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。     

水平井定向射孔裂缝起裂与穿层特征数值分析

为了探索水力裂缝的起裂形式和受控因素影响以及水力裂缝扩展至产层隔层界面处的穿层特征,运用基于有限元的数值模拟方法建立数值模型对其进行分析和研究,重点探讨了压裂双裂缝形成的可能性和条件,模拟了裂缝延伸至产层与隔层界面处的穿层现象。结果表明,地应力差和射孔方位角对压裂裂缝的起裂形式影响显著,地应力差越大,则裂缝从射孔方向起裂的可能性越小,方位角越大,从射孔方向起裂的可能性也越小,此时若水泥环失效,裂缝可从井壁大主应力方向起裂;若满足岩层物理力学与压裂条件,裂缝同时从射孔方向和井壁大主应力方向起裂的双裂缝起裂形式是可能的;在裂缝延伸过程中,产层与隔层弱胶结界面可使裂缝钝化或滑移成“T”型裂缝,弹性模量较小的隔层有利于裂缝穿层并继续延伸。数值分析结果可对水平井射孔参数优化及水力压裂施工提供些许参考。     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明：①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。     

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。     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明:①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。      

滨南油田水力压裂模拟试验研究

地应力场、岩石物性、孔隙压力、射孔和天然裂缝是控制水力压裂裂缝起裂和扩展的主要因素。根据滨南油田660区块和853区块的实际工况,通过数值模拟和真三轴水力压裂物理模拟,结合岩石的抗拉破坏准则,模拟了射孔方位角和地应力状态等因素对水力压裂过程中起裂压力和裂缝扩展过程的影响,结果表明射孔方位角和地应力场控制着起裂压力、裂缝扩展方位和形态,成果可对油田水力压裂设计、施工提供参考。     

定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验

定向射孔广泛应用于油气井完井措施,其对水力压裂的人工水力裂缝形态有很大影响,定向射孔方向与最大水平地应力方向的夹角、远场水平地应力的差值都会影响到裂缝的起裂部位和整体形态。为此,采用大型(试件尺寸300mm×300mm×300mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差影响很大;定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝,在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝;提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,从而达到改进压裂增产效果的目的。最后,还对完井和压裂施工提出了建议。     

径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展数值模拟

径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是一项新兴的油气增产技术,已在低渗透油田中进行了先导性应用。为明确不同因素对径向井引导裂缝扩展的影响,利用ABAQUS扩展有限元法建立了径向井辅助水力压裂模型,采用导向因子作为评价指标对各影响因素进行分析,并通过物理模拟实验进行了验证。结果表明：径向井对裂缝的扩展起到一定的引导作用,裂缝首先沿径向井方向起裂并扩展,然后逐渐向最大主应力方向偏转;径向井方位角、水平地应力差和压裂液排量是影响径向井引导裂缝扩展的3个主要因素;径向井方位角小于45°,水平地应力差小于6MPa时,径向井具有明显的引导裂缝扩展效果;径向井对裂缝扩展的有效引导需要满足一定的排量,排量太小会导致裂缝过早向最大主应力方向偏转;杨氏模量和压裂液黏度主要影响裂缝长度和宽度,泊松比的变化对引导裂缝扩展影响不大;物理模拟实验和数值模拟结果得到的径向井引导裂缝扩展形态趋于一致,证明了数值模型的准确性。该研究为径向井辅助水力压裂技术的发展提供了技术支撑。     

