煤储集层起裂强度和损伤强度的各向异性特征

综合采用裂纹体积应变法和声发射法分析了煤储集层起裂强度、损伤强度、破坏模式和声发射特征的各向异性特征。研究表明,煤储集层抗压强度、起裂强度和损伤强度均表现出明显的各向异性特征,抗压强度随层理倾角的增加而减小,但层理倾角为45°与90°时抗压强度相差不大,起裂和损伤强度均随层理倾角的增加先减小后增大,层理倾角为0°时起裂和损伤强度最高,90°时次之,45°时最低;层理倾角为0°时煤储集层破坏模式为大尺度破裂的稳步扩展,层理倾角为45°时部分为小尺度破裂稳步扩展,部分为大尺度破裂的突发式失稳扩展,层理倾角为90°时主要为小尺度破裂的突发式失稳破坏;与声发射计数相比,声发射能量更适合用来确定煤储集层的起裂和损伤强度。图14表2参35     

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。     

页岩力学特性的层理效应及脆性预测

为系统研究层理面对页岩力学性质的影响机理,以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例,首先使用偏光显微镜及扫描电镜等对页岩岩样进行微观分析,可见页岩的层理、层间微裂缝及微孔隙等较发育,黏土矿物呈定向排列,层间胶结作用较弱;再通过岩石单轴压缩物理实验和RFPA （真实破裂过程分析）数值模拟,系统研究不同的层理角度、层理密度及层理面力学性能等对页岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性等参数的影响;最后,采用统计学方法提出一种基于层理密度、层理角度、单轴抗压强度及层理面力学性能等参数的页岩脆性预测新方法。结果表明：页岩的弹性模量随着层理角度的增加呈现先减小再增加之后再次减小再次增加的趋势。页岩的单轴抗压强度和脆性指数的特征曲线均近似为U型,随着层理角度的增加而先减小后增大,且在层理角度为45°左右时,两者均达到最小值,在层理角度为0°和90°附近时,两者的值均相对较大。随着层理角度的增加,页岩的泊松比整体上呈现先降低再增加而后再降低的趋势,并在30°左右出现最小值,在70°左右出现极大值。页岩的弹性模量、单轴抗压强度和脆性指数等参数总体随层理密度的增大而降低;泊松比随着层理密度的增大在不同的层理角度表现出不同的状态。不同层理角度岩石的破裂类型不同。强度参数、弹性参数、脆性及破裂模式等均表现出很强的各向异性特征。整体而言,针对页岩力学特性的层理效应研究及脆性预测,可为页岩气的合理开发及页岩气井的井壁稳定提供一定的理论参考。     

考虑吸附膨胀和滤失附加应力的井壁应力模型

页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力是影响煤系页岩储层水力压裂后水平井应力分布重要因素,不可忽略。考虑页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力,基于各向异性材料理论,建立了煤系页岩横观各向同性储层水平井井壁应力模型,分析了煤系页岩储层水平井井壁应力分布特征,考察了井筒方位角对井壁周向应力分布影响,得到了有效应力、地应力和各向异性程度对井壁起裂压力的影响规律。研究表明:井壁周向应力近似椭圆形分布,拉应力与压应力同时存在,拉应力区有效应力对井壁周向应力影响较大,方位角为90°和270°时最大,30°、150°、210°和330°时无明显影响,有效应力作用下最大井壁周向应力随井筒方位角增大近似线性增加,增加程度先降后增;吸附膨胀作用使井壁起裂压力降低,不利于井壁稳定性,高孔隙压力下吸附膨胀作用对井壁起裂压力影响更为明显;起裂压力随各向异性系数增大而减小,两者呈二次函数关系,各向异性系数越大,煤系页岩层理及其基质强度越低,天然裂缝越发育,越不利于井壁稳定性,井壁起裂压力随侧压系数增大而减小,两者呈线性递减关系。研究成果为煤系页岩气有效开发提供了科学参考。     

页岩力学参数各向异性研究

页岩气开发过程中钻遇的页岩储层,由于其层理构造具有明显的各向异性,开展相关研究对钻井和储层改造是十分重要的。分析认为,可以假设页岩为横观各向同性介质,并从横观各向同性应力应变关系的坐标变换出发,能够推导出层理性页岩方向性的弹性模量、泊松比与垂直层理、平行层理方向弹性常数的关系。通过不同层理倾角页岩岩样的单轴压缩实验和超声波实验测量岩样的抗压强度、动静态弹性模量和动静态泊松比,研究了页岩层理对其力学参数的影响。实验和理论计算结果均表明：将层理页岩看做横观各向同性介质在力学上是相对准确的;垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比;动态弹性参数的各向异性程度强于静态弹性参数的各向异性程度;层理岩石弹性模量、泊松比随层理倾角有规律变化;根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。     

