水力压裂多裂缝起裂模拟实验与分析

对于石炭系天然裂缝性油气藏或某些砂岩油气藏,在水力压裂过程中容易产生近井或远井的多裂缝,造成低砂比砂堵、施工压力升高等现象。为探索多裂缝的起裂机理,该实验采用真三轴模拟试验系统,分别模拟了井斜 、天然微裂缝、水平地应力差等因素对多裂缝形成、裂缝延伸轨迹的影响。实验表明,射孔排的位置对裂缝的起裂位置、转向角度大小有支配作用;裂缝内压力大,或者水平应力差小,则裂缝转向慢,转向半径大;应力差大则形成多裂缝的可能性增大;井斜增大,则形成多裂缝的可能性增大;天然裂缝的产状对多裂缝的形成有支配作用;天然裂缝在裂缝延伸过程中的四种作用包括横穿、顺从、先顺从后变向、造成多裂缝等;多裂缝延伸压力异常。该实验的结果对于研究多裂缝的形成机理有重要的参考意义。     

水力压裂裂缝的起裂和扩展

本文综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究,提出了垂直裂缝和水平裂缝的起裂判据并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素。文章认为裂缝的形成主要决定于井壁上的应力状态,而确定及影响此应力状态的因素有:地壳应力、地层的孔隙压力、井内液体压力、压裂液向地层中的渗滤流动以及被压裂地层的机械物理性质,并对此进行了较详尽的分析。作者注意到目前国外正引用线弹性断裂力学来分析裂缝延伸的方向及延伸的阻挡问题,提出裂缝的延伸方向主要取决于地应力,认为不论井壁上初始形成的裂缝方位如何,在远离井眼后,裂缝便趋于垂直最小主地应力的方向。扩缝压力除了取决于最小主地应力外,还与裂缝的类型、尺寸及岩石材料的性质有关。文章中还分析了地层岩性的变化、交耳面的性质、裂隙面的存在、压裂液的比重及其滤失,地应力分布的变化等对裂缝端部应力强度因子的影响,认为这是判断裂缝继续延伸或产生阻挡作用的重要依据。     

水力压裂裂缝的起裂和扩展

本文综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究,提出了垂直裂缝和水平裂缝的起裂判据并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素。文章认为裂缝的形成主要决定于井壁上的应力状态,而确定及影响此应力状态的因素有:地壳应力、地层的孔隙压力、井内液体压力、压裂液向地层中的渗滤流动以及被压裂地层的机械物理性质,并对此进行了较详尽的分析。作者注意到目前国外正引用线弹性断裂力学来分析裂缝延伸的方向及延伸的阻挡问题,提出裂缝的延伸方向主要取决于地应力,认为不论井壁上初始形成的裂缝方位如何,在远离井眼后,裂缝便趋于垂直最小主地应力的方向。扩缝压力除了取决于最小主地应力外,还与裂缝的类型、尺寸及岩石材料的性质有关。文章中还分析了地层岩性的变化、交界面的性质、裂隙面的存在、压裂液的比重及其滤失,地应力分布的变化等对裂缝端部应力强度因子的影响,认为这是判断裂缝继续延伸或产生阻挡作用的重要依据。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

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。     

压裂水平井人工裂缝起裂规律与施工对策

通过对水平井筒受力状态和应力分布的分析,建立了水平井筒井壁受力模型和起裂角的计算模型,利用模型对不同井眼方位角水平井人工裂缝起裂角的进行了计算,并与小型压裂测试近井筒扭曲摩阻结果、井下微地震人工裂缝监测结果和现场施工数据曲线压力变化规律进行了对比分析,验证了模型计算结果的可靠性,并针对不同井眼方位角水平井压裂施工难度进行了分析,给出了压裂施工优化设计方法,保证了不同井眼方位角水平井压裂改造的成功率。     

