页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

页岩气藏水平井井壁稳定性研究

页岩气藏开发采用的井型一般为水平井,在层理发育的页岩地层中钻井一般都存在严重的井壁失稳问题。为此,根据有效应力理论改进了层理地层水平地应力计算模型,并结合川南地区所取岩心进行室内强度实验,选取适当的破坏准则,对比2个地层水平地应力计算模型和水平井眼井周应力状态,得出了页岩气藏水平井坍塌压力随层理面产状的变化规律。研究结果发现：对于页岩地层而言,采用常规的均质地层水平地应力预测模型研究井壁稳定性,低估了水平井的地层坍塌压力;采用改进的水平地应力预测模型计算得出的坍塌压力与实际情况吻合较好;沿最小水平地应力方向钻进的水平井,地层坍塌压力在某一地层倾角处存在极大值,更高的倾角反而有利于井壁稳定。研究结论可以为页岩气井钻井设计提供参考。     

页岩强度弱化规律及对水平井井壁稳定的影响

为了揭示页岩本体和层理面力学强度特性及弱化对井壁稳定影响,基于直剪试验并结合弱面强度准则,分析了页岩抗剪强度参数的弱化规律。研究结果表明,水基钻井液浸泡下页岩本体和弱面强度均显著降低,且水基钻井液对弱面弱化影响大于对本体强度的影响。随着浸泡时间增加页岩强度逐渐降低,且最低强度逐渐左移;发生弱面破坏的角度范围逐渐增大;随着围压升高,页岩强度升高且发生弱面破坏的角度范围逐渐变小。坍塌压力与水平井钻进方位、弱面产状密切相关,其差异最高达到0.444 1 g/cm3,整体上水平井井眼沿着最小水平地应力方位钻进时井壁稳定性最好。随井眼钻开时间增加,当量坍塌压力逐渐升高。研究结果可为页岩气水平井钻井设计提供参考依据。     

页岩层理弱面对井壁坍塌影响分析

受层理特征的影响,页岩地层的井壁坍塌形状与坍塌压力不再与各向同性地层表现一致。基于Jaeger弱面强度准则计算了井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小,结果表明:井壁坍塌是页岩基质与弱面破坏叠加的结果,且当层理弱面倾斜角增大时,井壁坍塌逐渐受层理弱面破坏主导,坍塌方位不再与水平最小地应力方位一致,即井壁坍塌区域发生偏转,井壁坍塌形状由对角破坏演变为四角破坏;各向异性地层井壁坍塌压力只沿水平最小地应力(层理面倾向)对称分布,最优钻井方位不再仅沿水平最小地应力方位,而是应结合层理弱面的倾向,尽量减小井眼轨迹与层理弱面法向夹角;考虑钻井液侵入对井周地层压力的改变与地层强度的降低,钻井液的使用应在确保井壁力学稳定性的同时提高钻井液封堵性且使用尽量小的钻井液密度。本文研究结果可为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供参考。     

储层非均质性和各向异性对水力压裂裂纹扩展的影响

针对页岩储层非均质性及各向异性影响水力压裂裂纹扩展规律的问题,利用数字图像处理方法建立反映页岩储层断面的非均质几何模型,基于页岩各向异性力学实验,建立非均质各向异性损伤模型,继而开展非均质各向异性页岩水力压裂数值模拟,得出了层理方位、地应力差以及层理面法向强度对页岩水力压裂裂纹扩展的影响规律。结果表明：随着层理与最大水平地应力间夹角、地应力差以及层理弱面强度的减小,裂纹遇层理时更易转向层理扩展;裂纹在层理面内的扩展速度随层理倾角和层理强度的减小而增加;若水平最大地应力不变,随着地应力差的减小,裂纹在储层基质和层理面内的扩展速度减小。研究成果为水力压裂开采页岩气提供了理论基础,对优化压裂设计方案、提高页岩气储层改造效率具有一定的指导意义。     

