煤岩定向井水力裂缝起裂及非平面扩展实验

基于真三轴压裂装置对天然煤岩开展室内压裂模拟实验,对比了直井和定向井两种井型压裂水力裂缝的起裂特征及扩展形态,主要研究了不同相对方位角条件下,地应力、煤岩割理对定向井压裂水力裂缝非平面扩展规律的影响。实验结果表明,水力裂缝的整体扩展方式由相对方位角、割理和地应力状态共同决定:随着相对方位角的增加,水力裂缝形态复杂程度、泵注压力以及裂缝延伸压力增加;当水力裂缝沿着与井筒斜交方向起裂时,受割理影响在扩展过程中裂缝转向并发生扭曲,引起近井筒区域裂缝形态复杂化,起裂点附近出现多裂缝。相比直井形成的"工"或"十"型裂缝形态,近井筒主裂缝扭曲扩展并伴随着多次级裂缝的复杂裂缝形态,是造成煤层定向井压裂水力裂缝延伸困难的主要因素。     

煤岩水力压裂裂缝形态实验研究

水力裂缝形态的正确判断是压裂施工设计和产能预测的重要部分,针对煤岩进行真三轴水力压裂,研究水平裂缝、垂直裂缝和复杂裂缝之间的转换条件,得出判断依据。实验证实:应力差(最小水平地应力减去垂向应力)为4～6MPa时,水力裂缝形态在垂直裂缝和水平裂缝间转变;在等应力差状态下,高围压状态会使水力裂缝形态趋于复杂;天然裂缝和割理对水力裂缝起裂与延伸过程产生不同影响;煤岩应力状态主导水力裂缝走向,当应力差异系数K_v在0.6~0.7之间时,煤岩内部天然裂缝和割理对水力裂缝形态有显著影响;并且在不考虑井眼附近天然裂缝时,需要苛刻的应力条件使水力裂缝的起裂阶段表现为水平裂缝。     

煤岩T型缝压裂实验及压力曲线分析

煤层气的水力压裂会形成煤层内多裂缝共存的复杂裂缝系统,有利于提高煤层气产能,而压裂实验可以分析复杂裂缝系统的形成。采集山西保德区块原始煤岩制成规则形状的煤样,利用设计的三轴可变应力压裂实验设备对煤样进行了室内水力压裂模拟,实验时分别设定了煤样的三轴应力,实验后得到了煤层T型缝,分析了压裂压力曲线及压裂后的煤样。实验条件下生成T型缝的压裂压力出现了2个峰值,其后裂缝开始延伸。分析认为,当压裂受煤岩原生裂缝影响时,压裂曲线会出现多个峰值,且峰值之间差别较小。压裂曲线的特征有助于现场压裂时复杂裂缝的判断。     

水平井缝网压裂裂缝间距的优化

为了让致密油气藏分段压裂时形成的水力裂缝和天然裂缝相沟通,形成复杂缝网,提高水力压裂增产效果,采用数值模拟方法研究了水平井缝网压裂的缝间距优化问题。建立了均质、各向同性储层内二维水力裂缝的诱导应力差模型;根据裂缝转向机理,推导出了缝间最大诱导应力公式,确定了最优间距。结合现场数据,计算了泊松比为0.2~0.5、缝间距为40~90 m时的缝间诱导应力。计算结果表明:地层的泊松比越小,裂缝的诱导应力差越大,诱导应力的传播距离越远;随着与裂缝距离的增加,诱导应力差呈现先增大后减小的趋势;当2条裂缝之间的距离为最优间距时,缝间的诱导应力差最大。研究表明,优化裂缝之间的缝间距,可以使裂缝之间的诱导应力差达到最大值,形成复杂的裂缝网格,提高油气与井筒之间的连通性。研究结果为低渗透油气藏缝网压裂时的裂缝优化设计提供了参考。      

