特征的致密砂砾岩储层水力裂缝复杂性分析

砂砾岩储层岩心的脆性特征与油气田水力压裂改造效果密切相关,探究砂砾岩储层的脆性特征对水力裂缝复杂性的影响能够为目标层段筛选及施工工法设计提供参考。考虑岩石破坏全过程即峰前和峰后阶段的脆性特征,提出基于岩心破坏全过程能量耗散的储层砂砾岩脆性评价模型;利用砂砾岩的单轴和三轴全应力-应变曲线以及现有脆性评价模型,验证新建立模型的准确性。在此基础上分析不同围压下岩心力学参数与脆性指数的相关性,并利用储层岩心室内测试结果和水力裂缝微地震监测结果研究储层脆性指数对水力裂缝复杂性的影响。结果表明：新建立的脆性评价模型可以综合评价岩心破坏全过程表现出的脆性特征,对不同岩性不同围压下岩石的脆 性变化较传统脆性评价模型更为敏感;不同围压下岩心强度参数和弹性模量与脆性指数呈负相关关系;脆性较强的层段更容易压裂改造形成复杂裂缝,获得更大的压裂改造体积,因此根据岩心脆性特征开展水力裂缝复杂性预测分析具有一定的可行性。     

致密砂岩储层不同含水条件下水力裂缝扩展物理模拟

储层含水饱和度、压裂的注入方式和压裂用水矿化度都会影响致密砂岩气藏的水力压裂效果。为了掌握这三者对致密砂岩储层水力裂缝扩展的影响规律,利用大尺寸真三轴模拟压裂实验系统,研究了储层含水条件下,致密砂岩储层的水力裂缝生成和扩展形态;通过压裂液注入速率,模拟变排量工况;通过岩样被饱和水浸泡时间,模拟不同含水饱和度;通过盐水的密度,模拟压裂液用水矿化度。结果表明:提高压裂用水矿化度有利于水力裂缝的产生和扩展;变排量的注入方式,有助于孔喉的解堵,更有利于水力裂缝的产生和扩展;储层含水饱和度高,孔隙压力大,不利于水力裂缝的产生和扩展;正断层地应力条件下,主裂缝的走向基本与最大水平地应力方向一致。     

玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石力学特征与裂缝扩展机理

以玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层为研究对象,通过岩石力学实验,开展了不同岩性砂砾岩储集层的岩石力学特性和裂缝扩展机理研究。在此基础上,利用数值模拟方法构建含有真实砾石的二维模型,研究砂砾岩中裂缝扩展的过程,讨论了砾石强度对裂缝扩展机制的影响。研究结果表明：砂砾岩具有较强的非均质性,造成不同岩性的砂砾岩力学特性差异较明显,其中细砾岩的力学强度大于粗砾岩;岩石中砾石成分和基质成分间差异对砂砾岩力学特性的影响较大;单轴压缩中砂砾岩破坏模式主要以劈裂破坏为主,而三轴压缩中砂砾岩破坏模式包括劈裂破坏、单剪切破坏和双剪切破坏等;砾石颗粒对裂缝扩展存在屏蔽作用,砂砾岩的破裂过程中裂缝扩展形式主要分为穿砾、绕砾、嵌入止砾等;砾石与基质强度差异增大,砾石屏蔽作用增强,裂缝遇砾石受阻增强,将造成裂缝遇到砾石的扩展由穿砾形式变为绕砾形式。     

深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展影响机理

现有中浅层页岩气压裂取得的认识难以解释深层页岩气储层压裂过程中水力裂缝扩展的影响机理。为了研究四川盆地深层页岩气储层水力压裂裂缝扩展机理,文中以泸州深层页岩气区LS1平台为研究对象,进行基于地质-工程一体化的水力压裂裂缝扩展数值模拟与分析。首先,根据泸州区块目标井区储层的地质概况,建立地质模型,明确地质力学属性;然后,基于微地震和蚂蚁体数据,建立符合真实储层构造特性的离散天然裂缝网络;在此基础上,根据现场实际施工数据,建立了基于DFN的水力压裂复杂裂缝扩展模型,并基于微地震监测结果对模型进行了验证;最后,还研究了4个单因素对储层改造体积的影响特点。研究结果对深层页岩气储层水力压裂复杂缝网研究有一定的指导作用。     

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。      

义104区块砂砾岩油藏压裂技术研究与应用

以胜利油田砂岩油藏为例,分析了砂砾岩油藏具有储层物性差、岩性多样、连通性低、裂缝普遍发育、储层岩石以亲水为主的特点。实验研究表明,砂砾岩储层压裂时以脆性破坏为主,裂缝形态扩展复杂,压裂液滤失严重。通过射孔参数优化、压裂液优选、组合支撑剂评价,以及施工参数优化等,形成了砂砾岩储层压裂改造的关键技术。在Y104-1C井进行现场应用,增产效果显著,值得在类似储层的改造中推广。     

