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。     

页岩气储层变排量压裂的造缝机制

裂缝性页岩储层压裂时,如何通过调节压裂泵排量,使水力裂缝沟通更多天然裂缝,是缝网压裂的关键。选取龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂试验,压裂过程中以逐步阶梯式方式提高排量,实时分析变排量压裂时水力裂缝扩展行为以及与天然裂缝的沟通情况。试验结果表明：采用变排量压裂,初始阶段,随着压力逐渐升高,会在井筒周围的弱面附近产生多个待破裂点,随排量突然提高会使水力裂缝沿着多个破裂点动态分叉扩展。随着排量阶梯式升高,泵压明显升高,排量越大,泵压波动越大,水力裂缝与天然裂缝沟通形态越复杂,天然裂缝产状和缝内净压力等影响到水力裂缝进一步沟通程度。试验结果证实,变排量压裂可以激活更多天然裂缝,有助于形成复杂裂缝网络。     

深层页岩真三轴变排量水力压裂物理模拟研究

针对深层页岩高水平应力差(水平应力差大于10 MPa)条件,为明确深层页岩复杂缝网形成规律,探究促进缝网形成的施工手段。设计脉冲升排量、阶梯升排量和恒定排量3种压裂模式,利用室内大型真三轴水力压裂物理模拟实验,并结合声发射监测和压后岩心剖切照片,分析3种不同压裂模式下水力裂缝起裂、扩展规律。实验结果表明:压裂液总泵注量一定程度能反映压后裂缝的复杂程度,压裂液累计注入量越高,形成的缝网越复杂;脉冲升排量压裂模式停注憋压阶段有利于压裂液渗入天然裂缝,从而激活天然裂缝;压裂液排量对复杂缝网的形成有较大影响,小排量有利于打开原生天然裂缝,而高排量使得水力裂缝直接穿过原生天然裂缝;页岩中天裂缝是形成复杂缝网的物质基础,打开和沟通这些天然裂隙尤为重要。通过室内物理模拟实验研究,以期为现场深层压裂施工设计提供一定参考。     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。     

基于室内水力压裂试验的水平井起裂模式研究

为研究水平井水中水力裂缝的起裂模式,利用露头介壳灰岩开展室内水平井水力压裂试验,通过压裂液中添加示踪剂、泵压曲线分析、声发射监测定位、压后试样剖切观察等手段对井壁处水力裂缝的起裂和扩展现象进行描述和分析。得到以下结论:(1)水力裂缝的起裂模式可归纳为3类:I型——单一横向裂缝、II型——多条横向裂缝、III型——纵横交叉裂缝。(2)每种起裂模式有特定类型的泵压曲线与之对应:I型起裂模式对应的起裂压力较小,起裂后压力有较大幅度跌落;II型起裂模式对应的起裂压力较大,起裂后压力持续升高,波动剧烈;III型起裂模式对应的起裂压力较大,但起裂后压力波动较小。(3)试样中水力裂缝的起裂模式具有随机性,且起裂压力具有较大的离散性。(4)声发射的活动性能够较好地反映水力裂缝的起裂扩展,水力裂缝起裂的瞬间,声发射活动性最强。(5)声发射事件点子密集分布的区域与实际的水力裂缝位置有较好的一致性,可利用声发射定位结果初步判断水力裂缝的分布。(6)在较高的排量下,水平井更容易形成单一横向裂缝,而在低排量下水力裂缝的起裂形态可能更趋向于复杂,排量是影响水平井起裂模式的一个关键因素。(7)可尝试结合现场压裂泵压曲线推测储层水力裂缝的起裂与扩展。     

致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究

开发低孔、低渗的致密灰岩储层需要进行大规模的水力压裂。致密灰岩的成岩过程、矿物组成以及岩石力学性质与致密砂岩等储层差异很大,在不同应力状态以及施工参数条件下水力裂缝扩展形态有待研究。采用真三轴水力压裂试验系统对致密灰岩露头展开压裂物模试验,研究地应力差、压裂液黏度、变排量、酸处理等多种因素对水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验结果表明:当水平地应力差在2~8 MPa之间时,水力裂缝易于沟通天然裂缝形成复杂裂缝网络;压裂液黏度升高,会降低剪切滑移和滤失膨胀的可能性,从而降低裂缝的复杂程度;在走滑断层的应力状态下,即σ_Hσ_Vσ_h,容易形成水平缝,特别是当井眼方向沿着层理面时极易沿着层理起裂;变排量压裂可以激活更多的天然裂缝,有助于形成复杂的裂缝网络;酸液预处理裸眼井段能够显著降低破裂压力,随泡酸时间的增加,破裂压力下降幅度逐渐增大。研究成果为现场压裂施工提供参考。     

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。     

三维空间中非连续面对水力压裂影响的试验研究

油气储层常发育断层、天然裂缝、节理等非连续面,其产状、地应力状态对水力裂缝扩展路径会产生重要影响。尤其是在致密油气藏、页岩油气藏等储层中,其天然裂缝影响着水力压裂后的裂缝网络。利用真三轴水力压裂试验设备,模拟了水力裂缝在具有不同产状非连续面的人造岩体中的扩展行为,并分析了泵压曲线的特征。试验结果表明:水平主应力差存在临界值(5~7 MPa),小于该临界值,水力裂缝不可能穿透非连续面;非连续面走向角和地应力差异系数越大,水力裂缝越容易穿透非连续面;非连续面倾角跟水力裂缝的扩展行为没有明显的关系;穿透试验中的泵压曲线跟没穿透试验中的泵压曲线差别明显;压裂曲线峰值泵压均随水力裂缝中点到储层中非连续面的最短距离(简记为DNF)增大而递减。与非连续面的倾角相比,走向角是影响水力裂缝穿透行为的关键因素;准确预测油藏中水力裂缝扩展路径,有必要准确获取非连续面产状和三向地应力场;根据泵压曲线的特征,可判断水力裂缝是否穿透非连续面和定性的判断DNF,为油田现场评价水力压裂效果提供参考。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。     

