天然裂缝对干热岩水力压裂裂缝扩展的影响规律

地热能是一种清洁、环保的可再生能源,具有低碳环保、稳定高效等特点,水力压裂技术是有效开发干热岩地热资源的重要技术手段。目前高温花岗岩水力压裂时天然裂缝对水力裂缝扩展的影响未进行广泛地研究,对其水力裂缝扩展规律的认识尚不清楚。为此,以常见的干热岩类型（花岗岩）为研究对象,开展了实时高温下真三轴水力压裂实验,探究两种类型花岗岩在不同温度下的裂缝扩展特征及导流能力,揭示了干热岩水力裂缝在天然裂缝影响下的扩展规律,评价了压后裂缝的导流能力。研究结果表明：(1)随着花岗岩温度的上升,其起裂压力降低,裂缝面迂曲度提高,水力裂缝扩展路径更加随机;(2)不同温度下花岗岩压裂后裂缝的导流能力不同,随着花岗岩温度的上升,水力裂缝的导流能力也随之提高;(3)相同条件下,裂缝型花岗岩起裂压力低于致密型花岗岩的起裂压力,且压裂后裂缝型花岗岩的裂缝导流能力显著高于致密型花岗岩的裂缝导流能力。结论认为,寻找天然裂缝发育的干热岩储层是高效开发利用地热能的关键地质因素,实验结果对指导干热岩储层水力压裂提供了理论支撑,有助于我国地热资源的有效开发。     

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。     

基于分形理论的煤储层水力压裂裂缝数值模拟

根据多孔介质孔隙度及水力强化过程中裂缝扩展的分形特征,建立了分形煤储层宏观物性参数孔隙度与渗透率的理论关系模型,以及水力致裂过程中煤岩断裂韧度、压裂液滤失系数的分形计算模型。基于此,在拟三维压裂裂缝扩展模型的假设条件下,构建了基于分形理论的煤层水力压裂裂缝扩展模型。以郑庄区块8口评价井为参考,应用构建的分形模型对压裂裂缝几何参数进行了计算。计算结果表明：郑庄区块水力压裂裂缝缝长一般为106.8～273.1m,缝高一般为3.6～12.7m。通过与不同模型的计算结果相比较,发现该模型预测结果更接近于实测值,一定程度上反映了该模型的适用性。     

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。     

水力压裂裂缝的分形(fractal)几何描述

本文在现有水力压裂的研究基础上,引入分形(fractal)几何这一新理论来对水力压裂裂缝进行微观描述,同时进一步讨论了它对水力压裂中主要参数的具体影响,从而使对水力压裂过程的理论分析和计算与实际状况更加接近.     

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。     

砂砾岩压裂中砾石对水力裂缝扩展影响机理研究

近年来砂砾岩油气藏在新探明储量中占比逐年上升,砂砾岩油气藏的开发也逐渐受到重视.砂砾岩具有渗透率低、导流能力差的特性,在开发砂砾岩油藏时需要进行大规模水力压裂形成缝网,但是由于砾石阻碍复杂缝网的形成,导致砂砾岩压裂增产效果不理想.因此针对砂砾岩的结构特征,根据断裂力学理论,以砂砾岩地层中水力裂缝为研究对象,探讨在砂砾岩...     

基于分形方法的水力压裂分支裂缝分布模拟

对水力压裂裂缝分布位置的准确描述是进行压裂设计及压裂效果评价的重要前提,而在人工裂缝分支的描述方面,尚未开展有关裂缝位置和形态等描述研究。运用分形L-系统建立树枝模型,建立岩石天然薄弱面分布规律的平面模拟描述方法。应用分形相似原理,将天然薄弱面分级,得出各级天然薄弱面剪切、张开判别条件和天然薄弱面起裂后裂缝内压裂液压降梯度。依据天然薄弱面分布模型及裂缝剪切、张性断裂准则,提出水力压裂分支裂缝分布模拟计算方法。计算结果表明,水力压裂分支裂缝数量与井壁处缝内净压力、储层最大与最小主应力差值密切相关。主裂缝附近存在较多分支裂缝,分支裂缝数量随井壁处缝内净压力增加而增多;储层最大与最小主应力差值越小,细小分支裂缝开启数量越多,裂缝沟通面积越大。运用该计算方法能够模拟具有分形特征的裂缝平面形态和开启状况,并为复杂裂缝形成机理分析提供依据。     

水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟

水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义。本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度。本文所要做的第一步是要建立模型,再对水力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟。通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础。     

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%。     

The Experimental Investigation of Fracture Propagation Behavior and Fracture Geometry in Hydraulic Fracturing through Oriented Perforations

Abstract

Hydraulic fracture propagation behavior and geometry through perforated vertical wellbores are studied by a series of servo-controlled tri-axial large-scale fracturing experiments. The experimental results show that the tortuous fracture can be generated by using oriented perforation fracturing technology. By changing the perforation angle and the horizontal differential stress, it is found that the fracture propagation behavior and fracture reorientation path are obviously influenced by these parameters. The effect of a micro-annulus near the casing on the fracture initiation and its geometry is also discussed; it makes the fracture initiation as from an open hole. The conclusions are significant to further understanding of hydraulic fracturing process.     