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。     

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。     

水平井定面射孔近井筒的破裂形态

水平井定面射孔是致密油气藏体积压裂的一种新型射孔技术,但以往的研究较少考虑射孔对近井区域裂缝起裂位置、破裂形态的调控作用,并将定面射孔的各孔道空间位置均简化为平面,忽略了定面射孔角度参数对水平井破裂压力与近井筒裂缝形态的影响。为了弥补上述不足,建立了流固耦合形式的近井筒破裂力学模型,采用基于连续损伤力学的裂缝单元表征射孔局部三维破裂位置、形态变化,开发了耦合模型有限元数值求解程序以研究裂缝起裂与扩展规律,并运用长庆油气田现场水平井射孔完井参数,定量分析了射孔转角、射角参数变化对初始破裂压力、起裂位置的影响,对比了水平井定面射孔、螺旋射孔近井筒破裂形态的差异。研究结果表明:①射孔可调控水平井破裂压力及初始破裂位置,随射孔转角、射角改变,孔道破裂压力变化显著,初始破裂会产生于射孔—井筒界面、孔道中部等不同位置,定面射孔器材应控制射孔射角介于15°～30°;②定面射孔通过改变孔道射流方向,增加了孔道间应力干扰,能够有效降低水平井破裂压力2.0～3.5 MPa;③定面射孔能够引导和调控近井筒裂缝走向,形成垂直于水平井筒的初始破裂面、避免螺旋射孔导致的近井筒裂缝扭曲,提高了水平井近井筒裂缝系统的完善程度。结论认为,所建立的近井筒破裂力学模型可以模拟水平井射孔—近井筒动态破裂过程,模型计算结果与现场测试数据具有较好的一致性。     

利用测井资料预测水平井压裂裂缝形态

水平井压裂裂缝形态复杂,预测难度较大。建立水平井压裂裂缝起裂数学模型;考虑水平井井周裂缝应力和流体的实际状态,根据断裂力学理论给出水平井井周裂缝尖端的应力强度因子的计算方法,按照Irwin延伸扩展准则判断裂缝是否延伸,遍历计算起裂点及其扩展点并不断迭代求解直至满足约束条件,建立裂缝延伸扩展数学模型;提出了用测井资料预测压裂裂缝长、宽、高的方法,建立用测井资料预测水平井压裂裂缝形态的方法。针对四川页岩气水平井,研究了用测井资料计算岩石力学参数和地应力方法,对四川页岩气水平井H1-3井压裂裂缝形态进行了预测,预测结果与微地震监测结果进行对比,表明水平井H1-3井预测结果能够反映近井周围压裂裂缝的延伸情况。     

水平井交替压裂裂缝间距优化及影响因素分析

为使水平井交替压裂在非常规油气储集层中形成大规模高效复杂体积缝网,需对交替压裂裂缝间距进行优化分析。 从相邻 2 条压裂裂缝诱导应力叠加效应对初始水平主应力差的影响出发,建立了裂缝高度不同且缝内净压力也不同的物理模型,提出了交替压裂第一次压裂裂缝和第二次压裂裂缝临界裂缝间距及中间裂缝最佳起裂位置的确定方法。 分析发现：前两次压裂裂缝临界裂缝间距随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度和缝内净压力增大而增大;中间裂缝最佳起裂位置距第一次压裂裂缝的距离随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度增大而增大,而缝内净压力对中间裂缝最佳起裂位置的影响较小。 通过实例,将改进后的方法与已有方法进行对比分析后发现,改进后的临界裂缝间距和中间裂缝最佳起裂位置较已有方法能更准确地计算出诱导应力场,对非常规油气储集层交替压裂形成高效复杂体积缝网具有指导意义。     

水力压裂关键技术分析与研究

传统的水力压裂分析一般是基于岩石的抗拉强度、断裂力学的破坏准则或是Mohr-Coulomb准则的线弹性断裂力学理论（LEFM）,很难对大型水力压裂中观测到的多缝起裂和分支延伸等方面进行合理的解释和模拟。为此,系统分析和讨论了基于岩石断裂力学强度理论的水力压裂研究存在的问题和不足,运用分形理论、岩石损伤力学、细观岩石力学、非线性动力学和岩石断裂力学等相关领域的最新研究成果,结合水力压裂现场实践,从一个崭新的视角对水力压裂岩石破裂机理、裂缝延伸规律和裂缝真实形态描述等方面进行了分析和对比,分析了水力压裂双翼对称裂缝和多裂缝起裂延伸机理、压裂对天然裂缝系统的影响、压后产量变化特征和重复压裂作用增产机理,提出了若干新问题和新思路,为压裂优化设计的进一步改进和完善具有重要的意义。     

The Experimental Investigation of Fracture Propagation Behavior and Fracture Geometry in Hydraulic Fracturing through Oriented Perforations

Abstract

Hydraulic fracture propagation behavior and geometry through perforated vertical wellbores are studied by a series of servo-controlled tri-axial large-scale fracturing experiments. The experimental results show that the tortuous fracture can be generated by using oriented perforation fracturing technology. By changing the perforation angle and the horizontal differential stress, it is found that the fracture propagation behavior and fracture reorientation path are obviously influenced by these parameters. The effect of a micro-annulus near the casing on the fracture initiation and its geometry is also discussed; it makes the fracture initiation as from an open hole. The conclusions are significant to further understanding of hydraulic fracturing process.     