注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。     

应力转向条件下水力压裂的三维数值模拟分析

为研究应力转向条件下水力压裂裂纹的扩展规律,基于有限元数值计算方法及三维应力条件下渗流-损伤-应力(应变)理论模型,分别建立3组不同围压及转向条件下水力压裂的并行计算数值模型。计算结果表明:在扩展形式上,固定围压条件下的水力裂缝扩展方向性显著,裂缝分叉后以直行状态继续扩展;而转向应力条件下的水力裂缝随着地应力的转向发生明显偏转。由于地应力转向前初始裂纹的非对称性,工况3条件下3条水力裂纹的水压力会随着地应力的转向发生相应的变化,且裂纹稳定扩展压力小于破裂压力。用声发射方法研究了水力压裂的破裂过程,结果表明水力裂缝的产生与扩展都是拉应力作用的结果,可以用声发射次数作为预测失稳的依据。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

水力加砂压裂试验装置的研制及应用

为研究非常规天然气开采过程中支撑剂的运移规律,自主研发水力加砂压裂试验装置。该装置主要由岩石三轴试验机、压裂液泵压伺服控制系统、声发射监测系统3个部分组成,且具有以下特点:1可以模拟不同地应力、不同排量条件下携砂压裂试验;2压裂液注入可以通过流量模式和压力模式控制;3改进的声发射探头具有耐高油压性能,能够用于三轴室内。采用该装置进行了不同地应力、不同排量以及携砂条件下水力压裂试验,结果显示:地压力越大、排量越大红色砂岩起裂压力越大;携砂压裂后的压裂面离裸眼越远,支撑剂浓度越低且支撑剂并不是遍布所有压裂面;声发射累计计数在初期比较稳定,呈线性增加,在起裂前迅速增多。     

毛细管力影响下页岩储层液化石油气压裂裂缝网络扩展形态研究

页岩储层中广泛分布着从纳米级到毫米级的多尺度天然裂缝,这些天然裂缝显著影响着压裂后的缝网形态。液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)压裂液具有黏度和表面张力小的特点,在页岩储层中压裂后易形成裂缝网络。针对LPG在页岩储层中的压裂特性,同时考虑了天然裂缝尺寸及压裂液与储层润湿性的影响,建立了LPG压裂裂缝网络扩展模型。通过研究发现,天然裂缝宽度越小、初始长度越长、压裂液润湿性越强,天然裂缝越容易起裂、扩展,形成的裂缝网络形态越复杂,压裂效果越好。     

煤系页岩储层多气共采水力裂缝扩展规律试验研究

多岩性组合煤系页岩储层在纵向上交替发育页岩、煤岩及灰岩等多类含气层,压裂后储层间的连通程度与裂缝复杂程度是决定多气共采成败的关键。通过制作模拟煤系页岩储层的多岩性组合层状岩石试样,开展真三轴压裂物理模拟试验,分析了水力裂缝纵向扩展形态及多因素影响规律。试验结果表明：岩性界面、页岩层理及煤岩割理等非连续结构面对水力裂缝垂向扩展具有显著抑制作用,水力裂缝缝高扩展往往呈非对称扩展模式;值为0.1的低垂向应力差系数更易被弱结构面捕获,高垂向应力差系数、高压裂液注入速率有利于裂缝垂向穿层扩展,水力裂缝穿透至煤岩中可激活割理系统形成复杂裂缝网络。试验结果证实了多岩性煤系页岩储层多气共采的可行性,研究结果亦可为认识煤系地层水力裂缝形态及指导现场压裂施工提供参考。     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

基于孔压黏聚型裂纹水力压裂数值模拟的研究

针对岩体水力压裂的裂纹扩展问题,基于Cohesive单元建立了孔压黏聚型裂纹模型,采用二次应力失效断裂准则及临界能量释放率裂纹扩展准则,判断裂纹起裂扩展规律,建立一种新的岩体水力压裂数值分析方法,并对在不同压裂液黏度和岩体弹性模量条件下的裂纹扩展形态进行模拟,分析压裂液黏度对裂纹面压力梯度及裂纹形态的影响以及不同弹性模量岩体中裂纹的扩展形态。     

循环渐进升压对页岩压裂效果的影响

为了揭示循环渐进升压对页岩压裂效果的影响规律,开展页岩真三轴水力压裂试验,对比分析一次性压裂与循环渐进升压致裂的破裂效果。试验结果表明:(1)基于泵压曲线、声发射能量对比分析,一次性压裂方式,倾向于单次造缝;循环渐进升压致裂方式,倾向于多次造缝和沿着不同方向造缝。(2)基于声发射定位展布特征对比分析,一次性压裂声发射定位,呈现条带状分布,对应单一裂缝;而循环压裂声发射定位呈现离散化分布特征,对应更大压裂体积范围。(3)基于宏观裂纹形态、数量和分形维数对比分析,循环压裂方式能显著提高页岩缝网密度和改善页岩渗透特性,可以优化和改进现场水力压裂施工方法。(4)基于扩展有限元数值模拟分析,循环注入方式能产生更加偏转和路径更长主裂缝,沿途倾向支生更多次生裂隙,可以增加缝网密度并提升体积压裂的效果。