页岩三轴压缩条件下的纵横波速特征

针对页岩层理发育和各向异性强的特点,利用钻井取心进行了一系列三轴压缩条件下的超声波速度测试,获得了不同层理倾角、轴向载荷条件下的纵横波速度变化特性。实验结果表明:1)层理倾角增大,页岩的抗压强度和残余强度呈U型变化趋势,弹性模量逐步增加,泊松比呈先增后减的趋势;2)层理倾角增大,页岩的初始纵横波速度增大;3)随着轴向载荷对页岩内部结构的影响,三轴压缩条件的纵横波速度呈先增后降的趋势;4)页岩水化能增加纵横波速度,大幅度降低页岩的抗压强度;5)页岩动态弹性模量和泊松比的比值与静态弹性模量和泊松比的比值比较接近,相关性较好;6)在围压条件下,页岩弹性模量与泊松比的各向异性系数差别较小。实验结果对于认识和了解页岩的力学、超声波特性,以及声波测井的校正,具有一定指导意义。     

基于页岩各向异性的裂缝起裂数值模拟分析

页岩层理在水平方向上有序地定向排列结构导致了页岩较强的弹性各向异性。基于岩石横观各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型。考虑页岩弹性力学参数各向异性差异,进行了射孔参数和非均匀地应力对水平井裂缝起裂压力和起裂位置的敏感性研究分析。研究结果表明:裂缝起裂点对射孔方位角有较强的敏感性,随射孔方位角的增大易出现复杂的裂缝起裂形态;裂缝起裂压力随射孔方位角的增大而增大,随射孔密度的增大而减小;弹性模量各向异性对起裂压力有较大的影响,弹性模量各向异性比值越大,起裂压力越小;无论是均质地层还是各向异性地层,水平地应力比值对起裂压力的影响较大,初始水平地应力比值对起裂压力的影响较小。计算结果可为页岩储层的裂缝起裂压力预测以及裂缝扩展机理深入研究提供参考。     

王府断陷深层气藏火山岩储集层可压性评价

王府断陷深层气藏火山岩储集层具有埋藏深、物性差等特征,传统的开采手段受限,需进行压裂改造才能有效建产。以王府断陷深层气藏火山岩储集层为研究目标,通过岩石力学实验和声发射测试,综合岩石的各向异性、脆性、应力敏感性、天然裂缝密度、声发射活动性等共同评价储集层的可压性和造缝能力。研究表明:王府断陷深层气藏火山岩脆性矿物含量高,抗压强度较大;岩石弹性波速变化范围大,应力敏感性有一定的差异性,天然裂缝各向异性弱;储集层存在一定的流体敏感性,但敏感性强弱程度不一;蒸馏水和质量分数为15%的KCl溶液的造缝能力较强。储集层可压性综合评价对优选压裂层位、压裂液体系和设计压裂改造方案提供理论指导,为王府断陷深层气藏的勘探开发提供依据。     

腐蚀套管剩余强度数值模拟分析

套管腐蚀损坏是油气田开发过程中的重要问题之一.国内外研究主要集中在套管腐蚀速率预测及防护技术方面,对于腐蚀套管剩余强度的分析研究较少.采用数值模拟的方法对圆弧形和半月形这两种套管腐蚀后的主要形态进行分析.结果表明：套管剩余抗拉强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而增加,剩余抗挤、抗内压强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而减小;套管剩余抗拉强度随半月形腐蚀缺陷长度增加而增加,剩余抗挤强度随缺陷长度增加而减小,套管剩余抗内压、抗拉强度随缺半月形腐蚀陷深度的增加而线性减小,套管剩余抗拉、抗挤和抗内压强度都随套管壁厚的增加而增加,与圆弧形腐蚀缺陷规律相同.     

层理性页岩岩石力学特性数值模拟

为了探究层理性页岩在不同层理条件下的力学性质,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,基于岩石破裂过程分析系统RFPA^2D数值模拟软件,模拟了在不同层理密度、层理角度的情况下,页岩的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗张强度和断裂韧性的变化。随着页岩层理密度的增大,抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均出现不同程度减小,而泊松比呈现增大趋势;在层理密度不变的条件下,随着层理角度的增加,页岩的抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均呈现先减小再增大的趋势,而泊松比则先增加后减小。其中,抗压强度和弹性模量在层理角度约40°时出现最小值,抗张强度在层理角度约20°时出现最小值,断裂韧性在层理角度约30°时出现最小值。研究结果表明：层理密度、层理角度均对页岩的破坏形式和力学性质具有显著影响,且随着层理条件的改变,页岩的抗压强度、抗张强度、弹性模量和断裂韧性变化趋势相同,泊松比变化趋势则相反。     