页岩水平井重复压裂现地应力场计算方法

页岩水平井分段压裂改造后产能递减快、稳产期短,需要进行重复压裂以提高页岩气井的产量和最终可采资源量,而重复压裂的成功与否决定于选井选层工作和压裂优化设计,尤其是弄清重复压裂前现地应力场的分布情况以确保满足老缝张开与新缝起裂条件。为此,充分考虑构造运动、储层天然裂缝分布情况及层理关系,基于测井数据和施工压力数据,构建了原地应场计算模型;并依据等效主裂缝理论,采用加权平均法计算缝内净压力,在生产衰竭诱导基础上,通过线性叠加原理建立了页岩多段簇水平井重复压裂现地应力场计算方法。结果表明:①页岩水平井原地应力计算方法中,原地应力场水平应力构造系数由压裂施工数据反演得到,可真实反演原地应力场大小;②根据不同裂缝段簇和孔隙压力降低产生的诱导应力变化特征建立的诱导应力场计算方法,对实例井的计算结果和压后产量变化都显示长水平段多段簇压后裂缝诱导应力已使地应力场发生转向。结论认为:页岩水平井重复压裂现地应力场计算方法能够为现场重复压裂优化设计提供理论支持。     

深层页岩储层“工程甜点”评价与优选——以川南永川、丁山地区为例

四川盆地深层地质条件复杂,页岩储层埋藏深度大,气井产能普遍偏低,压裂施工面临极大挑战。为寻找深层页岩气“工程甜点”,以永川、丁山地区为例,利用钻井、岩心、成像测井、地震等资料,基于实测岩石力学参数、天然裂缝发育程度、天然裂缝有效性、水平应力差以及水平井轨迹与最小水平主应力夹角,对永川、丁山地区深层页岩储层水力压裂效果影响因素进行深入探讨。研究结果表明,川南永川、丁山地区龙一段3¹小层脆性最好,为压裂首选目的层;离断层越近,泵压和施工压力越升高,改造体积下降;水力裂缝与天然裂缝夹角在55°左右时,可以保证裂缝具有较好的延伸与转向能力;在高硅质页岩段和断层带内,最小水平主应力越小,水力裂缝越易扩散;水平井轨迹与最大水平主应力方位夹角越大,压裂效果越好。最终建立了永川、丁山复杂构造区海相页岩气“工程甜点”的评价指标体系,优选出永川、丁山Ⅰ类地质工程“甜点”区。     

水平井试油过程裂缝性储层失稳机理

针对水平井裂缝性储层试油过程中井底压力选择不当会引起井壁坍塌问题,开展了天然裂缝性储层水平井井壁稳定问题研究。从井壁稳定的力学机理出发,建立了水平井井周应力状态,选用弱面破坏准则,建立了水平井段测试过程维持井壁稳定的井底最小压力模型,模型考虑了天然裂缝产状、井斜方位、地应力、地层强度与孔隙压力的联合影响。在此基础上定量分析了各因素对维持井壁稳定的最小井底压力的影响。结果表明：天然裂缝面倾角小于45°时,井壁岩石发生弱面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁岩石会发生本体破坏;天然裂缝走向对井壁的破坏形式也有显著的影响,在最小水平地应力方位附近,井壁最易坍塌;随着地应力非均质性的增强、孔隙压力的升高,维持井壁稳定的井底最小压力逐渐增大。     

页岩地层产状对水平井井眼破坏的影响

页岩地层的钻井作业尤其是水平井的钻井作业持续增加,页岩地层的水平井钻井过程往往伴随着一
系列井壁稳定问题。为此,利用坐标转换和弱面滑动破坏理论,建立了页岩地层水平井井眼破坏程度预测和坍塌
压力计算模型。利用所建模型分析了页岩地层产状对水平井井眼破坏形状的影响和坍塌压力的影响。分析表明,
页岩层理面滑动破坏后的水平井井眼总体呈“四叶状”,破坏程度较小时可能呈“狗耳朵”状;垂直于层理面或与层
理面夹角较小的水平井破坏程度较小,甚至不会发生层理面滑动破坏。所建模型及分析结果可用于优化页岩地层
水平井钻井方向,避免钻井过程中发生层理面滑动破坏,防止水平井井眼稳定因页岩层理面而恶化。     

