重复压裂气井三维诱导应力场数学模型

重复压裂新裂缝的重新定向分析是具有相当难度和应用价值的核心问题,也是制约重复压裂优化设计的关键。重复压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态,垂直裂缝井重复压裂前储层中的应力分布,尤其是水平主应力方向控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。系统研究了垂直裂缝井重复压裂前应力场的分布特征及影响应力大小和方向变化的主要因素,在此基础上应用弹性力学、流固耦合、孔隙弹性理论等建立了重复压裂气井诱导应力场的数学模型,实现了垂直裂缝气井重复压裂前应力场的定量分析与模拟。     

重复压裂裂缝周围应力场计算新方法

重复压裂技术是低渗透油田增产增效的主要措施,造裂缝有利于打开储层的油气通道,新裂缝的延伸轨迹一直是压裂设计的核心问题并具有很大难度。从力学角度分析,裂缝的延伸主要受周围应力的控制,为此,考虑初次人工裂缝内流体的可压缩性,引入流体压缩因子,建立了初次人工裂缝诱导应力场模型;根据势的叠加原理,建立了重复压裂井周围孔隙压力模型,根据W right的多孔弹性理论,计算了孔隙压力诱导应力场;考虑温度的影响,建立温度诱导应力场模型,根据线性叠加原理计算重复压裂前总应力场,给出裂缝转向的力学条件。计算了受3口水井影响的1口油井周围应力,其理论计算结果与现场实测结果吻合较好。     

地应力变化对重复压裂技术的影响

经过理论与现场实践的验证发现,近几年由于已开发区块的层位地下应力场发生改变,引起吉林油田部分区块施工压力升高。针对吉林油田地应力变化对重复压裂的影响及出现的问题,从理论和矿场试验等方面进行了分析和探讨,就低渗透油田重复压裂发展趋势提出了一些看法及应注意的问题。利用美国Pinnacle公司地面倾斜仪对新民地区两口井矿场测试验证,重复压裂裂缝是可以发生转向的。该发现为老油田重复压裂提供了科学依据。     

地应力变化对重复压裂技术的影响

对吉林油田地应力变化对重复压裂的影响及出现的问题,从理论和矿场试验进行了分析和探讨,同时就低渗透油田重复压裂发展趋势提出了一些看法及注意的问题。以前关于裂缝扩展的研究集中远井筒,对近井周围的应力状态研究不够。近几年,在重复压裂现场实践中发现施工压力逐渐升高,在吉林油田部分区块都发现了这样的现象。经过理论与现场实践的验证,已开发区块的层位地下应力场发生改变,引起施工压力升高。吉林油田利用美国Pinnacle公司地面倾斜仪对新民地区两口井进行矿场测试验证表明,重复压裂裂缝是可以发生转向的。这一成果为老油田重复压裂提供了重要的科学依据。     

重复压裂前诱导应力影响新裂缝转向规律

随着重复压裂技术现场应用的日趋成熟,如何产生不同于原裂缝走向的转向新裂缝成为目前重复压裂技术研究的热点问题。由于新裂缝的扩展方向主要由井周应力分布情况控制,重复压裂前初次裂缝、油井生产以及注水影响等因素产生的诱导应力是影响新裂缝形态的主要因素。应用多物理场耦合软件COMSOL建立了重复压裂井有限元模型,分析了重复压裂裂缝转向的机理和影响因素;建立了注水开发区块模型,研究了注水开发中注入水诱导应力的分布规律,以及注水量、注采井网分布等因素对新裂缝转向的影响。研究结果表明:裂缝转向受储层应力状态、油井生产情况和初次裂缝长等因素影响明显;注水井周边会产生应力集中,且在一定的井距下会影响新裂缝转向规律。此研究可以应用于预测重复压裂效果,优化重复压裂的选井选层,并指导现场重复压裂方案设计。     

川西重复压裂气井应力场分析

针对压裂气井生产过程中增产能力逐渐降低的问题,基于应力场分布的理论,结合川西地区的现场地质资料,建立了井筒及裂缝周围应力场分布的流固耦合模型,对气井生产的整个过程进行了仿真,分析了应力场转向范围和孔隙压力等随时间的变化规律,研究了重复压裂时机的选择.结果表明,孔隙压力随时间的推移而降低,孔隙压力改变范围不断增大;可根据计算出的应力转向范围与时间的拟合曲线选择重复压裂的最佳时机.为明确应力转向范围、判断是否实施改向重复压裂和选择重复压裂时机提供了直观可视的分析方法,具有很深的现场指导意义.     