胜利油田罗家地区页岩储层可压性实验评价

页岩储层的"可压性评价",目前国内外尚无统一的评价方法.结合室内岩石力学和物性参数测试结果以及脆性指数计算方法,尝试对目标储层进行可压性评价,探索并形成较为系统的室内实验评价方法.结果显示,页岩抗张强度、单轴抗压强度、抗剪强度和断裂韧性较砂岩和碳酸盐岩低;垂直层理方向粘聚力大于平行层理方向,沉积层理面胶结脆弱;受诱导应力的作用,平行的沉积层理(天然裂缝系)与主裂缝夹角越大,越容易起裂.断裂韧性实验中,当人字形切槽与沉积层理面的夹角在45°以内时,裂缝容易沿层理面扩展;大于45°时,裂缝将穿过层理面扩展.综合分析表明,该页岩储层可压性较强.     

泥页岩地层水力裂缝延伸方位研究

以非线性断裂力学理论为基础,通过应力叠加原理,推导出了Ⅰ-Ⅱ型复合水力裂缝起裂角的解析模型。利用该模型计算了裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域范围,并将利用该模型计算出的起裂角与利用最大周向应力准则计算出的起裂角进行了对比。结果表明:裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域的范围分别是0~0.18,0~0.45,0~0.45和0~0.18倍半缝长;裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°时,裂缝的起裂角为180°;当裂缝与最大水平主应力方向夹角增大至90°时,起裂角降为0°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角及缝内流体压力相同的情况下,利用该模型计算出的起裂角比利用最大周向应力准则计算出的大0°~20°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角相同的情况下,缝内流体压力为55 MPa时的起裂角比缝内流体压力为45 MPa时的大0°~40°。研究表明,利用非线性断裂力学研究泥页岩地层起裂是可行的,研究结果可以为水平井分段压裂优化提供一定的理论指导。      

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。     

基于颗粒流的页岩破裂机理试验研究

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了基于颗粒流的页岩破裂数值试验研究。根据页岩的岩石力学性质,采用并行PSO算法反演得到页岩颗粒细观力学参数,并基于PFC离散单元模型分别进行了预制2条裂纹下的巴西劈裂和水力劈裂数值试验,通过改变试验参数分析了裂纹相互作用对其扩展的影响。数值模拟发现:巴西劈裂试验预制裂纹夹角为30°和45°时,垂直裂纹扩展至倾斜裂纹时停止扩展转而从倾斜裂纹两端开裂并扩展,变形由弹性变形变为塑性变形;裂纹夹角为90°时,垂直裂纹贯穿水平裂纹,变形主要是弹性变形;水力劈裂试验中,预制裂纹夹角越小,倾斜裂纹越容易发生剪切破坏,垂直裂纹越趋于改变扩展方向,扩展路径越复杂。研究表明,裂纹倾角对页岩气藏水力压裂缝网的形态具有重要作用,岩体应变达到峰值后轴向应力-应变呈现先减小后增大的余弦波函数关系,且倾角越小压裂缝网越复杂。      

固井水泥浆对裂缝割理发育型煤层气储层的伤害机理

我国滇东黔西地区煤层气储层割理、裂缝发育,破裂压力低,固井水泥浆(以下简称水泥浆)容易侵入煤层气储层,造成储层伤害以及储层改造破裂压力异常升高等现象。为了揭示水泥浆伤害该类煤储层的机理,在分析煤岩的理化性能和潜在伤害方式的基础上,通过CT扫描、电镜扫描等技术手段,直观分析煤心内部污染前后裂缝、孔隙结构发育情况与水泥浆在裂缝、孔隙中的侵入、堵塞情况,进而计算得到水泥浆和裂缝在煤心中的体积占比关系,建立了水泥浆伤害煤储层的定量评价方法。研究结果表明:(1)水泥浆及其滤液在压差作用下沿煤储层的裂缝侵入储层内部,其侵入程度随裂缝、孔隙发育程度变化,裂缝、孔隙越发育,侵入程度越高;(2)侵入储层内部的水泥浆经胶结固化后,形成的水泥产物在裂缝、孔隙中致密填充,并致密覆盖煤心表面,严重堵塞煤层气流通通道,表现出固化后的水泥产物使煤心渗透率降低、煤岩抗压强度升高,使后续压裂破裂压力异常升高,影响压裂改造效果;(3)水泥浆滤液对煤岩的碱敏、速敏影响程度远小于水泥浆侵入对煤岩的伤害程度。结论认为,所建立的水泥浆污染煤储层的定量评价方法对提高煤储层固井质量、保证煤层气高效开发等都具有指导作用。     