沁水盆地郑庄区块煤储层水力压裂曲线类型及其地质影响因素

基于郑庄区块64口直井的压裂曲线分析,对水力压裂裂缝的扩展规律进行了总结,深入探讨了水力压裂曲线类型与煤体结构、天然裂缝发育、埋深和构造应力的关系。研究结果表明:最小水平主应力值较大、裂缝发育情况较差,不利于煤层起裂形成主缝,易形成上升型压裂曲线;最小水平主应力值较低、裂缝发育条件较好时,煤层容易起裂形成主缝,易形成下降型、稳定型和波动A型曲线;当垂向主应力与最小水平主应力相差不大时,易同时发育水平缝和垂直缝,形成波动B型曲线。大样煤岩压裂模拟实验表明该评价结果具有较好适用性。     

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。      

绒囊流体控制煤岩储层水力裂缝形态研究

煤岩储层水力裂缝易随割理和天然裂缝转向延伸,致使水力裂缝形态不规则且横向延伸较短。欲采用绒囊流体作为压裂液,在压裂过程中暂堵割理和天然裂缝,使压力向垂直于井筒的方向传递,从而形成规则长缝。室内测试绒囊压裂流体暂堵煤岩柱塞剖缝承压能力18 MPa,能够阻止裂缝向割理和天然裂缝方向偏转;绒囊压裂流体伤害煤基质渗透率恢复值86%,满足压后产气要求;φ0.9 mm陶粒在绒囊压裂流体中的沉降速率0.003 cm/s,满足携砂要求。X井压裂现场配制绒囊压裂流体520 m3,采用井筒加砂分隔的方式分层压裂山西组和太原组煤层。绒囊携砂液泵注过程中,施工压力稳定在14.64~15.99 MPa之间,表明水力裂缝延伸过程中未出现堵塞和转向。压后模拟发现,太原组缝长155.7 m,缝高41.3 m;山西组缝长163.9 m,缝高47.5 m。因此,绒囊流体能够作为压裂液形成规则长缝,解决了煤岩储层造缝不理想的难题。      

排量对页岩裂缝扩展的影响实验研究

页岩气藏在增产改造过程中需要大规模的水力压裂,施工排量的选择对水力压裂效果非常关键。利用真三轴水力压裂实验设备,模拟了压裂过程中不同排量条件下水力裂缝的扩展以及与天然裂缝的沟通情况。通过分析压裂曲线可知:变排量压裂能够提升缝内净压力,诱导水力裂缝转向,开启更多的天然裂缝形成复杂裂缝网络;天然裂缝发育时,排量越大,泵压越大,泵压波动越大,越有利于沟通更多的节理缝。     

页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展

页岩储层低孔低渗,水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施,压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析,得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法,但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程;②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟 方法,但各种方法都有其优缺点和适用性,需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展;③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成,天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大,复杂裂缝网络形成难度越大;天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小,越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。     

煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研究

煤层与常规砂岩储层不同,煤层抗压强度低,易破碎变形,水力压裂时形成的水力裂缝系统也相对复杂。煤层水力压裂时常出现一些垂直裂缝与水平裂缝共存,或多条垂直（水平）裂缝存在的现象,形成所谓的复杂裂缝系统。复杂裂缝系统是煤层割理,煤层与上下顶底板岩性较大的力学性质差异,煤岩构造应力,煤粉堵塞,不同岩性的界面效应等因素综合影响的结果。当煤层垂直应力与水平应力相差较小时,煤层往往出现“T”字型或“工”字型裂缝系统,对“T”字型或“工”字型裂缝系统进行设计研究,对煤层水力压裂具有较强的指导意义。根据复杂裂缝形成机理,以“T”字型裂缝系统为例,建立了其数学模型,对模型进行了计算设计。根据模型对山西晋城煤层气井组某口井进行了实例计算,结果表明模型计算设计结果与实际电测结果符合性较好,对指导下一步煤层气井水力压裂施工起到了很好的作用,有较强的实际意义     

Experimental investigation of propagation mechanisms and fracture morphology for coalbed methane reservoirs

Fracture propagation mechanisms in coalbed methane (CBM) reservoirs are very complex due to the development of the internal cleat system. In this paper, the characteristics of initiation and propagation of hydraulic fractures in coal specimens at different angles between the face cleat and the maximum horizontal principal stress were investigated with hydraulic fracturing tests. The results indicate that the interactions between the hydraulic fractures and the cleat system have a major effect on fracture networks. “Step-like” fractures were formed in most experiments due to the existence of discontinuous butt cleats. The hydraulic fractures were more likely to divert or propagate along the butt cleat with an increase in the angles and a decrease in the horizontal principal stress difference. An increase in the injection rate and a decrease in the fracturing fluid viscosity were more conducive to fracture networks. In addition, the influence on fracture propagation of the residual coal fines in the wellbore was also studied. The existence of coal fines was an obstacle in fracturing, and no effective connection can be formed between fractures. The experimental investigation revealed the fracture propagation mechanisms and can provide guidance for hydraulic fracturing design of CBM reservoirs.     

