水力裂缝与天然裂缝交错延伸规律

非常规与致密储层的缝网压裂或分段压裂改造技术使水力压裂裂缝与天然裂缝交错延伸的问题成为焦点。为了更好地控制水力裂缝的延伸方位,达到最优缝网状态,以位移不连续方法为基础,依据单元体的叠加原理,建立了二维裂缝延伸计算模型,对一条水力裂缝与一条天然裂缝在不同倾角、间距、应力等条件下的交错延伸规律进行了量化模拟。研究结果表明：裂缝间距、倾角能较大地影响裂缝延伸幅度,天然裂缝与压裂裂缝间距大于1 m、倾斜角小于70°时,压裂裂缝会诱使天然裂缝转弯延伸,直至相交;主应力比值对交错裂缝延伸幅度有一定程度的影响;储层泊松比与杨氏模量对交错裂缝延伸幅度却不明显。     

致密砂岩储层水平井水力压裂裂缝参数影响因素数值模拟

在大规模压裂开发过程中,水力压裂裂缝扩展形态及空间展布是致密砂岩储层改造效果定量描述和评价的难点。为了研究水平井水力压裂裂缝扩展形态及空间展布规律,通过落实岩石力学参数,建立油藏地质、岩石力学及地应力模型,利用kinetix水力压裂模拟模块,模拟泊松比、弹性模量、水平应力差、加砂量、压裂液排量以及压裂液总量等参数对复杂缝网形成规律的影响,分析了裂缝起裂和扩展的规律。结果表明：随着泊松比、弹性模量、加液量的增加,裂缝缝长呈减小的趋势,加砂量、主次应力差对裂缝缝长影响较弱;裂缝导流能力随泊松比、单段加液量、加砂量、压裂液排量的增加而增大,主次应力差在6 MPa左右时,裂缝导流能力最高,弹性模量对水力裂缝的导流能力影响相对较小;主次应力差较小时,裂缝展布方向与主应力方向夹角较大;主次应力差较大时,裂缝沿主应力方向延伸。研究结果可为致密油藏储层水平井大规模压裂参数优化和压后定量评价提供技术支撑。     

水平井体积改造多裂缝扩展形态算法——不同布缝模式的研究

为了探索不同布缝模式的水平井体积改造多裂缝扩展形态,基于位移不连续边界元法,建立了三维非平面裂缝应力干扰计算模型,并根据亚临界裂缝扩展模型和最大周向应力准则,提出了多裂缝扩展形态算法。根据该算法,编程求解了不同布缝模式的裂缝扩展形态,研究发现:(1)多簇压裂模式外侧裂缝为主扩展裂缝,内侧裂缝扩展变短且发生非平面扩展,有利于产生复杂裂缝,单簇压裂有利于单簇缝长的有效延伸;(2)应力干扰只作用于发生交叠的裂缝,并不作用于对称分布的未交叠裂缝;(3)在交错布缝模式下,后续压裂缝与邻近裂缝发生交叠时会向邻近裂缝靠近,偏转角度为5°~6°;交错布缝同步压裂时,井间裂缝以9°~10°的偏转角相互靠近,不利于远井的储层改造,而交错布缝拉链式压裂可提高裂缝延伸长度,增大远井改造体积;(4)多井间隔布缝模式增大了施工缝间距,可减小裂缝偏转幅度,而采用先压裂一段中间井,后在邻井围绕该段压裂的布缝顺序,能够增大裂缝复杂度,提高改造体积。     

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。      

安棚裂缝性储层压裂技术研究与应用

安棚裂缝性储层压裂施工早期砂堵的主要原因是压裂形成的人工裂缝易沿天然裂缝延伸形成张开程度不一的多支缝，从而难以形成具有一定缝宽的主裂缝。针对储层特征对压裂液性能的要求，用大量的室内实验确定了压裂液基本配方，根据压裂温度场模型模拟了计算压裂过程中的温度变化；应用升破胶剂浓度和降交联剂浓度的变浓度压裂液优化设计技术，保证压裂施工需要的压裂液粘度和压裂结束后压裂液的迅速破胶和快速返排性能。文章提出了前置液中加入变砂比的段塞式“砂团”充填技术，依次堵住不同缝宽的多支裂缝，以保证形成具有一定缝宽的主裂缝。同时配套多段加砂压裂技术和裂缝强制闭合技术，现场应用效果显著，成功地解决了压裂过程中低砂比砂堵的难题，保证了低渗透裂缝性油藏的压裂开发。     

