断层附近非均匀应力场页岩压裂缝网扩展模拟

压裂过程中水力裂缝的延伸行为对页岩气增产改造效果至关重要。然而部分页岩地层断层较发育,附近地应力场呈现非均匀分布,最大水平主应力方向随空间位置发生变化,若水平井井筒仍沿垂直于原始最大水平主应力方向部署,水力裂缝可能出现非平面偏转延伸行为,进而影响缝网体积。文中为揭示页岩地层断层发育对水力裂缝延伸及缝网体积的影响,建立了断层附近非均匀应力场计算模型,并在此基础上构建了断层影响下的页岩气水平井分簇裂缝偏转延伸模型和缝网体积计算模型,模拟并分析了非均匀应力场下的水力裂缝延伸及压裂缝网扩展规律。结果表明：平移断层附近水力裂缝趋向平行于断层方向延伸,而正断层附近水力裂缝趋向垂直于断层方向延伸。页岩气水平井井筒垂直于最大水平主应力方向部署后,可以减小射孔孔眼摩阻,减少施工压力损失,提高缝内净压力,增大缝网体积。该研究可为页岩地层内断层附近的水平井井眼轨迹部署提供重要的理论依据。     

页岩储层水力压裂优化设计

含气页岩由间隙气和吸附气组成,水力压裂是提高这类储层有效动用的唯一手段.本文在分析研究页岩储层特征的基础上,对适合于页岩的水力压裂模型和工艺参数优化进行了分析研究.页岩储层天然裂缝和层理发育,储层流体主要是在层理及天然裂缝系统中进行,针对砂泥岩地层的水力压裂数值模型(包括全三维模型)不适用于页岩储层水力压裂分析.DFN离散裂缝压裂模型是基于连续均匀介质和多孔不连续非均匀介质力学理论的3D压裂数值模型,可用于模拟页岩和煤岩水力压裂中多裂缝、非对称缝和不连续缝,也可用于天然裂缝和断层发育地层中的不连续缝的模拟.在压裂工艺方面,对射孔方式、压裂液、支撑剂等进行了优选.研究结果也可用于裂缝性砂岩储层改造.     

裂缝性储层中复杂压裂缝网形成过程的数值模拟

水力压裂技术是油气田增产的重要措施。页岩、砂岩等储层常发育不同程度的天然裂缝,在对裂缝性储层进行水力压裂改造过程中,储层中天然裂缝的存在对水力裂缝尤其是压裂缝网的形成及其发育程度具有十分重要的影响。基于有限元原理的岩石破裂过程分析系统的数值模拟,通过建立发育天然裂缝的二维平面应变模型,研究在储层水力压裂过程中,水力裂缝及复杂压裂缝网的形成过程,并对其影响因素进行分析,同时引入适合于储层复杂裂缝分形维数测定的统计方法——基于盒数法的网格覆盖法,对数值模拟的压裂效果进行评价。结果表明:天然裂缝的发育程度与压裂改造效果关系密切,水力裂缝遇天然裂缝发生分叉,并沿天然裂缝扩展滑移或直接穿过天然裂缝,形成复杂水力裂缝及复杂压裂缝网;天然裂缝发育密度越大,其迹长越长,水力裂缝的分形维数越大,对裂缝性储层改造效果越好。     

深部页岩压裂缝网体积模拟及应用

深层页岩受埋深影响储层地应力高,水平应力差异大,压裂裂缝延伸困难,改造体积受限,同时压裂时缝内净压力小,天然裂缝张性和剪切破坏难度增大,缝网复杂度偏低.通过构建简化三维Wiremesh模型,考虑正交天然裂缝和深层页岩力学性质,推导不同方向裂缝净压力分布,采用Richtmyer线性化方法编程求解,最终获取了不同参数下缝网...     

