椭圆形井筒破裂压力预测模型

水力压裂是油气藏增产的一项重要技术手段,准确预测破裂压力是水力压裂成功的关键。目前的破裂压力预测模型假设井筒为圆形,但测井数据表明井筒为椭圆形。因此,运用复变函数理论和弹性力学理论,推导出椭圆形井筒井周应力场计算解析表达式,建立椭圆形井筒破裂压力预测模型,通过公式蜕化和数值计算检验证明本文模型的正确性。分析椭圆长短轴比和地应力差对破裂压力的影响,研究表明:(1)以我国西部地区某井为例,本文模型计算的破裂压力与现场实际的误差在4%以内;受井筒形状的影响,最小水平地应力方向有应力集中效应,裂缝沿着该方向起裂。(2)当长短轴比较大时,裂缝在最小水平地应力方向起裂,将会发生近井筒裂缝弯曲现象;当长短轴比较小时,小范围的井壁坍塌会引起破裂压力有较大提升。(3)平衡曲线有y(28)ax(10)1的表达形式,当参数点落在区域I内时,破裂压力受地应力差影响大,井筒沿着最大水平地应力方向起裂;当参数点落在区域II内时,破裂压力受井筒形状影响大,井筒沿着最小水平地应力方向起裂;当参数点落在平衡线及其附近区域时,井筒各个方向的破裂压力相近,井筒内多裂缝同时起裂。     

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

 射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明：利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂数值模拟研究

为明确页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂机制,利用Abaqus有限元计算软件,建立三维单级三簇射孔和单射孔段(包含天然裂缝)的压裂裂缝起裂计算模型,研究地应力、井筒方位、射孔参数以及天然裂缝等对裂缝起裂压力和位置的影响。结果表明:裸眼射孔的起裂压力远低于套管射孔;起裂压力随最小水平地应力的增加而增大,但影响程度受垂向地应力与最小水平地应力的比值控制;最大水平地应力和垂向地应力的变化对起裂压力影响不显著;起裂压力大致随井筒方位角的增加而减小,当存在天然裂缝时,起裂压力没有任何线性规律,天然裂缝在剪应力区易发生剪切滑移起裂;起裂压力随射孔方位角的增加先减小后增大,射孔方位角的变化严重影响裂缝的起裂形态;起裂位置与最小和最大水平地应力、井筒方位角和天然裂缝的胶结强度、方位密切相关;由于内部射孔受到两侧射孔产生的沿井筒方向的附加应力干扰,闭合应力增加,因而更难起裂,导致起裂次序从端部射孔开始向中部射孔发展,当应力差较高(>7 MPa)时,附加应力干扰明显,要实现多射孔的多裂缝起裂扩展,需提高注入压力;起裂位置在射孔孔道中的变化是射孔根部应力集中强度与远端受射孔附加应力干扰程度相互竞争的结果;由于射孔簇间距较大,射孔簇间的应力干扰对裂缝起裂影响微弱,各射孔簇压力分布相似。     

复杂泥页岩地层地应力的确定方法研究

掌握地层原始地应力状态是有效控制钻井过程中泥页岩地层井壁失稳的前提。在分析水压致裂法、Kaiser效应法、差应变法和多极子测井方法测量地应力的技术现状的基础上，发现利用单一方法获取复杂泥页岩地层的地应力比较困难，将多种方法组合在一起才能较好地解决问题。如果地层破裂试验层段有钻井岩芯，可通过差应变方法获得主地应力的比值；如果地层破裂试验层段没有钻井岩芯，可通过多极子测井方法得到两个水平主地应力的差值。将两个水平主地应力的相对值代入地层破裂试验的破裂压力计算模型，可分别确定出两个水平主地应力的大小。利用地层破裂试验与差应变试验组合测地应力方法和地层破裂试验与多极子测井组合测得应力的方法，分别较为成功地测试地应力。     