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.     

Single and multiple transverse fracture initiation from horizontal wells

The results of an analytical and experimental study of the initiation of transverse fractures from horizontal wells are presented. Analytical criteria for the initiation of single hydraulic fracture are reviewed, and criterion for initiation of multiple hydraulic fractures was developed by modification of the existing Drucker and Prager criterion for single hydraulic fracture initiation. The developed criterion for multiple fracture initiation was validated by comparisons with actual hydraulic fracture initiation pressures, which were obtained from scaled laboratory experiments and numerical results from boundary element analysis. Other criteria are assessed against the experimental results. Experimentally obtained transverse fracture initiation pressures were found close to longitudinal fracture initiation pressures estimated from maximum tensile stress criterion and Hoek and Brown criterion. One possible explanation of this finding is presented. Results from Drucker and Prager criteria for single and multiple fracture initiation were, however, found closer to experimental values. Therefore, these criteria could be useful to engineers involved with hydraulic fracturing for predicting transverse fracture initiation pressures from horizontal wells drilled parallel to the minimum horizontal in-situ stress.     

深层页岩裂缝形态影响因素

我国深层页岩气资源量丰富,但深井压裂施工压力高、加砂难度大、压后效果不理想,如何利用水力压裂措施形成有效的裂缝系统仍是亟待解决的难题。鉴于此,基于室内实验及微地震监测数据,应用Meyer软件离散裂缝网络模型模拟川东南某深层页岩气区块裂缝扩展规律（模拟精度可达85%以上）。通过正交设计及方差分析明确了压裂液黏度是影响深层页岩压裂裂缝形态中缝宽和SRV的主控因素,并将裂缝扩展分为前1/5~1/4时间段内的快速生成期和之后的缓慢增长期2个阶段。提出了目标区块深层页岩气井"大排量适度规模现场精细调控、变黏度混合压裂液充分造缝、小粒径低砂比连续加砂有效支撑"的技术思路,确定了单井液量、砂量、排量等最优参数范围。指导了一口3 900 m深水平井的压裂施工,综合砂液比为3.51%,单段最高砂量为80.6 m₃,压后获得了11.4万m₃的测试产量。该研究为类似深层页岩气井压裂设计提供了依据。     

斜井及水平井在不同构造应力场水力压裂起裂研究

水力加砂压裂是储层特别是低渗透储层改造的重要手段。压裂施工时,储层破裂压力直接决定水力压裂的成功与否。影响储层破裂压力的因素较多,例如射孔相位、密度、孔径等,但对于斜井或水平井,构造应力场及其与井身结构之间的匹配关系对破裂压力和初始起裂方向影响更为显著。在压裂施工中,由于缺乏对上述因素的认识,常常导致施工因压力过高而中止。基于线弹性断裂力学结合岩石的抗拉破坏准则,对构造应力场进行分类,展开了不同构造应力场下斜井和水平井压裂施工中破裂压力及裂缝起裂方向研究,为水力压裂起裂及优化设计提供参考依据。     

用于提高低-特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术

在对低孔隙度、低渗透 特低渗透砂岩油气藏压裂中,由于储层基质向裂缝的供油气能力较差,仅靠单一的压裂主缝（不管缝有多长、导流能力有多高）很难取得预期的增产效果。因此,提出了适合低孔隙度、低渗透、不含天然裂缝储层的“缝网压裂”技术。其核心思想是利用储层两个水平主应力差值与裂缝延伸净压力的关系,实现远井地带（而不仅仅局限于近井筒区域）的“缝网”效果,增加储层基质向人工裂缝供油气能力,提高压裂增产改造效果。论述了“缝网压裂”技术的适用条件、工艺设计思路及应用方法。在此基础上,对“缝网压裂”的实现途径进行了探索,包括水平井及应用“层内液体爆炸”技术等。缝网压裂技术对理论和现场施工有重要的参考价值。