川南威远地区筇竹寺组页岩力学性质及可压性评价

川南龙马溪页岩气规模开发已取得理想效果,但由于页岩气开采具有明显的快速产量递减规律,因此探索新层系的勘探开发和压裂潜力必须提前谋划。文章以川南威远地区筇竹寺组页岩为研究对象,通过X衍射分析、电子显微镜扫描、岩石强度试验、地应力大小测试等方法,综合分析了该地区筇竹寺组页岩力学性质及可压性,并与龙马溪组页岩进行了对比。结果表明,威远地区筇竹寺组页岩为硅质页岩,脆性矿物含量高,天然微裂缝发育,具有良好的储层改造基础物性;页岩层理面内不同方位力学参数变化小,抗拉/抗压强度比值低,且地应力差异系数较小,具有产生复杂裂缝的力学条件;结合微观特征和力学特征的综合可压性评价认为,威远地区筇竹寺组页岩可压性优于龙马溪组页岩,展示了良好的资源接替潜力。     

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。     

含多组弱面的页岩水平井坍塌失稳预测模型

目前,水平井穿越长段硬脆性页岩储层过程中的井壁坍塌失稳问题很突出。为此,结合页岩露头、岩心、SEM和FMI资料分析了弱面的产状特征,基于弱面强度理论,建立了含多组弱面页岩的强度分析方法,对均匀分布多组弱面页岩的强度特征进行分析,再综合考虑各组弱面产状、井壁应力状态、井眼方位、原地应力方位等因素,最终建立起了含多组弱面页岩水平井坍塌失稳预测模型,并以川南地区某页岩气水平井开展了实例分析。结果表明,页岩中层理和构造缝之间的交角较大(接近正交);随着页岩岩体中弱面数量的增加,岩体强度大幅度下降,强度受弱面控制作用越显著,当含有4组以上弱面时,强度趋于各向同性,且整体强度大大削弱,使井壁坍塌失稳风险显著增加;随着弱面数量的增加,维持水平井井眼稳定所需的钻井液密度(坍塌压力当量密度)也逐渐增加,不含弱面时坍塌压力当量密度为1.04g/cm3,含1组弱面时坍塌压力当量密度为1.55g/cm3,含2组弱面时坍塌压力当量密度为1.84g/cm3。实例水平井计算结果与实际情况吻合较好,较之传统模型更加准确、实用,有效提高了页岩水平井井壁坍塌压力预测的精度。     

深层脆性页岩力学性能及井壁稳定性研究

四川盆地中部龙马溪组页岩地层硬度高、脆性强,钻井过程中井壁坍塌严重,阻卡频发。为解决钻井过程中井壁坍塌问题,测试了以四川盆地自201井为代表的深层页岩微细观组构、水理化性能及力学性能参数各向异性特征,并考虑井眼轨迹、层理缝产状、井筒-地层耦合渗流效应、层理缝力学弱面效应等因素,建立了深层脆性页岩水平井井壁稳定理论模型。实验结果表明:深层页岩脆性矿物含量高达70%,水化膨胀性极低,页岩基质力学强度高,但层理缝间强度低,页岩容易沿层理缝滑移崩落。模型计算结果表明:层理缝力学弱面效应影响明显,当井眼轨迹与层理缝面法向之间夹角满足一定角度,井壁倾向沿层理缝剪切滑移垮塌;井筒-地层间渗流效应不可忽略,压力穿透效应降低钻井液的有效径向支撑力,诱发层理缝起裂、延伸至崩落,合理的钻井液密度及有效封堵性可提高深层页岩水平井井壁稳定性。研究成果揭示了深层脆性页岩井壁坍塌作用机理,可为深层脆性页岩水平井关键工程参数设计提供理论依据。     