重复压裂裂缝起裂角模型研究

考虑流固耦合下重复压裂井周围注/采孔隙压力分布,建立重复压裂井周围孔隙压力诱导最大主应力和主应力方位角数学模型;考虑初次人工裂缝内充满弱可压缩流体,引入流体影响因子,建立初次人工裂缝诱导应力场模型;根据线性叠加?理,建立重复压裂井周围应力场分布模型;根据裂纹破裂准则,建立了重复压裂裂缝起裂角数学模型,得出重复压裂裂缝起裂角范围,并通过两口重复压裂井计算结果与生产结果进行对比,表明模型计算结果准确,且计算方法实用。     

重复压裂前的地应力场分析

重复压裂是低渗透油藏增产稳产的重要措施之一,井眼周围和初次压裂裂缝附近的应力场分布对重复压裂裂缝的起裂和延伸有重要的影响。运用弹性力学和流固耦合理论,建立了原始地应力作用下的垂直井围岩应力、初次压裂裂缝诱导应力和孔隙压力诱导应力计算模型,实现了对重复压裂前井眼和裂缝附近地应力的定量研究;通过计算,得出了应力场和孔隙压力随空间和时间的变化特征。研究认为:孔隙压力变化和初次压裂裂缝在2个水平主应力方向产生的诱导应力,将改变初次压裂后井周的应力分布,并可能引起2个水平主应力的重定向;2个水平主应力的初始差值是决定应力是否发生重定向以及应力反转发生时间的关键因素。     

基于位移相关法的重复压裂裂缝尖端应力场研究

重复压裂技术是低渗透油田、非常规油气藏增产增效的重要措施,利用再加压打开储层的油气通道,可获取更高的开采量。新裂缝的起裂及延伸规律对重复压裂效果评价至关重要。从力学角度分析,裂缝的起裂及延伸与裂缝尖端应力强度息息相关。在饱和多孔介质固体骨架的平衡方程、流体力学和地质力学控制方程的基础上,考虑初始流体密度和孔隙度、地应力、初始孔隙压力等因素的影响,建立了适用于目标油井的储层流固耦合数学模型。以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量,对该模型进行时间域有限元离散,导出了储层流固耦合的非线性有限元增量方程。根据求解的位移值、应力和应变,基于有限元软件平台利用位移相关法求解裂缝尖端应力强度因子,进行实例分析,验证了所建模型的有效性。     

长庆低渗透油田重复压裂技术研究

从理论研究了低渗透油藏重复压裂的造缝机理,通过模拟实验分析了长庆低渗透油藏重复压裂的造缝现象,研究结果表明：产层经初次水力压裂后,近缝地层孔隙压力变化和支撑裂缝产生的诱导应力场将改变原始地应力场,从而导致重复压裂改向;重复压裂裂缝的启裂会改向,但其延伸扩展方向依然取决于地应力状态。通过重复压裂的理论计算及模拟试验,可为合理改造低渗油藏提供科学依据。     

多裂缝压裂工艺研究及现场实践

受储层地应力状态控制,双翼对称水力裂缝控制泄流面积有限,压裂油气井表现为初期产量高,产量递减快。多裂缝压裂是以增加主裂缝数目,并严格控制其裂缝形态为主要特征的新型压裂工艺,通过合理的施工参数和施工工艺控制主裂缝的条数和延伸方向,多方位沟通油气储集体,大幅度增加油气泄流面积,达到高产稳产的目的。在研究多裂缝产生机理的基础上,归纳出多裂缝的测试压裂特征和G函数特征。现场应用表明,多裂缝压裂技术能够极大地提高油气井产能。     