水平井平行裂缝间诱导应力干扰机制的数值模拟研究

水平井平行裂缝间的诱导应力场相互叠加,造缝机理复杂化。应用数值模拟方法,对多平行裂缝诱导应力相互干扰的机制进行研究。首先对预制单裂缝在垂直和平行裂缝方向上诱导应力的数值解和解析解进行对比,结果表明垂直裂缝表面方向的诱导应力相对平行裂缝表面的诱导应力要大。其次对2条预制平行裂缝及2条同步扩展裂缝周边的诱导应力变化规律进行研究,结果表明小裂缝间距、长裂缝和小主应力差更有利于主应力反转和网状裂缝的形成。最后研究了3条同步扩展的平行裂缝的几何形态,研究表明较小缝间距和较大的水平应力差异系数会造成中间裂缝很难起裂或起裂后迅速止裂,不易形成有效裂缝。较小的主应力比值有利于裂缝转向,产生沿原始最小主应力方向的分支裂缝,更有利于在页岩储层中形成复杂裂缝网络。在合适的地应力条件和缝间距下,中间裂缝能突破“扩展抑制期”而进入“二次扩展期”。     

水平井压裂裂缝起裂及延伸规律模拟实验研究

应用水平井多级压裂技术对油气储层进行体积压裂缝网改造,已经广泛应用于非常规油气资源开采中,但较少研究水平井井筒走向与地应力方位的关系对压裂裂缝起裂及延伸的影响,以及主应力差对裂缝复杂程度的影响等问题研究。根据现场水平井压裂施工要求,通过物模压裂实验模拟了低孔低渗砂泥岩地层水平井在裸眼完井与套管射孔完井2种完井方式下,主应力差为10MPa和4MPa,水平井井筒方位角分别为0、30、45、60、90°时的裂缝起裂和延伸规律。结果表明：主应力差对裂缝起裂影响很大,应力差越小起裂压力越高,裂缝起裂和延伸越复杂;裂缝沿井筒轴向起裂,在井筒两端裂缝最终转向垂直于最小水平主应力方向延伸;水平段井筒沿最小水平主应力方向时,压裂能够形成横断缝。该研究对理解不同方位角的水平井压裂裂缝的起裂及裂缝延伸规律具有重要意义。     

低渗透油藏水平井压裂理论及现场工艺探讨

水平井井筒应力分布和岩石破坏准则构成了水平井压裂裂缝起裂数学模型,利用迭代法对模型进行了求解.分析表明,井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂.现有的裂缝延伸模型中,全三维裂缝延伸模型计算结果与Fracpro-PT软件计算结果具有很好的一致性,适合水平井压裂裂缝延伸模拟,裂缝间距较长时,多条裂缝延伸模型可以在考虑裂缝之间干扰的基础上结合单裂缝延伸模型建立.现场多条裂缝压裂可以总结为限流法压裂和分段压裂两种,限流法施工相对简单,改造强度相对较小,分段压裂改造强度大,但工具设备和工艺要求高,现场水平井压裂作业时应根据现场情况选择合适的压裂工艺.图4表1参14     

玛湖凹陷风城组页岩油藏水平井压裂裂缝扩展模拟

水力压裂是玛湖凹陷二叠系风城组页岩油藏有效的开发手段,但压裂裂缝扩展特征不明确。针对该区水平井压裂起裂难和加砂难的问题,亟需开展水力压裂模拟,明确天然裂缝、岩石力学性质和施工参数对压裂效果的影响。依据玛页1H井实际泵压、压裂液排量、加砂量等压裂施工参数,采用Abaqus软件和Petrel软件建立二维压裂裂缝扩展模型和三维水力压裂模型,开展压裂裂缝扩展数值模拟。结果表明,压裂改造效果与天然裂缝关系密切,天然裂缝发育处岩石抗拉强度越小,压裂裂缝越易被天然裂缝捕获;当压裂段内杨氏模量较大时,形成的压裂裂缝缝宽小,且多沿着天然裂缝走向扩展滑移,加砂难度大;当压裂段内杨氏模量较小时,形成的压裂裂缝缝宽较大,可直接穿过天然裂缝,加砂相对容易。     

