压裂施工闭合过程压裂液滤失分析

基于压开裂缝闭合过程中压裂液向储层中渗流的物理过程分析，建立了裂缝闭合过程中压裂液滤失量的数值计算方法。考虑了闭合过程中压裂液与岩石之间的热交换，通过建立水力裂缝温度场的计算模型，求出了闭合过程中温度场的变化，结合温度对压裂液流变性能影响的实验数据，给出了用有限差分方法求解的算法，实现了对压裂液滤失量的计算。从而为用数值模拟的方法研究垂直裂缝井闭合过程的压裂压力分析提供了理论依据。     

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压裂液交联／破胶性能敏感取决于温度，而压裂液与地层的温度往往相差较大，使得压裂液进入裂缝后温度逐渐变化.压裂液地面温度与地层温度相差越大，压裂液在缝中的温度分布越不平衡，对压裂液流变性的影响越大。文章从非稳定井筒传热的数值计算和水力裂缝温度场的数值计算入手，详细介绍了水力裂缝温度场模拟计算的方法，并以此为基础开发了压裂施工温度场模拟程序，并以CX115井为例进行了计算。该程序采用模块化设计,操作简便，能实时模拟裂缝温度场的分布，可为压裂液动态优化提供基础数据。该程序在现场施工中取得了较好的应用效果，具有良好的推广价值。     

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本文应用流体力学、渗流力学、输砂力学和流体热力学等理论,通过分析混砂液在裂缝中的流动运移规律,建立了预测水力压裂造缝大小的数值模型及方法和液体渗滤模型,建立了一套压裂裂缝中的速度场、压力场和温度场(包括井筒温度场)以及混砂液在裂缝中运移分布的数值计算模型和方法,并通过实例计算验证其实用性。     

水力压裂中裂缝及近缝地层温度计算模型的改进与应用

依据拟三维水力压裂模型,改进了拟三维裂缝及近缝地层温度场计算模型及其解法。在该模型中,考虑了压裂液综合滤失系数和压裂液流变性的粘温关系。计算结果表明,缝内液体与岩石壁面之间存在温度梯度;缝口液体温度接近井底温度,缝端液体温度接近地层温度;近缝地层边界等温线呈椭圆形,其它等温线近似为平行四边形：     

水力压裂裂缝三维扩展ABAQUS数值模拟研究

油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程,引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则,考虑流体在裂缝面横向、纵向流动,采用有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。通过其黏结单元设定裂缝延伸方向,编写用户子程序并嵌入ABAQUS主程序中,以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。     

水力压裂裂缝及近缝储层温度场

为了精确预测水力压裂过程中裂缝及近缝储层温度分布,对经典裂缝及近缝储层温度场模型进行了改进。加入了两相渗流场,利用达西定律建立新的滤失模型,改变了滤失速度仅为时间函数的局限性,不再使用原有裂缝扩展模型,改用耦合渗流场的裂缝延伸模型,然后使用有限差分方法、迭代法对新模型进行了求解,并与经典温度场模型求解结果进行了对比。研究表明,压裂初期温度变化较快,对压裂液性能要求较高,滤失模型和裂缝模型的改变对温度场的影响较大。新模型更符合压裂实际环境要求,可为现场操作和技术研究提供可靠依据。     

泡沫压裂液在三维缝中流动数值模拟

在分析泡沫压裂液流动特性以及流体重力,地应力梯度、地应力差等因素对裂缝延伸综合影响的基础上,建立了泡沫压裂液在缝中流动的裂缝三维延伸数学模型和泡沫压裂液的温度、压力、流量及泡沫质量分布数学模型,并给出了计算方法。计算表明,所提出的求解方法能较好地模拟泡沫液在缝中的流动,可用于现场泡沫压裂施工设计。     

泡沫压裂液在三维缝中流动数值模拟

在分析泡沫压裂液流动特性以及流体重力、地应力梯度、地应力差等因素对裂缝延伸综合影响的基础上,建立了泡沫压裂液在缝中流动的裂缝三维延伸数学模型和泡沫压裂液的温度、压力、流量及泡沫质量分布数学模型,并给出了计算方法．计算表明,所提出的求解方法能较好地模拟泡沫液在缝中的流动,可用于现场泡沫压裂施工设计。     

基于有限元裂缝网络的压裂液滤失模拟

压裂液滤失速度是水力压裂设计分析中的重要参数之一,对于裂缝性储层,它可以用裂缝型储集层压裂液滤失数学模型来计算,但是现有的压裂液滤失数学模型并没有考虑天然裂缝呈不规则网络分布且形态复杂这些因素对滤失的影响。因此,在考虑这些因素的前提下,以压裂液沿着天然裂缝向基质渗滤为基础,建立了裂缝网络的等效连续介质滤失模型,运用有限元方法求得了数值解。新方法能模拟复杂裂缝形态对滤失过程中压力分布的影响,克服了传统方法不能模拟裂缝弯曲、相交、方位变化等对滤失影响的局限。     

高渗透地层压裂液滤失模型研究

对于高渗透地层而言，由于压裂液滤失速度较快，滤失量较大，难以形成严格意义上的滤饼区，这时压裂液的滤失主要是受裂缝与油藏之间压力差的作用，而传统的滤失模型将裂缝到油气藏的区域分为滤饼区、侵入区和油气藏区，考虑压裂液的滤失受到压裂液黏度、地层流体压缩性和压裂液造壁性等3个因素的共同作用，但不能描述压裂液向地层作动态渗流的情况，因此，就无法用于高渗透地层压裂液的滤失计算。文章考虑压裂液为非牛顿型流体、在施工过程中向地层作平面二维流动的实际情况，利用数值模拟方法，建立了高渗透地层压裂液滤失模型，通过数值求解，验证了模型的可靠性。计算结果表明：对于高渗透地层，考虑地层未有滤饼区的形成、压裂液的非牛顿特性和压裂液向地层作二维渗流滤失的实际情况，计算结果更符合现场实际，这可以减少压裂施工的风险，提高压裂设计的准确性。     