深层页岩气水力裂缝起裂与扩展试验及压裂优化设计

受地质构造、成岩作用等多方面因素影响,深层页岩的层理发育程度、脆性指数、岩石力学特性、最小水平主应力梯度及水平应力差都与中深层页岩有明显差异,使人工裂缝起裂压力更高,裂缝复杂程度更低,从而极大地影响了深层页岩气地层的体积压裂设计和安全施工。为此,利用大尺寸岩样,模拟研究了深层页岩气地层的水平应力差、压裂流体黏度、施工排量等地层和工艺参数及缝内暂堵措施对人工裂缝的起裂与扩展特征的影响规律。研究发现,裂缝起裂与扩展特性受层理胶结强弱、水平应力差及前置液黏度等因素影响较大,压裂裂缝容易沿层理起裂导致早期憋压超压,从而使施工失败,高应力差条件下裂缝扩展形态相对简单,前置中黏压裂液、缝内暂堵等措施有利于裂缝多次破裂、产生次生裂缝使裂缝复杂化。在此基础上,提出了密切割分段、短簇距射孔、组合液体及变排量施工等压裂优化设计方案,现场应用后深层页岩气产量获得了重要突破。      

多分支缝水力压裂近井筒起裂机制研究

针对多分支缝水力压裂井筒起裂效果差的问题,基于弹性力学理论,考虑初次压裂诱导应力对近井地带应力场的作用,建立多分支缝起裂角及起裂压力的力学计算模型。在此模型的基础上,计算并分析了多分支缝起裂角的影响因素和多分支缝的延伸情况。研究结果表明:在低水平应力差及高闭合应力条件下,形成分支缝的起裂角越大,分支缝水力压裂效果越好;在低水平应力差,初始裂缝缝长越短的条件下,分支缝偏转程度高,更易重新定向。根据力学模型计算7口井分支缝的起裂压力,并对比现场施工起裂压力,验证了模型的准确性。该研究成果为多分支缝水力压裂工艺提供了理论基础,对优化分支缝压裂施工具有一定的指导意义。     

定向射孔水力压裂起裂压力研究

现有的定向井水力压裂起裂压力预测模型未同时考虑套管和水泥环的影响。为此,建立了同时考虑套管和水泥环的井周应力分布新模型,在此基础上,利用定向射孔孔周应力模型对起裂压力进行了计算与分析。研究结果表明:定向射孔套管井在最大地应力方位射孔时,套管与水泥环外部地层最容易起裂;随地层弹性模量和泊松比的增大,起裂压力逐渐升高;对比"套管+地层"、"套管+水泥环+地层"2种模型下的起裂压力,发现在考虑水泥环的情况下起裂压力更高。结合渤海油田垦利6-4区块A井现场实际压裂施工情况,将井周应力分布新模型计算得到的起裂压力与实际井底闭合压力进行对比,两者误差为5. 7%,符合现场作业实际。研究结果对于定向射孔水力压裂设计有一定的指导意义。     

水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟

水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义。本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度。本文所要做的第一步是要建立模型,再对水力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟。通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统对页岩露头开展了水力压裂裂缝扩展模拟试验,并利用高能CT扫描观测压后岩心内部裂缝形态,研究了多种因素对页岩水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验条件下的研究结果表明：排量对裂缝复杂度的影响存在一定的范围;当水平地应力差小于9 MPa时,水力裂缝易沿天然裂缝转向,形成网状缝。随着应力差的增加,主裂缝（横切缝）的产生有利于沟通更多的天然裂缝,形成相对更复杂的裂缝;相同水平应力差条件下,水平应力差系数大于0.25时,有明显形成单一主裂缝的趋势;排量和压裂液黏度对水力裂缝几何形状的影响可用参数qμ表达,该值较低或较高都不利于缝网的产生;页岩层理的发育和胶结强度严重影响压裂缝网的复杂度。     

多条水力裂缝偏转延伸规律的影响因素

非常规油气田开发时,通常采用水平井分簇射孔分段压裂的方式,一次可以压开多条裂缝。施工过程中,新形成的裂缝延伸可能会逐渐靠近前一级所形成的裂缝,造成压裂液流道偏移,使裂缝难以有效分布开来而影响最终压裂效果。一条裂缝的存在或者延伸,对后续裂缝或者其他正在延伸的裂缝产生一定的吸引或排斥作用。文中通过有限元模拟裂缝的形成,对应力场进行了分析计算,得到了裂缝的间距和尺寸对裂缝间相互作用的影响规律。计算结果表明:当2条裂缝同步延伸时,裂缝相距越近、裂缝吸引会越强烈,反之亦然;当2条裂缝不同步延伸时,近距离时两裂缝均会偏向短裂缝那一边;新起裂的裂缝在前一级水力裂缝影响下,当二者距离较近时,前一级水力裂缝会对新裂缝产生吸引作用,当间距较远时,前一级裂缝对新裂缝产生排斥作用。通过对上述模型的计算结果分析,可以为分段压裂的多裂缝分布设计和射孔簇间距的优化设计提供指导。     