水力压裂裂缝应力场变化规律

水力压裂过程中裂缝周围应力场对裂缝的转向、扩展有重要影响,研究裂缝周围应力分布影响因素对压裂参数优化设计具有指导意义。基于裂缝扩展有限元方法,建立了裂缝扩展的数学模型,利用Abaqus软件研究了不同裂缝倾角（裂缝与最小水平主应力方向夹角）、主应力差（最大水平主应力与最小水平主应力之差）对裂缝壁面正应力和剪应力的影响;不同射孔角度（射孔方向与最小水平主应力方向夹角）对裂缝延伸轨迹和裂缝壁面剪应力、切向位移的影响;不同射孔簇间距对裂缝几何形态、剪应力、孔隙压力的影响。研究表明：当裂缝倾角增加时,裂缝壁面的正应力逐渐减小,剪应力呈先增大后减小的趋势,且在裂缝倾角为45°时达到最大;当裂缝倾角不变时,裂缝壁面正应力和剪应力随主应力差的增加而增加;裂缝转向半径随着射孔角的增加而减小;在主应力差高于6MPa时,45°射孔角有利于裂缝入口岩石产生剪切破坏;在多裂缝同时扩展过程中,当裂缝间距减小时,应力干扰区域内的剪切应力逐渐变大、裂缝周围流体分布逐渐减少;对于高应力差储层改造,采用缩小簇间距和45°方向射孔的密切割射孔方式有利于岩石产生剪切破坏。     

水平井压裂裂缝局部应力场扰动规律

压裂裂缝形成复杂裂缝网络是非常规储层改造成功的关键,而裂缝的起裂和扩展又受控于地层中应力场的分布,所以研究水平井压裂裂缝局部应力场的扰动规律十分必要。为此,建立水平井井筒集中应力与裂缝诱导应力叠加的水平井压裂裂缝局部应力场计算模型,利用有限元数值分析软件Comsol Multiphysic,模拟分析裂缝净压力、裂缝长度、裂缝条数和裂缝间距对水平井压裂裂缝局部应力场的扰动情况,并揭示各影响因素对应力场的扰动规律。结果表明,水平井压裂裂缝对最小水平主应力的扰动程度更为显著,其中裂缝净压力和裂缝条数与局部应力场的应力扰动幅度呈正相关关系,裂缝长度的增加会引起应力扰动距离的增大,而裂缝间距的增加则会使裂缝间应力扰动程度降低。     

超临界CO2压裂裂缝温度场模型

超临界CO₂压裂中,裂缝流体物性变化、相态规律以及裂缝的几何尺寸、导流能力等参数均与裂缝温度场密切相关。针对超临界CO₂无造壁性、滤失能力强的特点,考虑滤失过程中的节流效应,推导了滤失过程中的岩石温度场解析模型及裂缝壁面上的热流函数表达式;以此为基础,考虑裂缝内超临界CO₂压裂液的相态、物性变化,以比焓为研究对象,建立了超临界CO₂压裂裂缝温度场模型。通过实例分析,计算结果表明:随着滤失时间的增加,裂缝壁面上的热流速率逐渐减小,对应位置处的裂缝流体温度逐渐降低;滤失系数越大,裂缝壁面上的热流速率越小,裂缝内流体和周围岩石温度变化越慢。高滤失系数条件下,由于节流效应,滤失流体存在明显的"冷却"过程,会对裂缝温度场产生很大的影响。压裂过程中,裂缝内流体会存在相态的转变,由超临界态转化为液态与超临界态并存,同时近井地带存在生成水合物的风险。     

