液氮超低温诱导岩石类材料裂缝形成机制研究

液氮压裂是一种采用温度极低的液氮对储层进行压裂的方法。与常规压裂方式不同,液氮的超低温作用会使得储层岩石温度急剧降低,产生强烈的温度应力,诱导储层岩石产生裂缝。为探究液氮超低温作用诱导岩石裂缝的起裂和扩展机制,分别对裸眼井筒、预制裂缝和水力裂缝进行液氮超低温冲击作用模拟实验,获得诱导裂缝分布特征,并测量超低温冲击作用过程中井筒径向和预置裂缝法向温度场变化,研究最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则,判定超低温诱导裂缝扩展范围的适用性。结果表明,超低温诱导裂缝主要垂直于裸眼井筒井壁、预制裂缝和水力裂缝等已有裂缝面起裂,且诱导裂缝两侧同样会出现垂直于诱导裂缝起裂的次级诱导裂缝,形成复杂裂缝网络。根据超低温诱导裂缝扩展尺度的实验结果,提出采用最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则分别判定诱导裂缝扩展长度下限和上限的方法。此外,提出水力压裂结合液氮压裂改造储层的方法,并进行实验验证。研究结果为液氮压裂可行性和设计提供了依据。     

初始水平主应力对应力阴影效应的影响研究

介绍应力阴影的概念及其理论模型,结合颗粒流流固耦合计算原理构建模型,模拟并分析单一水力裂缝周围因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,分析表明应力阴影主要表现为最小水平主应力的增大,且其对水力裂缝压裂效益具有两面性。利用建立的数值模型,进一步分析在不同初始水平主应力下,应力阴影效应对水力裂缝扩展方向的影响,结果表明:初始水平主应力比越大,应力阴影效应产生的诱导压力越大,不利于新裂缝的开裂及发育;当初始裂缝内液压接近或大于最大初始水平主应力时,注水孔压裂水力裂缝的扩展方向将发生转向,有利于复杂裂缝网络的形成。     

斜井水力压裂过程中的缝间干扰力学机理研究

根据斜井水力压裂过程中的多裂缝扩展规律的调研,通过建立不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的模型,将位移不连续方法应用于斜井水力压裂过程中的力学干扰分析研究,同时在裂缝扩展准则上运用了修正了的能量释放率准则(G准则)--F准则进行裂缝间的裂缝扩展影响规律研究。根据不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的内外裂尖缝间干扰因子的模拟计算,结果表明:裂缝间距离越近受干扰程度越大,裂缝间的干扰不但有促进裂缝扩展的干扰也有阻止裂缝扩展的干扰。     

裂隙岩体同步压裂干扰机制的数值模拟研究

为认清裂隙岩体中同步压裂的应力扰动规律,指导页岩气储层压裂的优化设计,应用基于有限元的RFPA^2D-Flow软件,首先对配对井相同压裂段间裂缝静、动态诱导应力扰动机制进行研究,随后研究了天然裂缝对水力裂缝的影响机制,并对裂隙岩体的同步压裂进行模拟。结果表明,相向延伸水力裂缝的诱导应力相互叠加,其对地应力场产生的扰动作用相对单井裂缝更加明显。水平主应力差较小时,配对井相同压裂段裂缝在相向延伸过程中相互吸引的趋势越明显,分支缝越多;小主应力差、小逼近角且高脆性矿物充填的天然裂缝更易使水力裂缝转向;对于非完全充填雁列式裂缝型储层,大主应力方位与天然裂缝呈30°至60°夹角时,天然裂缝起裂及失稳压力适中,可有效降低施工难度,同时该角度范围也利于一定数量的分支缝形成。同步压裂技术可对目标储层实现充分改造,具有良好应用前景。     

双井筒试验下页岩水力裂缝扩展与机制研究

水力压裂是页岩气开采的主要技术,研究水力裂缝的扩展规律有利于促进复杂缝网的形成。为了研究裂缝扩展规律和破裂机制,对页岩进行了真三轴双井筒水力压裂模型试验。结果表明:(1)竖向应力越大,裂缝形态越单一,多条水力裂缝间越不易沟通,页岩破裂压力越大;(2)水平应力差越大,双井筒水力裂缝与天然层理沟通越明显,越易形成垂直于水平最小主应力的裂缝;(3)双井筒出口在不同层理面时,两条水力裂缝形态相似,各自会沟通层理和天然裂缝;(4)双井筒出口在同一层理面时,两条主裂缝容易相交,与天然裂缝的沟通较少,不易产生缝网;(5)通过对上升斜率RA和频度FA值综合分析得到,页岩水力压裂以剪切破坏为主,在不同层理压裂更易产生复杂缝网。     