水力压裂起裂与扩展分析

水力压裂起裂与扩展压力的确定是压裂设计最为重要的参数之一,与水平孔或垂直孔水力压裂相比,任意方向钻孔水力压裂的起裂与扩展更加复杂。根据最大拉应力准则,分析任意方向钻孔裂缝起裂压力及起裂方向,得出量纲一起裂压力(pb/σv)随钻孔方位角和钻孔倾斜角的变化规律;并以王台铺煤矿顶板岩层水力压裂为例,进行起裂压力与起裂位置计算,通过有限元计算分析扩展压力较大的原因。研究结果如下：(1)当水平主应力相等时,钻孔从垂直方向逐渐旋转至水平方向过程中,所需起裂压力不断减小,水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,裂缝起裂压力保持不变;(2)随着σH/σh或σH/σv的增大,裂缝起裂压力的变化规律与地应力场类型密切相关;(3)钻孔由垂直方向转向水平方向过程中,对于3种类型的应力场(正断层型、平滑断层型、逆断层型),裂缝起裂压力有着各自独特的变化规律;(4)水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,对于不同类型的应力场,合理布置钻孔方向可使起裂压力最小;(5)当岩石抗拉强度与地应力大小相近时,增大抗拉强度使裂缝起裂所需的压力明显增大;(6)有限元计算结果表明,裂缝起裂后旋转扩展会导致较高的扩展压力;(7)在进行水力压裂作业时,地应力的大小、方向和类型是进行钻孔参数设计的基础。     

须家河组致密砂岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为研究建南地区须家河组致密砂岩储层水力压裂裂缝延伸特征及空间展布规律,利用室内真三轴水力压裂物理模拟系统,开展致密砂岩水力压裂试验研究。基于试验结果,初步揭示水力裂缝的起裂与扩展机制,分析水力裂缝的裂缝形态,讨论压裂液排量、类型及地应力差异系数对水力裂缝的影响。研究结果表明:致密砂岩水压致裂后主要形成单一、单翼的水力裂缝,较少形成交叉网络裂缝。水力裂缝主要有4种起裂模式和6种扩展模式,岩石性质是控制起裂与扩展模式的主要因素之一。泵压曲线可分为4大类,第1类泵压曲线对应于单一、单翼的平面型裂缝,第2~4类曲线对应于交叉网络裂缝。破裂压力与排量呈正相关的关系,而与地应力差异系数没有明显规律。压裂液为蒸馏水时,必须考虑滤失效应,而压裂液为液压油时,则不考虑。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

水、ScCO_2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究

为研究不同压裂条件下致裂煤体裂纹形态与形成机制,采用无烟煤试件在轴压/围压分别为12/10,14/10和16/10MPa下开展水力、ScCO_2压裂试验,综合运用显微CT和三维形貌扫描表征压裂后裂隙煤体的内部裂纹形态、裂纹面粗糙度特征,并讨论不同压裂条件下致裂煤体裂纹的起裂扩展机制。结果表明:ScCO_2压裂形成的裂纹数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高,显微CT得到的孔裂隙率表明ScCO_2压裂改造范围大于水力压裂;与水力压裂不同,ScCO_2压裂影响范围更大、释放的能量更多,导致裂纹网络趋于一次形成;水、ScCO_2压裂裂纹起裂扩展均受地应力状态、层理弱面的影响,只有垂向地应力差异系数大于0.6,才能产生纵向主裂纹,反之,产生横向主裂纹;采用最大拉应力理论能较好预测产生纵向裂纹的临界起裂压力,而基于莫尔–库仑理论推导的起裂准则,能较好预测水、ScCO_2致裂煤体下产生横向裂纹的临界起裂压力,相对误差在5%以内。     

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。     

应用水压致裂法测量三维地应力的几个问题

以新疆某抽水蓄能电站地下厂房区地应力实测资料为基础,探讨了当前应用水压致裂法测量三维地应力存在的几个问题,提出了孔壁出现倾斜水压破裂时计算三维地应力的简便方法,并对水压致裂三维地应力测量方法的应用前景进行了讨论。     

现场泥水劈裂试验及应用研究

采用泥水平衡盾构进行过江越海隧道施工时,重要的技术难点就是特殊小覆土区间盾构掘进保证开挖面稳定以及防止泥水劈裂的发生。对于泥水劈裂现象的室内试验研究,有一定的基础资料。但是,由于尺寸和边界条件限制,使其研究成果不能直接应用到工程中去。在理论分析的基础上,研制了现场泥水劈裂仪,确定了劈裂试验的具体实施步骤和劈裂压力的断定方法。并在南京某在建过江隧道工程中进行了现场劈裂试验。（1）试验结果表明：由于劈裂过程为突变过程,采用总应力法时,地层劈裂模型能很好的预测地层劈裂压力,也更符合实际工况;由理论分析得出,掘进模式模型的地层劈裂压力更小,几乎与地层静止侧向土压力相当;增加泥水黏度能够增加地层劈裂压力,但增加量有限。（2）运用现场劈裂试验结果给出了防止泥水劈裂的泥水压力设定上限值,并运用盾构机在始发不远处进行了原位泥水劈裂试验,在一定程度上验证了预测模型的准确性。     