The impact of cleats on hydraulic fracture initiation and propagation in coal seams

Cleats are systematic, natural fractures in coal seams. They account for most of the permeability and much of the porosity of coalbed methane reservoirs and can have a significant effect on the success of hydraulic fracturing stimulation. Laboratory hydraulic fracturing experiments were conducted on coal blocks under true tri-axial stress to simulate fracturing stimulation of coal seams. Fractures were initiated by injecting a water gel with luminous yellow fluorescent dye into an open hole section of a wellbore. The impact of cleats on initiation and propagation of hydraulic fractures in coal seams is discussed. Three types of hydraulic fracture initiation and propagation pattern were observed in this study: 1) The hydraulic fracture initiated and then grew along the cleat. 2) The hydraulic fracture initiated along a butt cleat or a fracture(natural or induced by drilling) oriented roughly in the minimum horizontal stress direction, then turned to propagate along the first face cleat that it encountered or gradually turned towards the maximum horizontal stress direction. 3) The hydraulic fracture initiated perpendicular to the minimum stress and, when it encountered a face cleat, tended to propagate along the cleats if the extension direction does not deviate greatly(20° as determined in this paper) from the maximum horizontal stress direction. When a coal seam is hydraulically fractured, the resulting fracture network is controlled by the combined effect of several factors: cleats determine the initiation and extension path of the fracture, the in-situ stress state dominates the main direction of the fracture zone and bedding planes impede fracture height growth.     

天然裂缝地层斜井水力裂缝起裂压力模型研究

受天然裂缝和倾角的影响,水力裂缝在斜井井壁处可能存在3种起裂方式,分别为沿天然裂缝面张性起裂、沿天然裂缝面剪切破裂和从岩石本体起裂.根据地层地应力状态及天然裂缝的产状,建立了裂缝性地层斜井水力裂缝3种起裂方式的起裂压力计算模型,提出了水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法.现场实例表明:该模型能成功地解释天然裂缝性地层的破裂压力.     

柿庄北深煤层区块压裂工艺对比研究

深层煤层气井压裂没有成熟的经验可以借鉴,对比研究了柿庄北深煤层区块已成功施工的11口活性水压裂井、5口水力波及压裂井及2口水力喷砂分段压裂水平井,总结分析了这些井的工艺参数及施工效果。活性水加砂压裂井和水力波及压裂井施工风险低,成功率高;水平井水力喷砂分段压裂施工压力高,风险大,需进一步优化工艺参数,保障施工安全。该分析结果可为该区块后续煤层气压裂增产提供参考依据。     

径向井复合脉动水力压裂煤层气储层解堵和增产室内实验

针对煤层气钻采过程中普遍存在的储层伤害解除不彻底的问题,提出了有助于解堵和增产的径向井复合脉动水力压裂技术思路:水力喷射多分支径向井,利用高导流径向孔眼进行适度的脉动水力压裂改造,从而在主井筒附近一定区域内最大限度地冲击、破碎煤层,形成高导流通道与裂缝网络相结合的大范围卸压增透区。为了验证其技术原理,设计并开展了径向井复合脉动水力压裂室内实验,采用声发射仪与脉冲伺服疲劳试验机等实验装置,围绕径向水平井复合压裂形成裂缝时的声发射响应特征与煤岩的破裂程度、宏观裂缝形态之间的关系开展了室内研究。结果表明:(1)实验条件下,径向水平井复合脉动水力压裂达到常规压裂峰值压力的1/3~1/4下即可起裂,声发射事件数是常规压裂的1.38~7.07倍;(2)径向水平井复合脉动水力压裂中获得强烈的声发射信号响应,产生宏观破裂的峰值压力较低,相同条件下更易获得较大范围的缝网;(3)径向井分支数、井眼长度、动载频率及振幅等参数是影响径向水平井复合脉动水力压裂效果的重要因素。结论认为,径向水平井复合脉动水力压裂方法提供了一种煤层气解除储层堵塞和高效开发的新思路,可实现煤层气井的有效解堵和增产。     