不同压裂液类型对煤岩水力压裂的影响研究

通过水力裂缝改造煤层,沟通更多的天然裂缝系统,可达到促进排水降压采气的目的。而煤岩由于强吸附特征和天然裂缝系统异常发育的储层特点,从压裂的角度而言将带来两大难题：一是煤储层与水力裂缝本身的伤害问题;二是裂缝的有效造缝与延伸的难题。通过数值模拟方法,以不同液体类型的压裂特点为出发点,研究了不同伤害因素对压后产量的影响程度,以及对裂缝造缝与扩展的影响,为煤层水力压裂材料与技术提供了一个优选的理论依据。     

天然裂缝对水力压裂的影响研究

从裂缝的微观延伸出发,从理论上剖析了井壁附近天然微裂缝在裂缝连接、裂缝延伸方面的作用:在水力裂缝延伸沿程的天然裂缝会改变水力裂缝的传播方向,从而使裂缝的连接性能变差,产生多条水力裂缝;在射孔边缘的天然裂缝,虽然在方位上对裂缝连接极为不利,但仍可能成为水力压裂裂缝的最初通道,直接改变裂缝的延伸方向,使得裂缝自然连接的过程变缓或失败.应对措施,一是加入细陶或微陶,封堵部分狭窄裂缝,兼降滤作用;二是在前置液中加入柴油,降低滤失;三是缩小射孔段的长度,减少裂缝的起裂点.     

支撑剂嵌入对水力压裂裂缝导流能力的影响

根据室内实验,对蒙纳尔钢片、砂岩岩心板和泥岩岩心板在相同的铺置浓度和相同的裂缝闭合应力下的缝宽、渗透率以及导流能力进行了比较,就支撑剂嵌入对于裂缝宽度、渗透率以及导流能力的伤害等影响做了详细的研究。研究发现,支撑剂在裂缝闭合后将不可避免的嵌入到岩层中,砂岩纯度越高,其嵌入越小,从而对于支撑裂缝缝宽和导流能力影响越小,泥质含量越高,则其嵌入越严重,支撑裂缝的导流能力损失就越大;而对于蒙纳尔钢片几乎没有嵌入,其导流能力跟嵌入几乎没有关系。     

低渗油田压后水力裂缝处理技术

对于低渗油田，压裂是其投产开发的主要措施，压后形成高导流能力的支撑裂缝是获高产的必要条件。然而大量室内和现场资料表明，诸多因素如支撑剂破裂、压裂液中水不溶物、压裂液残渣、地层粘土的运移、地层流体中垢类等，尤其是压后排液不畅，使地层渗透率受到伤害，裂缝导流能力大大降低。通过大量的研究和实验，应用相关处理液对水力裂缝进行处理，可以较好地解除污染恢复裂缝导流能力，提高压后增油幅度，对于改善压裂效果具有很好的作用。     

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。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

低渗油藏水力压裂裂缝长度优化研究

低渗油藏在进行压裂改造时,由于其渗流规律复杂和井网形式不规则,常规模拟压裂裂缝长的方法不再适用。因此提出了PEBI网格模拟和经济评估相结合的水力裂缝长度优化方法。该方法将油藏数值模拟中的新型网格结构——PEBI网格应用到水力裂缝长度优化设计中。实现了不规则井网条件下水力裂缝的准确模拟．并证实了PEBI网格模拟水力裂缝相对于常规直角网格的优越性;同时从经济角度优化裂缝的长度。通过实例对产油量、含水率以及采出程度的对比分析．表明运用该方法能确定水力裂缝的最佳长度。     

煤层气直井水力压裂裂缝起裂模型研究

煤岩内部存在大量割理、裂隙等结构弱面,水力压裂时裂缝起裂可能发生于煤岩本体或割理裂隙处,造成其裂缝起裂机理与常规砂岩储层有较大差别,需要建立新的适用于煤层气井的裂缝起裂压力计算模型。考虑煤岩割理系统交割网状分布特性以及割理的空间位置变化关系,基于岩石力学和断裂力学理论,推导了煤层裸眼井壁和射孔孔壁周围及割理壁面处的应力分布方程;基于张性和剪切起裂条件,建立了煤岩不同完井方式下的裂缝起裂压力计算模型。应用该模型对2口压裂井进行了计算,裸眼和射孔完井裂缝起裂压力计算值与实测值之间的误差分别为3.96%和4.72%,表明该模型的计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明,煤层压裂能够从割理处起裂,起裂压力与煤层割理倾角、割理壁面内摩擦系数以及煤层水平主应力差值等因素密切相关。