页岩Ⅰ区块体积压裂缝网模拟研究

为解决页岩Ⅰ区块气藏渗透率低、气体流动困难的问题,对该区块体积压裂缝网进行模拟计算,验证是否能够形成体积缝网。在分析体积压裂缝网形成的地质、力学、工程条件基础上,采用数值模拟方法得到页岩Ⅰ区块体积压裂的最优裂缝参数:裂缝半长200 m、裂缝段数为10段、裂缝导流能力为10 μm2·cm。以优化的裂缝参数为目标,采用数值模拟的方法计算得最佳铺砂浓度为4 kg/m3,主裂缝导流能力为10 μm2·cm,并且能够形成体积缝网形态。研究结果表明,页岩Ⅰ区块能够进行有效的体积压裂,形成有效缝网。     

通过改变近井地应力场实现页岩储层缝网压裂

体积压裂是对非常规储层进行高效改造的最主要手段之一,目前国内外对于体积改造技术的关注多集中在对水平井分段多簇压裂的优化方面。在深入分析诱导应力的计算方法及其对处理区域动态应力场形成所起到的决定性作用基础上,提出了通过控制诱导应力实现垂直于井筒方向缝网形成的方法。在压裂中,依靠原始地应力资料有目的地设计第1次压裂,产生需要的诱导应力,从而在第2次压裂中形成网状裂缝,这种通过改变近井地应力来实现缝网的方法在实际应用中取得了较好的效果。依据不同类型页岩储层特点进行优化设计和配套工艺改进,对非常规储层的体积改造具有重要意义。     

深层页岩体积压裂缝网动态渗透率模型及其应用

深层页岩具有闭合应力高、非均质性强、流动性差等特点,体积压裂是提高深层页岩产能的重要手段。为表征体积压裂改造区非均质缝网形态及其渗透率动态变化,通过CT扫描人工造缝岩心得到二值化图像并计算分形维数,利用蒙特卡洛随机建模并统计裂缝参数,基于流量等效原理分解非均质缝网。耦合页岩气黏性流、克努森扩散、表面扩散建立单缝流量方程,通过分形理论尺度升级并结合缝宽动态变化特征,建立了非均质缝网动态表观渗透率模型。结果表明：①小尺度缝网表面扩散在地层压力大于10 MPa时可忽略,黏性流比重与地层压力成正比,克努森扩散相反;②大尺度缝网克努森扩散随地层压力增加,先增大后减小,表面扩散和黏性流呈此消彼长的趋势,小尺度缝网渗透率随地层压力增加先减小后增大,大尺度缝网渗透率与地层压力成正比;③最小缝宽（b_min=10^-7 m）不变时,最大缝宽增大10倍,缝网渗透率增大100倍,缝网渗透率与缝宽呈正比;④最大缝宽（b_max=10^-4 m）不变时,小尺度缝网渗透率低压（5 MPa）时略大于大尺度,最小缝宽对渗透率影响不大;⑤裂缝孔隙度越大,缝网分布越密集,渗透率越高。研究成果对缝网改造区的渗流特征以及不同压力、缝网尺度下渗流机理研究具有指导意义。     

页岩储层裂缝网络延伸模型及其应用

页岩压裂后水力裂缝与天然裂缝交织形成的复杂裂缝网络无法应用传统基于对称双翼裂缝的压裂模型进行几何参数模拟。借鉴双重介质油藏理论,将页岩改造体积划分为裂缝网格和基质2种介质,假设改造体积为椭球体,提出以主干缝和小尺度次生缝网络构建整个复杂裂缝网络的几何模型。主干缝几何参数以拟三维压裂模型为基础计算,次生缝参数通过椭圆函数进行计算,并对建立的数学模型进行计算分析。通过对美国Piceance页岩盆地储层改造设计的应用,证明了该模型同现场数据吻合较好。模拟结果发现:弹性模量越大,水平应力差越小;压裂液黏度越低,延伸比越大,则整个储层的改造体积越大;水平应力差对储层改造体积结果的影响最为敏感。天然裂缝分布越低,虽然改造体积较为理想,但由于牺牲了裂缝网络的复杂程度,因此有时并不意味着更好的改造效果。该理论成果可为页岩储层水力压裂设计及产能分析提供有效的技术支持。     