弹塑性储层水力压裂裂缝扩展研究

随着水力压裂技术在非常规油气资源开发中的大量应用,越来越多的学者发现传统的线弹性断裂力学不能对弹塑性储层中水力裂缝扩展进行准确预测。鉴于此,基于Mohr-Coulomb塑性理论,在考虑储层岩石塑性变形、压裂液流动与水力裂缝扩展非线性耦合的基础上,通过插入Cohesive单元的方法,建立三维多孔介质弹塑性土体模型,以此来研究弹塑性地层不同工况下水力压裂裂缝扩展规律。研究结果表明：水力裂缝在扩展过程中会在尖端产生明显的塑性应变,阻碍裂缝扩展;地层的抗拉强度越大,裂缝尖端的塑性应变越大,岩石的破裂压力越高,裂缝呈现出“短宽缝”的形态;增大压裂液的排量,会明显改变水力裂缝的形态,容易形成“长宽缝”,与此同时会使裂缝的扩展压力显著升高,给压裂作业带来困难。研究成果可为该地区现场压裂施工提供参考。     

四川省宜宾地区龙马溪组页岩水力裂缝形态实验研究

水力压裂技术是页岩储层开发中的关键技术之一,如何实现储层改造体积的最大化,是制约当前页岩储层高效开发的技术难题。通过开展水力压裂物理模拟实验,直接观察水力压裂裂缝扩展形态,有助于准确认识裂缝扩展机理。通过对762mm×762mm×914mm四川盆地龙马溪组页岩露头和人工样品开展针对性实验研究,分别考察了天然裂缝,泵注参数(排量、黏度)对该龙马溪组页岩水力压裂裂缝形态的影响,同时采用声发射监测技术,对页岩储层声发射事件分布规律进行分析。结果表明,天然裂缝的存在是实现储层复杂裂缝形态的必要条件之一,其分布形态又决定了水力裂缝形态的复杂程度;对水力裂缝形态的评估需要将施工净压力、排量、黏度三者结合考虑,提高施工净压力有利于形成复杂裂缝,随着施工排量或黏度的增长,净压力呈现先增大后减小的规律,即当排量或黏度过高时,裂缝形态又趋于单一化;声发射监测结果能够客观反映裂缝在三维空间内的扩展趋势,声发射率和振幅与泵注压力曲线趋势一致,出现多个峰值,表明页岩水力裂缝扩展具有明显的非连续特征。本工作为页岩压裂机理研究探索了实验方法,为该区块现场体积压裂工艺设计、改造后评估提供实验依据。     

压裂单裂缝三维模型的建立与应用

矿场通常对单裂缝使用二维裂缝模型, 但压裂过程中, 裂缝长度、高度和宽度不断变化, 影响着压裂设计的精度, 设计结果与实际压裂结果有很大的误差。为此, 按裂缝上下都穿层和上下都不穿层两种情况, 推导并建立了压裂裂缝三维数学模型, 分别介绍控制裂缝三维延伸的连续性方程、压裂液流动压降方程、宽度方程以及模型的解法。分析了裂缝长度、裂缝方位等对油藏整体压裂开发效果的影响, 并对1 口多层压裂井的裂缝延伸进行了模拟计算, 验证了模型的正确性。     

识别水力裂缝参数的自动拟合模型和方法

为认识和了解地层、分析和评估压裂施工质量,分别考虑裂缝导流能力随生产过程变化和不变化的情形,提出了以生产过程中实测的产量或井底压力为拟合目标,识别水力裂缝参数的生产历史自动拟合模型和方法,用逐步二次规划法进行了数值求解。最后通过文献对比和实例计算说明模型和方法的可靠性和适用性     

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。      

层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析

储隔层水平地应力差是水力裂缝高度延伸的主控因素,采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件,对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验,并实现对大尺度岩样内部裂缝扩展的全三维实时声波监测。通过声波监测结果与实际裂缝形态对比,讨论了层间应力差、施工参数(排量、黏度)、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。结果表明:缝高受层间应力差控制明显;同时施工参数也会影响裂缝的垂向延伸,高黏流体压裂有利于缝高延伸;对于均质致密砂岩岩样,实时声波监测技术能够对裂缝扩展动态进行有效监测。本研究为缝高延伸机理研究提供了实验手段,也为现场微地震监测提供参考。     

致密油藏水力压裂复杂缝网单井产能预测

致密油藏压裂裂缝的非线性扩展特征具有统计自相似性,可以采用类分形分叉树状网络来表征压裂复杂裂缝网络系统。基于流体扩散理论和压降叠加原理,采用半解析方法建立了相应的油藏渗流和裂缝渗流数学模型,通过迭代求解,对压裂井的不稳定产能进行预测,并分析了产能影响因素：基质渗透率越小,分支缝产量贡献比越大;生产初期,分支缝产量贡献较小,拟稳态阶段,分支缝产量占总产量比例迅速增加,稳产时间延长;裂缝系统越复杂,有效裂缝接触面积越大,产量越高;分支缝导流能力越大,产量越高;复杂缝网和分支缝导流能力的提高,有利于致密油藏压裂井的高产、稳产。