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??Deep shale gas reservoirs buried underground with depth being more than 3 500 m are characterized by high in-situ stress, large horizontal stress difference, complex distribution of bedding and natural cracks, and strong rock plasticity. Thus, during hydraulic fracturing, these reservoirs often reveal difficult fracture extension, low fracture complexity, low stimulated reservoir volume (SRV), low conductivity and fast decline, which hinder greatly the economic and effective development of deep shale gas. In this paper, a specific and feasible technique of volume fracturing of deep shale gas horizontal wells is presented. In addition to planar perforation, multi-scale fracturing, full-scale fracture filling, and control over extension of high-angle natural fractures, some supporting techniques are proposed, including multi-stage alternate injection (of acid fluid, slick water and gel) and the mixed- and small-grained proppant to be injected with variable viscosity and displacement. These techniques help to increase the effective stimulated reservoir volume (ESRV) for deep gas production. Some of the techniques have been successfully used in the fracturing of deep shale gas horizontal wells in Yongchuan, Weiyuan and southern Jiaoshiba blocks in the Sichuan Basin. As a result, Wells YY1HF and WY1HF yielded initially 14.1×104 m3/d and 17.5×104 m3/d after fracturing. The volume fracturing of deep shale gas horizontal well is meaningful in achieving the productivity of 50×108 m3 gas from the interval of 3 500–4 000 m in Phase II development of Fuling and also in commercial production of huge shale gas resources at a vertical depth of less than 6 000 m.     

武隆区块常压页岩气水平井分段压裂技术

渝东南武隆区块页岩气储层水平应力差较大,高角度裂缝及层理缝发育, 难以形成复杂体积裂缝,低角度裂缝较难开启,裂缝转向难度大,同时储层为常压储层,要实现经济开发难度较大。为此,在分析武隆区块常压页岩气储层压裂改造技术难点的基础上,以提高裂缝的复杂程度、增大储层改造体积为目标,以滑溜水为压裂液,通过优化射孔簇间距、射孔簇长度和簇间暂堵,提高高应力差异系数下裂缝的复杂程度;采用连续加砂工艺和优化压裂规模,提高裂缝导流能力和保证裂缝在页岩气储层中延伸,形成了适用于武隆区块常压页岩气水平井的分段压裂技术, 并在隆页2HF井进行了现场试验,压裂后产气量达9.4×104 m3/d。分析隆页2HF井压裂资料发现,应用该技术可以提高裂缝复杂程度,形成网络裂缝,提高常压页岩气单井产量,从而实现常压页岩气的经济开发。      

地应力对页岩储层开发的影响与对策

油气富集程度和页岩脆性在北美页岩油气开发中是地质条件方面成功与效益的关注重点,但对于中国四川盆地海相页岩储层,除上述因素外,复杂地质构造下高地应力条件成为阻碍效益开发的主要因素之一。重点阐述了复杂地应力下水力压裂裂缝扩展机理,展示了复杂构造下不利地应力条件对钻井压裂效果的重要影响;四川盆地页岩气储层的最小水平主应力较高,因此具有较高的破裂压力。通过理论分析和案例应用,提出钻井和完井的优化设计,包括水平井钻井方向、井筒轨迹以及完井压裂层段的选取。根据四川盆地不同地区地应力状况,提出涪陵、威荣和威远页岩气田的钻完井建议。     

Stress redistribution in multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells in shales

Multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells is the main stimulation method in recovering gas from tight shale gas reservoirs, and stage spacing determination is one of the key issues in fracturing design. The initiation and propagation of hydraulic fractures will cause stress redistribution and may activate natural fractures in the reservoir. Due to the limitation of the analytical method in calculation of induced stresses, we propose a numerical method, which incorporates the interaction of hydraulic fractures and the wellbore, and analyzes the stress distribution in the reservoir under different stage spacing. Simulation results indicate the following: (1) The induced stress was overestimated from the analytical method because it did not take into account the interaction between hydraulic fractures and the horizontal wellbore. (2) The hydraulic fracture had a considerable effect on the redistribution of stresses in the direction of the horizontal wellbore in the reservoir. The stress in the direction perpendicular to the horizontal wellbore after hydraulic fracturing had a minor change compared with the original in situ stress. (3) Stress interferences among fractures were greatly connected with the stage spacing and the distance from the wellbore. When the fracture length was 200 m, and the stage spacing was 50 m, the stress redistribution due to stage fracturing may divert the original stress pattern, which might activate natural fractures so as to generate a complex fracture network.     

深层页岩气水力裂缝起裂与扩展试验及压裂优化设计

受地质构造、成岩作用等多方面因素影响,深层页岩的层理发育程度、脆性指数、岩石力学特性、最小水平主应力梯度及水平应力差都与中深层页岩有明显差异,使人工裂缝起裂压力更高,裂缝复杂程度更低,从而极大地影响了深层页岩气地层的体积压裂设计和安全施工。为此,利用大尺寸岩样,模拟研究了深层页岩气地层的水平应力差、压裂流体黏度、施工排量等地层和工艺参数及缝内暂堵措施对人工裂缝的起裂与扩展特征的影响规律。研究发现,裂缝起裂与扩展特性受层理胶结强弱、水平应力差及前置液黏度等因素影响较大,压裂裂缝容易沿层理起裂导致早期憋压超压,从而使施工失败,高应力差条件下裂缝扩展形态相对简单,前置中黏压裂液、缝内暂堵等措施有利于裂缝多次破裂、产生次生裂缝使裂缝复杂化。在此基础上,提出了密切割分段、短簇距射孔、组合液体及变排量施工等压裂优化设计方案,现场应用后深层页岩气产量获得了重要突破。      

利用测井资料预测水平井压裂裂缝形态

水平井压裂裂缝形态复杂,预测难度较大。建立水平井压裂裂缝起裂数学模型;考虑水平井井周裂缝应力和流体的实际状态,根据断裂力学理论给出水平井井周裂缝尖端的应力强度因子的计算方法,按照Irwin延伸扩展准则判断裂缝是否延伸,遍历计算起裂点及其扩展点并不断迭代求解直至满足约束条件,建立裂缝延伸扩展数学模型;提出了用测井资料预测压裂裂缝长、宽、高的方法,建立用测井资料预测水平井压裂裂缝形态的方法。针对四川页岩气水平井,研究了用测井资料计算岩石力学参数和地应力方法,对四川页岩气水平井H1-3井压裂裂缝形态进行了预测,预测结果与微地震监测结果进行对比,表明水平井H1-3井预测结果能够反映近井周围压裂裂缝的延伸情况。     

页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响

页岩气储层具有不同于常规储层的层理结构,使得其水力压裂规律也与常规水力压裂有所不同。为研究天然层理方向 对水力压裂过程中裂纹扩展的影响,利用三轴水力压裂实验系统进行了页岩水力压裂实验,并基于扩展有限元法开发了水力压裂起 裂判据,建立了三维页岩气储层水力压裂计算模型,研究了层理方向对页岩储层水力压裂裂纹扩展的影响。结果表明：①页岩气储 层水力压裂裂纹扩展规律由原地应力状态和层理面结构及强度共同决定,层理方向是水力压裂裂纹扩展方向的主控因素,若压裂后 层理面法向拉应力先达到层理面抗拉强度,裂纹沿层理方向扩展,反之,裂纹则垂直于最小地应力方向扩展;②裂纹沿层理面扩展 时,层理法向与最小地应力方向夹角增加,起裂和扩展压力增大,裂纹面积减小;③裂纹整体呈椭球非平面扩展,随着压裂液的注入, 裂纹面积增加,地层总滤失率增加,裂纹扩展速度减小。压裂实验与模型计算所得的压裂裂纹扩展规律相吻合,从而验证了页岩气 储层水力压裂模型的有效性。