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。     

陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

陆相页岩储层垂向非均质性强,层间岩性与应力差异大,层间弱界面发育,水力裂缝穿层扩展困难,导致压裂改造效果不佳。基于有限元+黏聚力单元法建立了陆相页岩水力裂缝穿层扩展流固耦合模型,与解析解和室内实验结果对比验证了模型的准确性。基于此模型,采用单因素和正交实验分析法开展算例研究,揭示了各项地质与工程参数对陆相页岩储层水力裂缝穿层扩展行为的控制机理与影响规律。研究结果表明,层间界面剪切滑移改变水力裂缝垂向扩展路径,限制缝高增长;水力裂缝宽度较大,削弱缝高扩展能力。高层间界面胶结强度、高垂向应力差、低层间应力差、低抗拉强度差、低弹性模量差、高压裂液黏度、高注入排量,有利于水力裂缝实现穿层扩展,各因素影响程度的主次顺序为层间界面胶结强度>层间应力差/抗拉强度差>压裂液黏度/注入排量>垂向应力差>弹性模量差。研究成果进一步完善了陆相页岩储层水力压裂穿层扩展基础理论,为陆相页岩储层水力压裂选井、选层和施工方案优化设计提供了理论依据。     

页岩气藏网状裂缝系统的岩石断裂动力学

基于岩石断裂动力学理论,研究页岩气藏压裂网状裂缝的形成机理及天然闭合裂缝的激活机理。研究发现,水力裂缝在沟通天然裂缝后,需要在左右两端同时满足裂缝转向条件,才能形成复杂的网状裂缝,存在形成网状裂缝的最小排量(临界排量);临界排量随倾角增加而增加,倾角等于90°时,临界排量达最大值且为常数;倾角小于90°时,临界排量随裂缝与井筒夹角增加先减小后增加,垂直井筒方向的裂缝临界排量最小;天然裂缝长度越大、地层弹性模量越低需要的临界排量越高。天然裂缝面不吻合且缝面粗糙,水力裂缝开启天然裂缝后天然裂缝面上剪切应力释放使得缝面滑移,从而提高导流能力。裂缝倾角很大或很小时,对裂缝激活不利;30°～60°倾角裂缝激活效果最佳;弹性模量增加对裂缝滑移起抑制作用,泊松比变化对滑移量影响很小。     

页岩气藏数值模拟研究现状

从页岩气藏气体赋存方式和流动机理、气藏建模方法及数值模拟理论研究和实际应用3个方面阐述了国内外页岩气藏数值模拟技术的研究进展,为该技术的深入研究提供参考。最后,对页岩气藏数值模拟研究进展进行总结,认为存在4个有待于改进和研究的问题：①完善储层模型以考虑有机质的影响;②需要阐明单相气体解吸附、扩散和渗流过程的运移规律和主控因素,并建立气、水两相流动数学模型和数值模型;③天然裂缝和压裂诱导裂缝的准确建模是页岩气藏数值模拟的关键,实际应用中应综合考虑其他监测技术的结果;④针对页岩气藏数值模拟,还需要形成相应的标准和规范,以便更好地指导该类气藏开发。     

非常规油气藏体积压裂数值模拟新进展

页岩气藏的高效开发与体积压裂的合理设计密切相关,在调研大量相关文献的基础上,综述了近年来国外非常规油气藏水平井体积压裂数值模拟技术。从天然裂缝与人工缝的相互作用、应力影以及支撑剂模拟等方面叙述了压裂力学模型的发展历程,介绍了非常规压裂模型的原理,为该技术的深入研究提供参考;阐述了连续介质模型和离散裂缝模型在非常规油气藏体积压裂数值模拟中的应用,分析了其原理、数模思路以及适用性;总结了国外研究的主要方向,提出了针对长庆油田致密储层体积压裂数值模拟的发展方向。     

页岩储层超临界二氧化碳压裂裂缝形态研究

目前超临界CO₂压裂技术尚不成熟，裂缝形成与扩展机理尚不明确。为深入认识超临界CO₂压裂裂缝延伸规律及空间形态，基于位移间断边界元方法，通过引入Pen-Robinson方程来实现超临界CO₂压裂过程的模拟。结合室内物理模拟实验，初步探讨了页岩储层水力压裂与超临界CO₂压裂裂缝扩展形态的差异。研究结果表明，由于超临界CO₂的扩散性及良好的渗透能力，通过增加围岩孔隙压力，从而减少了地应力对裂缝扩展的约束，使裂缝起裂压力低于水力压裂。超临界CO₂压裂时产生的体积应变增量与压后裂缝破坏程度比水力压裂更高，使得在裂缝形态复杂程度高于水基压裂液。同时，超临界CO₂压裂裂缝断面复杂、不平整，裂缝表面粗糙度比水力压裂更大。     