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。     

有效应力对煤储层不同方向渗透率影响的差异性

为探究有效应力对煤储层不同方向渗透率的影响差异，以鄂尔多斯盆地东缘柳林矿区南部4号煤层为研究对象，运用脉冲衰减克式渗透率测试方法，分析了不同有效应力条件下顺层渗透率及垂层渗透率变化规律及两者之间的相互关系。研究表明：煤储层不同方向渗透率随有效应力的增加均呈现幂指数降低的趋势，当有效应力为10MPa时，顺层渗透率及垂层渗透率均处于渗透率变化临界点，而且两者随有效应力的增大呈现线性相关的降低趋势，顺层渗透率与垂层渗透率比值为4∶1。通过对顺层及垂层的储层应力敏感性差异性研究，发现顺层及垂层裂隙压缩系数随有效应力压差的增大而减小，渗透率应力敏感性随有效应力差的增大而增大，顺层裂隙压缩系数、应力敏感性均小于垂层方向。通过煤储层不同方向的裂隙应力敏感性、渗透率应力敏感性对比分析，认为有效应力对煤储层不同方向渗透率的控制主要是由有效应力对煤基质裂隙的压缩存在空间差异性所造成的。     

裂纹对主蒸汽管道弯头强度的影响

为了找出裂纹对主蒸汽管道弯头强度的影响规律,以90°推制弯头为分析对象,模拟主蒸汽管道的实际工况,首先分析了不同长度和深度的单个裂纹对弯头强度的影响,在此基础上,分析了不同间距的两个裂纹对弯头强度的影响,以及裂纹间距对双裂纹应力的叠加效应及影响范围。分析结果表明,当单裂纹深度一定时,裂纹长度越大裂纹承受的最大应力也越大,且应力分布趋于均匀;当单裂纹长度一定时,随着裂纹深度的增大裂纹承受的最大应力越小;对含有两个裂纹的弯头,裂纹间距越大裂纹间应力的叠加效应就越小,缺陷间距不同使得缺陷附近的应力梯度不同,缺陷间距越小应力梯度越大。     

裂缝性页岩储层水力裂缝非平面扩展实验

开发页岩气藏通常需要采用大规模的水力压裂工艺技术,而页岩储层中的天然裂缝、层理面对水力裂缝的扩展路径又有着非常重要的影响。研究天然裂缝对水力裂缝扩展的影响可为现场预测水力裂缝扩展方向以及实施缝网压裂提供技术支撑。为此,选取4块尺寸为400mm×400mm×400mm的下志留统龙马溪组页岩露头标本,来进行真三轴水力压裂实验和声发射监测,以便研究水力裂缝与天然裂缝的沟通行为。实验结果表明:水力裂缝遇到天然裂缝时可发生转向或者穿透天然裂缝,形成一种空间非平面裂缝网络;大开度、低胶结强度的天然裂缝容易导致水力裂缝转向,难以形成新的主水力裂缝面;水力裂缝穿透层理面时,流入到层理面上的压裂液呈椭圆状分布;水力裂缝从岩石本体起裂的方向上声发射点较集中,沿着天然裂缝扩展的方向上声发射点少。结论认为:1水力裂缝能否穿透天然裂缝与天然裂缝的开度、胶结强度有关;2裂缝性页岩储层水力压裂易形成空间非平面网状裂缝;3与主裂缝面相比,压裂液进入到层理面的体积较少。     

致密储层人工裂缝与天然裂缝夹角对水驱油效果的影响

为研究人工裂缝与天然裂缝夹角对水驱油效果的影响，考虑重力和裂缝对水驱油效果的影响，建立了非活塞式水驱油油水两相单向渗流模型，利用有限元分析方法，通过产量和含油率定量分析人工裂缝与天然裂缝夹角处于0°~90°时对水驱油效果的影响。研究表明:人工裂缝与天然裂缝夹角越大，油井产量越高，当人工裂缝与天然裂缝夹角为90°时，油井累积产量最高，且油井产量递减速度最小；人工裂缝与天然裂缝夹角增大，扩大了注入水波及基质系统的范围，驱油效果显著，当人工裂缝与天然裂缝夹角为90°时，裂缝系统和基质系统的驱油效果显著优于其他角度的裂缝分布，注入水波及范围最广，剩余油最少，但水驱油效率整体较低。该研究结果有助于认识裂缝分布对于水驱开发效果的影响，并预防水窜的发生。