低渗透油气藏水平井分段多簇压裂簇间距优化新方法

水平井分段多簇压裂中簇间距的大小是决定水平井分段多簇压裂成败的关键因素。为提高低渗透油气藏储层压裂改造效果,需建立合理的簇间距优化模型,而现有的优化方法多以应力反转半径作为最佳间距,并未定量化表征压裂后的储层改造效果。为此,基于弹性力学基础理论和位移不连续法建立了考虑水力裂缝干扰模式下的复杂地应力场计算模型,研究了天然裂缝在复杂地应力场条件下发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的规律,再以获得最大缝网波及区域面积为优化目标,形成一种新的簇间距优化方法。研究结果表明:(1)张开的水力裂缝会在其周围产生诱导应力,压裂液的滤失则会导致地层孔隙压力变化,相应的地层孔隙弹性应力也会发生变化;(2)天然裂缝剪切破裂区域与张开破裂区域重叠,且前者要远大于后者,可采用天然裂缝剪切破裂区域面积来表征复杂裂缝网络波及区域的大小。采用该方法指导了现场水平井的簇间距优化设计,实验井压裂后取得了理想的增产效果,为低渗透油气藏水平井分段多簇压裂的簇间距优化设计提供了借鉴和指导。     

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煤层中含有大量优质清洁的煤层气，通常使用水力压裂技术才能正常生产。由于煤层中含有大量天然裂缝，所以压裂时压裂液滤失严重、裂缝扩展极其复杂。因此，了解煤层气井压裂的裂缝扩展对于指导高效开采煤层气具有重要作用。通过统计分析中国石油在华北地区的5个试验区块的压裂施工资料，发现煤层压裂中地层破裂压力梯度集中在0.0144~0.053 MPa/m之间，施工压力普遍较高。使用井温测试法和大地电位测试法测量了煤层裂缝的方位和高度，分析发现：压裂后的煤层裂缝一般都穿越其上下隔层，最大时裂缝的高度超过压裂层厚度的4倍；裂缝的长度大部分为50~70 m，形状基本以垂直裂缝为主，也有垂直裂缝和水平裂缝共生的情况，少数压裂井出现单翼垂直裂缝。裂缝方向存在着随机性，但在某方向上出现的概率较大，说明裂缝扩展是地应力、局部地层构造和煤层割理共同作用的结果。     

页岩压裂裂缝网络预测方法及应用

页岩储层天然裂缝发育,加上水力压裂所形成的复杂裂缝网络,可以为油气流动提供有效通道,然而复杂裂缝网络扩展对压裂裂缝识别与优化设计也提出了新的技术挑战。为此,综合考虑天然裂缝与水力裂缝相互作用、缝间“应力阴影”等影响,应用流体力学与断裂力学理论,建立了裂缝网络扩展模型（FNPM）,实现了不同力学参数、不同天然裂缝等条件下裂缝扩展方位、几何尺寸、支撑裂缝面积等多指标预测。理论模拟和现场实例应用结果表明：①改造裂缝网络扩展受控因素多,地应力差、簇间距及净压力等参数决定了“应力阴影”效应的强弱,天然裂缝与水力裂缝之间的相互作用机理决定了改造裂缝网络的复杂程度;②地应力差相同时,簇间距越小,“应力阴影”效应越强,水力裂缝扩展偏离主应力方向,裂缝宽度减小,不利于加砂;③天然裂缝内摩擦系数、天然裂缝与水力裂缝夹角越小,净压力越高,天然裂缝越容易开启或剪切,增加了改造裂缝的复杂性;④裂缝扩展方向、裂缝长度二者预测具有较好的一致性,但受天然裂缝发育差异的影响,局部压裂段有一定的差异性。所提出的裂缝预测方法为页岩改造裂缝识别与后期压裂设计提供了技术支撑。