利用地应力实测数据讨论地形对地应力的影响

首先详细描述了研究区域内2个钻孔的水压致裂地应力测试结果，包括测试段深度、最大和最小水平主应力的量值以及诱发破裂的印模定向试验结果。此外，还对测区内地质构造、地形地貌条件以及地层岩性进行了简要的介绍。经过对地应力测试结果以及相关数据的初步分析，发现对于相距仅280m左右的2个钻孔，其地应力状态及其分布规律存在较大的差异。为此，结合三维有限元数值模拟技术，对研究区域的地应力赋存状态和分布规律进行了更为详尽的分析，进一步研究和讨论了地形条件对地应力状态的影响和控制作用。     

利用地应力测量技术探查油井地层注水分布特征

对油层所在层段进行压裂注水驱油可以提高油田采收率,而确定注水的流向是合理部署注采井网的重要依据。利用电磁波地应力测量新技术对周庄G1井地层注水空间分布特征进行探查,并将探测得到的电压值换算成地应力值,研究表明,地应力值的大小与富水程度具有一定的相关性,低地应力值对应于强富水,高地应力为弱富水或不富水。从注水层段地应力纵向和平面分布及含水层厚度3个方面分析注水影响范围及富水性平面分布特征。探测结果显示：在G1井东部40 m及SW50 m处存在2个近南北向地应力低值条带,为注水后富水的区域,其后的采油实际资料证实了探测结果的可靠性,为油井旧井挖潜的有效技术手段。     

万福煤矿深部水压致裂地应力测量

为了克服煤田上覆冲击层厚度高达700m所造成的困难，保证超千米深部地应力测量的成功，对传统水压致裂法测量方法和设备进行改进，增加测量系统的耐压能力和测试系统的精度。在完成的7个钻孔、37个测点的现场实测中，6个钻孔的深度接近和超过1100m，最大测点深度为1105m，创造了我国水压致裂法测量地应力钻孔深度的新记录。通过实测，确定了矿区的地应力状态及其分布规律。研究结果表明，37个测点的最大水平主应力与垂直主应力的比值为1．441～3．224，平均为1．97，反映了矿区地应力场以水平应力为主导的特点。测量结果可为矿山建设和开采设计提供科学的依据。     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

泥水劈裂试验伸展现象的力学分析

 泥水盾构掘进时,在江中冲槽段等复杂条件下,泥水压力很难设定,稍有不慎就会发生泥水劈裂,甚至导致泥水喷发危及工程安全。为观察并研究劈裂伸展现象及其力学机制,在研制现场泥水劈裂仪并进行现场试验的基础上,建立泥水劈裂伸展模型,给出防止泥水劈裂的泥水压力上限设定的计算方法。研究表明：泥水劈裂伸展的力学特性不仅与地层性能有关,而且与所选用的泥浆特性有关。实际工程中,在地层性能不易改变的条件下,增加泥水重度、提高泥水黏性有利于阻止劈裂进一步伸展。劈裂发生后出现的泥水压力降低现象将有利于阻止泥水劈裂进一步伸展。在劈裂发生后,不能因为泥水压力下降而急忙增加泥水压力,这样不但泥水压力不能增加,反而会导致泥水劈裂的迅速伸展,加快泥水喷发的发生。绝大多数情况下,在泥水劈裂伸展的过程中泥水和地层的组合抗劈裂能力会逐渐变小。因此,预防泥水盾构开挖过程中的泥水喷发问题,要从预防泥水劈裂入手,对泥水压力的上限进行控制。     

煤矿深部岩体地应力特征及开挖扰动后围岩塑性区变化规律

 基于淮南5个煤矿区的水压致裂法地应力测量结果,揭示淮南煤矿区的地应力特征及其随岩性的变化规律,分析开挖后围岩应力特征及塑性区变化规律,初步得出如下结论：(1) 淮南5个煤矿区地应力以构造应力场为主,属高应力区;(2) 岩性对岩体地应力侧压系数影响大,砂岩区岩体地应力侧压系数为1.52～1.87,泥岩区岩体地应力侧压系数为1.08～1.18;(3) 岩性是影响围岩塑性区特征的重要因素。由于岩性的差异,最大主应力相近的潘一煤矿和顾桥煤矿南区围岩塑性区范围有较大差异。与此同时,刘庄煤矿实测部位最大水平主应力小于潘一煤矿,但由于矿区测试部位的岩性为灰泥岩,围岩塑性区范围明显大于岩性为石英砂岩的潘一煤矿。研究结果可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。