裂缝性气藏压裂关键技术

结合川西和国内外裂缝性油气藏在压裂施工实际,在裂缝性气藏压裂施工过程中,由于天然裂缝开启导致的压裂液过量滤失、主裂缝难以形成和延伸,施工过程中表现出高的施工压力和低砂比阶段快速砂堵等难点,通过压前裂缝诊断技术、压裂施工过程中的综合降滤、实时裂缝诊断技术是确保裂缝性气藏压裂避免沿天然裂缝延伸形成张开程度不一的多支缝,确保施工过程中形成具有一定缝宽的主裂缝的关键。为后期加砂压裂提供了基础保障。
     

多裂缝应力阴影效应模型及水平井分段压裂优化设计

针对页岩气藏水平井分段压裂中应力阴影的表征方法及影响因素不明确的问题,基于水平井分段压裂理论,借鉴水力压裂裂缝诱导应力产生机理,从单一垂直裂缝入手,利用应力叠加原理得出了多条裂缝应力阴影效应的数学模型。应用该模型分析了应力阴影的影响因素,结果表明:①泊松比与水平主应力方向的应力阴影呈线性关系,当泊松比为0.2~0.4时,最小水平主应力方向的诱导应力为0.36~0.72 MPa;②裂缝数量越多间距越小,应力阴影效应作用越强;③裂缝数量增加的同时也增大了施工难度,5条裂缝比3条裂缝的净压力增加了41.46%;④当裂缝间距小于100 m时,裂缝容易转向形成缝网;⑤裂缝间距是缝高的1.5倍时,应力阴影效应非常小,超过2倍后可以忽略不计。上述结论对合理利用应力阴影效应进行水平井分段压裂优化设计具有指导意义。     

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。     

吉木萨尔凹陷页岩油密切割压裂多簇裂缝竞争扩展模拟

针对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层地质特征,建立了重点改造井的密切割体积压裂裂缝扩展三维离散元数值模型,模型依据成像测井资料设置了随机分布的天然层理和高角度裂缝,依据纵向分层数据设置了小层及层间界面.模型模拟了不同分簇数和簇间距下的复杂裂缝扩展过程,分析了密切割体积压裂改造过程中多簇裂缝竞争扩展规律和改造后裂缝系统的立...     

水力压裂裂缝转向数值模拟研究

水力压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态,垂直裂缝井压裂前储层中的应力分布,尤其是水平主应力方向控制着裂缝的起裂方位和延伸方向。分析了影响储层地应力场、裂缝方位及几何尺寸的因素,在此基础上,建立了压裂裂缝转向的应力场和渗流场数学模型并进行模型求解。对压裂裂缝转向机理进行了定量研究。     

Stress redistribution in multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells in shales

Multi-stage hydraulic fracturing of horizontal wells is the main stimulation method in recovering gas from tight shale gas reservoirs, and stage spacing determination is one of the key issues in fracturing design. The initiation and propagation of hydraulic fractures will cause stress redistribution and may activate natural fractures in the reservoir. Due to the limitation of the analytical method in calculation of induced stresses, we propose a numerical method, which incorporates the interaction of hydraulic fractures and the wellbore, and analyzes the stress distribution in the reservoir under different stage spacing. Simulation results indicate the following: (1) The induced stress was overestimated from the analytical method because it did not take into account the interaction between hydraulic fractures and the horizontal wellbore. (2) The hydraulic fracture had a considerable effect on the redistribution of stresses in the direction of the horizontal wellbore in the reservoir. The stress in the direction perpendicular to the horizontal wellbore after hydraulic fracturing had a minor change compared with the original in situ stress. (3) Stress interferences among fractures were greatly connected with the stage spacing and the distance from the wellbore. When the fracture length was 200 m, and the stage spacing was 50 m, the stress redistribution due to stage fracturing may divert the original stress pattern, which might activate natural fractures so as to generate a complex fracture network.     