多次加砂压裂裂缝延伸模型研究与应用

在考虑多次加砂压裂时,加砂过程中砂堤高度变化对缝中流体流动及后续支撑剂沉降产生影响的基础上,建立了适用于多次加砂压裂的拟三维裂缝延伸模型,用数值模拟的方法对裂缝扩展进行预测。模型包括压裂液在缝中流动的连续性方程、压降方程、裂缝宽度方程及高度方程。其中压降方程是在平板流理论、力学平衡原理的基础上建立起来的,与常规压降方程不同的是方程考虑了砂堤高度变化对流体流动的影响。计算结果表明,多次压裂和常规压裂相比增产效果理想。现场试验表明多次压裂对储层改造效果好,对提高油气产量具有重要的意义。     

缝网压裂施工工艺的现场探索

为进一步提高缝网压裂现场实施的有效性,首先分析了以往采用蜡球实现缝内封堵的不足之处,认为主要在于影响泵效、封堵强度不够和蜡球溶解致裂缝导流能力降低。然后通过筛选对比多种暂堵剂的性能,并结合室内支撑剂性能及导流能力实验,提出选用大粒径支撑剂作为缝内封堵剂。此外将端部脱砂压裂作为缝网压裂的实施技术应用到现场中,现场实施了9口井16层。压后分析显示2种方法都有效地提升了缝内净压力。缝网压裂试验井效果显著,与邻井相比,投产前3个月的日产油量分别提高了101.2%、103.8%、133.3%。该技术为低渗/特低渗储层的有效动用提供了有效的手段。     

大牛地气田多级注入酸压工艺优化研究与应用

页岩储层需要采用大排量、大液量体积压裂才能获得工业气流,体积压裂要求压裂液具有可连续混配、低摩阻和高返排率性能。根据四川页岩储层特征和实验结果,研制了降阻性能高的聚丙烯酰胺降阻剂、高效复合防膨剂及微乳助排剂,研制了适于四川页岩气体积压裂的滑溜水。该配方在四川W、C区块直井8井次现场试验表明,降阻率为65.5%～68.3%;W区块平均返排率为46.19%,C区块返排率27.93%;累计增加井口测试产量6.24×104～11.35×104 m3/d。     

子洲气田压裂工艺技术研究

子洲气田上古生界是多套含气层段叠合发育区,山西组山2段发育三角洲前缘水下分流河道和河口坝沉积的储集砂体,石盒子组盒8段以三角洲前缘水下分流河道砂体为主,砂体展布比较稳定,是子洲气田的主力气层。但各储层都表现出较强低孔、低渗和非均质性强的特征,必须进行压裂改造才能有效地发挥出气井的产能。通过多次的开发实践,子洲气田已形成了一套加砂压裂综合工艺技术,应用效果显著。子洲气田低压气藏压裂工艺的研究优化及配套技术的完善,能够进一步提高单井产量,提高气田的经济综合开发效益。     

应力阴影效应对水平井压裂的影响

为揭示水平井分段改造中的应力阴影效应及其影响因素,基于水平井分段体积改造理论,借鉴Bunger的应力场分析假设条件,从水平井单一横切缝入手,建立起了考虑应力阴影的应力场叠加数学模型并推导出数学公式,在此基础上得出简化的水平井多段应力阴影效应应力场模型。对应力阴影效应影响因素的分析结果表明:储层地质参数中杨氏模量、水平主应力差对应力阴影效应的影响大,而泊松比对其影响则很小;施工参数中施工排量对应力阴影效应的影响明显,在一定储层条件下,分段及簇间距越小,应力阴影效果对水平井裂缝附近其他裂缝的扩展产生应力阴影影响越大。利用该研究成果对现场实际水平井压裂进行了优化设计,微地震监测结果表明:利用应力阴影效应只压裂6段就实现了以往10段压裂的改造体积,较之以往减少压裂4段,节约成本在30%以上。这对合理利用应力阴影效应进行水平井体积改造裂缝尺寸设置及工艺参数优化具有重要的指导意义。     

安塞油田重复压裂技术探讨

安塞油田随着开发时间推进,老井出现低液面,低面,低流和采 指数下降,综合含水上升,产量递减率增大,裂缝主向油井与侧向油井矸力差异大等日益突出的矛盾,这直接影响油田开发效益和最终要收率,对油田造成严重威胁。