基于储层纵向非均质性的水力压裂裂缝三维扩展模拟

水力压裂技术是有效动用致密气、页岩气等非常规油气资源的主体储层改造技术。为解决储层纵向非均质性导致的水力压裂裂缝垂向过度延伸或延伸受限等问题,采用大尺度岩样（762 mm×762 mm×914 mm）水力压裂物理模拟实验,优化建立了基于离散格子理论的全三维水力压裂数值模型,分析了薄层致密砂岩、多层理页岩两类储层的水力裂缝扩展形态及其主控因素。研究结果表明：(1)鄂尔多斯盆地苏里格地区致密砂岩储层水力裂缝形态以径向缝、椭圆和长方形为主,层间水平应力差、储隔层厚度比是水力压裂裂缝形态的主控因素,通过控制排量、增加滑溜水注入比例方式可降低裂缝垂向过度延伸;(2)页岩储层由于层理面的存在,三维空间形态更为复杂,裂缝垂向扩展分别呈现“1”“丰”“T”“十”和“工”字形共5种形态;(3)对于走滑构造型页岩气藏压裂,层理面胶结强度是压裂裂缝展布形态主控因素,通过前期高黏液造主缝,后期低黏滑溜水沟通水平层理的“逆混合”改造技术模式可提升页岩储层三维空间有效改造范围。结论认为,开展现场尺度下水力裂缝空间三维扩展形态模拟及其影响因素分析,可为非常规油气提高储层高效体积改造工艺技术优化提供参考依据。     

致密砂砾岩压裂裂缝遇砾扩展模式的数值模拟研究

由于致密砂砾岩具有超低渗透性,不进行水力压裂难以达到经济开采目标。砂砾岩储层的有效开采需要对水力裂缝扩展规律有清晰认识。考虑砂岩或砾岩材料本身的非均质性以及砂岩与砾岩之间的非均质性,提出一种数字图像技术和有限元软件RFPA(Rock Failure Process Analysis)相结合的数值模拟方法。基于该方法的致密砂砾岩压裂的二维数值模拟结果表明,在不同水平地应力差和砾岩强度条件下,水力裂缝可以穿过砾岩或沿砾岩转向扩展。考虑砾岩分布方位、尺寸和轴比,三维数值模型模拟结果表明,水力裂缝能够穿过砾岩,形成一种在常规压裂实验中不容易观察到的环绕扩展模式,也能够像二维数值模型得到的结果那样沿砾岩转向扩展,即不同的砾岩分布方位、尺寸和轴比使水力裂缝扩展遇到砾岩时呈现不同的扩展模式,包括:①直接穿过砾岩;②沿砾岩转向扩展;③环绕扩展;④模式①和②或者②和③同时出现。     

砂砾岩水力裂缝延伸路径模拟研究

通过研究砾石尺度下水力裂缝的不规则延伸和压力波动的原因,优化砂砾岩储层的压裂设计及施工参数.将砂砾岩简化为由砾石、基质和界面3部分组成的复合介质,各部分具有不同的断裂韧性,并由断裂韧性得到判断裂缝延伸与停止延伸的指标——临界能量释放率.通过断裂力学理论与坐标变换,得到裂缝前沿处沿不同角度延伸的虚拟裂缝的应力强度因子和与之对应的能量释放率,裂缝延伸的优先方向即为最大能量释放率对应的方向,沿不同方向延伸的临界破裂压力可由能量释放率得到.通过编程模拟研究了包含不同粒径、含量和断裂韧性砾石的砂砾岩裂缝延伸规律与压力波动特点.模拟结果显示,砾石粒径、含量以及不同部分间断裂韧性的差异是导致砂砾岩裂缝不规则延伸或分叉及诱发施工压力波动的重要因素.     

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。     

陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

陆相页岩储层垂向非均质性强,层间岩性与应力差异大,层间弱界面发育,水力裂缝穿层扩展困难,导致压裂改造效果不佳。基于有限元+黏聚力单元法建立了陆相页岩水力裂缝穿层扩展流固耦合模型,与解析解和室内实验结果对比验证了模型的准确性。基于此模型,采用单因素和正交实验分析法开展算例研究,揭示了各项地质与工程参数对陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展行为的控制机理与影响规律。研究结果表明,层间界面剪切滑移改变水力裂缝垂向扩展路径,限制缝高增长;水力裂缝宽度较大,削弱缝高扩展能力。高层间界面胶结强度、高垂向应力差、低层间应力差、低抗拉强度差、低弹性模量差、高压裂液黏度、高注入排量,有利于水力裂缝实现穿层扩展,各因素影响程度的主次顺序为层间界面胶结强度>层间应力差/抗拉强度差>压裂液黏度/注入排量>垂向应力差>弹性模量差。研究成果进一步完善了陆相页岩储层水力压裂穿层扩展基础理论,为陆相页岩储层水力压裂选井、选层和施工方案优化设计提供了理论依据。     

盐岩地层水力裂缝扩展试验研究

利用现场盐岩岩心,通过大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,模拟了水力裂缝在盐岩中的起裂与扩展.盐层的裂缝起裂和延伸比较困难,在一般情况下可以有效阻止裂缝高度从储层进入盐层.水力压裂时施工排量对于水力裂缝在盐岩中的起裂和延伸具有明显影响.