碳酸盐岩缝内暂堵转向压裂裂缝扩展规律实验

溶洞是塔河油田缝洞型碳酸盐岩储层的主要储集空间,且井周许多发育储集体位于非水平最大主应力方向上,采用暂堵转向压裂可以实现非水平最大主应力方向上的储层改造。采用30 cm×30 cm×30 cm的天然碳酸盐岩露头进行缝内暂堵转向压裂模拟实验,通过CT扫描技术对一次压裂和暂堵压裂后的裂缝形态进行观测,探究了地应力差、天然裂缝和压裂液黏度对裂缝形态的影响,并进行暂堵起裂理论分析。研究结果表明:岩样天然裂缝或层理发育以及足够的暂堵压力是实现缝内暂堵转向压裂的必要条件;不同水平应力差下,均能实现缝内暂堵转向,并且地应力差越小,裂缝形态越复杂,改造越范围越大;暂堵剂进入裂缝内是保证转向压裂成功的重要条件,压裂液黏度过低时携砂能力差,形成的一次裂缝开度相对较小,易导致暂堵剂难以进入。研究结果为塔河油田缝洞型碳酸盐岩储层压裂方案设计提供了理论依据。     

周边脱砂压裂模型优化设计

周边脱砂压裂技术是压裂技术从常规压裂到脱砂压裂,再到端部脱砂压裂技术之后发展起来的一种新的技术,只有该技术才可能在压裂中形成相对较短、较宽裂缝。目前对于脱砂压裂裂缝扩展模型的研究大都忽略了裂缝纵向流动。为此,在前人的研究基础上,针对周边脱砂压裂的特点将带缝高压降影响的拟三维模型引入到脱砂后裂缝扩展模型,在脱砂后模型中考虑缝宽方向压降对裂缝扩展的影响,推导了适合周边脱砂压裂的脱砂后新模型;并在此基础上开发了适合周边脱砂压裂扩展的模拟软件,模拟结果与现有商业软件(三维)模拟结果相吻合,证明建立的脱砂后模型考虑因素全面,对脱砂后缝宽预测更符合实际。     

致密砂岩水平井组同步压裂过程中诱导应力场变化规律

水平井组同步压裂过程中多井多裂缝导致的诱导应力对压裂设计、复杂裂缝的形成有重要影响,但目前对诱导应力场变化规律的研究相对较少。为此,建立了双井多缝诱导应力场数学模型,并利用线性叠加原理和矢量表征方法,得到了不同裂缝参数及井距时两井中间位置处诱导应力场的变化规律。研究发现,布缝方式、裂缝宽度、裂缝长度和井距对诱导应力场的影响程度各不相同:诱导应力场对裂缝长度与井距的变化最为敏感;相邻两井中间位置处产生的诱导应力最大,井筒井壁位置产生的应力最小,欲使压裂裂缝转向形成复杂裂缝系统,需要布缝方式、裂缝长度、裂缝宽度与井距相互匹配。大牛地气田DP43井组现场井下微地震监测结果证实了上述研究成果,从而也解释了水平井组拉链式布缝同步压裂可以获得高产的原因。水平井组诱导应力场变化规律的清楚认识,为致密砂岩水平井组合理设置井距与优化压裂设计方案提供了依据。      

水力压裂中的应力阴影效应与数值计算

从岩石的细观非均质特性出发,采用岩石破裂失稳的渗流-应力-损伤耦合分析系统,设计了一系列的数值试验揭示水力裂缝间的应力阴影效应。试验条件下的研究结果表明：①应力阴影效应受水平应力差系数、注入孔间距、岩石非均质性、压裂顺序的影响,表现为排斥和吸引2种力学行为,体现在裂缝尖端应力伞面积、裂缝宽度和长度方面;②随着岩石均质度的提高,应力阴影效应对尖端应力伞的影响变弱,裂缝尖端应力伞的面积逐渐减小;③水平应力差较小时,井孔间距对应力阴影效应的贡献要大于远场应力;高水平应力差时,远场应力对“Stress shadow”的影响要强于井孔间距;④应力阴影效应伴随着裂缝的动态扩展而不断变化,裂缝尖端的应力伞面积和缝长具有很强的相关性,二者服从幂函数分布。通过这一研究,可以为水平井多裂缝射孔间距优化提供一定的理论依据。