页岩油藏多重孔隙介质耦合流动数值模拟

页岩孔隙类型多样，微纳米尺度孔隙发育，借助分段压裂水平井技术能够实商业化开采。原油分子与孔隙壁面作用较甲烷分子更加复杂，目前页岩油在无机和有机纳米孔中的运移机制尚不清楚。准确模拟页岩油微观运移机制和多重孔隙介质间耦合流动对页岩油藏产能评价和生产预测具有重要意义。结合润湿特性，考虑液体吸附、速度滑移及物性变化等机制，引入复杂结构参数（迂曲度、孔隙度和有机孔含量），建立了微纳米多孔介质液体表观渗透率模型，研究了不同运移机制对微纳米多孔介质表观渗透率影响。在此基础上，建立了基质-天然裂缝-人工裂缝耦合的页岩油藏分段压裂水平井数学模型，利用有限元方法求解，进行产能影响因素分析。结果表明，孔隙半径小于10 nm时，微纳米孔隙速度滑移影响明显，而孔隙半径大于100 nm时，微观运移机制作用可以忽略；有机孔隙含量越小、裂缝条数越多则分段压裂水平井产能越大；最优的缝网模式为缝网无间距且不重叠。本研究的重点是丰富微纳米孔隙内油气运移理论，为页岩油藏开发模拟研究提供理论方法。     

页岩气压裂数值模型分析

水力压裂和水平井开采是页岩气开发的主要技术,在我国尚处在工业试验阶段,存在很多技术瓶颈。在总结分析了页岩气压裂的特点基础上,探讨了网状裂缝形成的主控因素及裂缝扩展模型、产能预测模型的类型以及优缺点。结果认为,特殊的赋存生产机理、复杂的裂缝形态和多尺度的渗流模式是页岩气压裂的主要特点,其目的是形成网状裂缝,扩大储层改造体积;网状裂缝的形成主要受天然裂缝与人工裂缝的夹角、水平主应力差和岩石的脆性等因素的控制。页岩气压裂产能预测模型面临的主要问题是裂缝形态的模拟和气体流态的描述,主要有非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型等,这些模型和方法在一定程度上表征了页岩气压裂裂缝形态和渗流特点,但没有考虑不规则的裂缝形态等。     

脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性

与常规砂岩储层压裂形成的双翼平面裂缝不同,脆性页岩储层压裂形成的是网络裂缝.因影响网络裂缝与双翼裂缝中支撑剂沉降的因素不同,故通过理论公式推导、计算结果与现场数据验证的方式,研究了脆性页岩网络裂缝中支撑剂的沉降特性.结果表明,支撑剂颗粒沉降达到收尾速度的时间极短,网络裂缝中支撑剂的实际沉降幅度远远小于理论计算结果;网络裂缝中支撑剂沉降主要受网络裂缝复杂程度和页岩复合层理效应的影响,受携砂液体粘度的影响较小.在脆性页岩中,压裂后支撑剂回流是影响压裂缝高和裂缝导流能力的主要因素.压裂后,采用类似常规储层的快速放喷和强制闭合技术,会加大裂缝中支撑剂回流造成的导流能力损失,极端情况下甚至会使支撑剂全部回流,导致压裂裂缝闭合成为无效裂缝,最终影响脆性页岩储层压裂后的产量.长时间停泵可减少支撑剂回流,有利于保持裂缝的有效导流能力.     

基于结构弱面及缝间干扰的页岩缝网压裂技术

为明确页岩储层中层理、天然裂缝等结构弱面和缝间干扰对缝网压裂效果的影响机制,根据全三维物模实验所观察到的裂缝扩展现象,理论分析了结构弱面控制下和缝间干扰影响下复杂裂缝的形成机制,并结合数模研究对现场有助于形成复杂裂缝的多种施工工艺和方法进行了探讨。最终得出：结构弱面可使与之相遇的水力裂缝停止、转向或产生新缝,结构弱面发生剪切错动或张开后均可成为页岩气流动通道;此外,缝间干扰会影响后续裂缝的几何形态,从而改变其与结构弱面的逼近角;2级主裂缝间可以产生分支缝,有利于增加裂缝复杂度,适当降低裂缝间距可在一定程度上增强缝间干扰。目前已进行矿场试验的大排量低黏压裂液、暂堵转向、平台“拉链式”压裂等措施取得了较好的监测结果,作业方式的改进和不同压裂技术的综合应用也是增加裂缝复杂度的有效途径。