An experimental study of fracture initiation mechanisms during hydraulic fracturing

The mechanism of fracture initiation is the basic issue for hydraulic fracture technology. Because of the huge differences in fracture initiation mechanisms for different reservoirs,some successful fracturing techniques applied to porosity reservoirs are ineffectual for fractured reservoirs.Laboratory tests using a process simulation device were performed to confirm the characteristics of fracture initiation and propagation in different reservoirs.The influences of crustal stress field,confining pressure,and natural fractures on the fracture initiation and propagation are discussed.Experimental results demonstrate that stress concentration around the hole would significantly increase the fracture pressure of the rock.At the same time,natural fractures in the borehole wall would eliminate the stress concentration,which leads to a decrease in the fracture initiation pressure.     

水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变演化机理

在平面三维多裂缝扩展模型基础上,构建了压裂监测井光纤应变与应变率的计算模型,提出了水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变正演计算方法.基于该方法,开展了水平井压裂多裂缝扩展诱发光纤应变与应变率数值模拟分析,结果表明,裂缝扩展诱发光纤应变演化可分为应变增强、收缩汇聚和直线状汇聚3个阶段;应变率演化可分为应变率增强、收缩汇聚、直...     

利用测井、压裂资料求取储层地应力的方法

地应力和破裂压力是十分重要的工程基础参数.文中利用声波、密度和自然伽马等测井资料计算出地层岩石动态力学参数;由于实际工程中采用的是岩石静态力学参数,故通过拟合的动静态参数转换关系式计算出了岩石力学静态参数;实际工程应用必须考虑构造应力,结合典型井段的压裂资料和测井资料反算出地层构造应力系数,结合地应力计算模型和破裂压力计算模型,使用VB6.0编程计算地应力.以×井3 590～3 920 m层段为例,计算出岩石力学参数、地应力和破裂压力连续剖面.该层段构造应力系数为0.462和0.586;最小水平主应力62.417～84.565MPa;最大水平主应力67.651～94.474 MPa;破裂压力75.346～93.241MPa.文中所使用的方法计算结果精度高、实用性强.     

压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施

压裂过程存在多裂缝是近年来对压裂技术的新认识,多裂缝的存在对压裂施工及压后产能都会产生较大的负面影响,而处理多裂缝是压裂改造技术的一个难点。从提高压裂成功率及压后效果的角度出发,分别分析了多裂缝的形成原因及几何形态,研究了多裂缝的理论特性,在研究现场施工曲线的基础上归纳了多裂缝敏感性特征,最终从根本避免产生多裂缝和减少多裂缝的负面影响两个方面提出了优化钻井方案、优化射孔井段、采用定向射孔、优化施工排量及增加液体黏度等多种措施。同时笔者提出了处理多裂缝问题的艰巨性,需要进一步研究新工艺、新措施,为进一步认识、研究和处理多裂缝提供了理论依据和技术支持,为复杂储层的压裂改造提供了参考。     

低渗透储层水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

随着低渗透油气藏的大量开发,迫切需要具有一套适用于现场实际使用的三维水力裂缝几何形态的预测软件。通过力学分析,依据流固耦合效应、岩石材料的非线性效应以及裂缝扩展的动态效应,建立了低渗透油层水力压裂三维裂缝动态扩展力学模型,运用有限元方法进行求解,实现了低渗透油层三维裂缝形成过程的动态描述。对肇38-271井进行了模拟计算。计算的裂缝形态与现场测试的裂缝形态对比表明,模拟计算平均误差率为10.7%,能满足工程精度要求。建立的低渗透储层三维水力裂缝的模拟方法和技术,可对低渗透储层条件下的水力压裂设计提供准确的预测手段,提高了低渗透储层水力压裂措施的成功率。