水力压裂起裂与扩展分析

水力压裂起裂与扩展压力的确定是压裂设计最为重要的参数之一,与水平孔或垂直孔水力压裂相比,任意方向钻孔水力压裂的起裂与扩展更加复杂。根据最大拉应力准则,分析任意方向钻孔裂缝起裂压力及起裂方向,得出量纲一起裂压力(pb/σv)随钻孔方位角和钻孔倾斜角的变化规律;并以王台铺煤矿顶板岩层水力压裂为例,进行起裂压力与起裂位置计算,通过有限元计算分析扩展压力较大的原因。研究结果如下：(1)当水平主应力相等时,钻孔从垂直方向逐渐旋转至水平方向过程中,所需起裂压力不断减小,水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,裂缝起裂压力保持不变;(2)随着σH/σh或σH/σv的增大,裂缝起裂压力的变化规律与地应力场类型密切相关;(3)钻孔由垂直方向转向水平方向过程中,对于3种类型的应力场(正断层型、平滑断层型、逆断层型),裂缝起裂压力有着各自独特的变化规律;(4)水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,对于不同类型的应力场,合理布置钻孔方向可使起裂压力最小;(5)当岩石抗拉强度与地应力大小相近时,增大抗拉强度使裂缝起裂所需的压力明显增大;(6)有限元计算结果表明,裂缝起裂后旋转扩展会导致较高的扩展压力;(7)在进行水力压裂作业时,地应力的大小、方向和类型是进行钻孔参数设计的基础。     

页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂数值模拟研究

为明确页岩储层射孔水平井水力裂缝起裂机制,利用Abaqus有限元计算软件,建立三维单级三簇射孔和单射孔段(包含天然裂缝)的压裂裂缝起裂计算模型,研究地应力、井筒方位、射孔参数以及天然裂缝等对裂缝起裂压力和位置的影响。结果表明:裸眼射孔的起裂压力远低于套管射孔;起裂压力随最小水平地应力的增加而增大,但影响程度受垂向地应力与最小水平地应力的比值控制;最大水平地应力和垂向地应力的变化对起裂压力影响不显著;起裂压力大致随井筒方位角的增加而减小,当存在天然裂缝时,起裂压力没有任何线性规律,天然裂缝在剪应力区易发生剪切滑移起裂;起裂压力随射孔方位角的增加先减小后增大,射孔方位角的变化严重影响裂缝的起裂形态;起裂位置与最小和最大水平地应力、井筒方位角和天然裂缝的胶结强度、方位密切相关;由于内部射孔受到两侧射孔产生的沿井筒方向的附加应力干扰,闭合应力增加,因而更难起裂,导致起裂次序从端部射孔开始向中部射孔发展,当应力差较高(>7 MPa)时,附加应力干扰明显,要实现多射孔的多裂缝起裂扩展,需提高注入压力;起裂位置在射孔孔道中的变化是射孔根部应力集中强度与远端受射孔附加应力干扰程度相互竞争的结果;由于射孔簇间距较大,射孔簇间的应力干扰对裂缝起裂影响微弱,各射孔簇压力分布相似。     

应力转向条件下水力压裂的三维数值模拟分析

为研究应力转向条件下水力压裂裂纹的扩展规律,基于有限元数值计算方法及三维应力条件下渗流-损伤-应力(应变)理论模型,分别建立3组不同围压及转向条件下水力压裂的并行计算数值模型。计算结果表明:在扩展形式上,固定围压条件下的水力裂缝扩展方向性显著,裂缝分叉后以直行状态继续扩展;而转向应力条件下的水力裂缝随着地应力的转向发生明显偏转。由于地应力转向前初始裂纹的非对称性,工况3条件下3条水力裂纹的水压力会随着地应力的转向发生相应的变化,且裂纹稳定扩展压力小于破裂压力。用声发射方法研究了水力压裂的破裂过程,结果表明水力裂缝的产生与扩展都是拉应力作用的结果,可以用声发射次数作为预测失稳的依据。     

裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

致密砂岩水平井多裂缝扩展及转向规律研究

为研究致密砂岩水平井割缝压裂裂缝扩展及转向规律,采用四维水射流割缝装置和大尺寸真三轴相似物理模拟试验系统,开展了不同缝间距、应力差、压裂排量对水平井多裂缝扩展规律的试验和数值模拟研究,建立了单张开裂缝和多裂缝扩展的应力理论模型和一套室内割缝压裂物理试验方法。通过剖样观察和压力曲线特征的类比分析得到以下结论:①多裂缝起裂后后续压力曲线的典型波动峰值,是致密砂岩多裂缝相互干扰的一个明显特征;小间距使得邻近裂缝处于高诱导应力区域,增加了应力干扰和裂缝偏转程度;②大排量使得裂缝内部净水压增大,多裂缝偏转角度和程度增大,更容易形成纵向缝;且处在中间裂缝受到抑制,大角度偏离最大主应力方向延伸并趋于两侧裂缝最终停止扩展,而两侧裂缝延伸的距离更长;③高应力差条件下,诱导应力场难以改变原始主应力的大小,降低裂缝转向的角度,起裂后后续压力曲线波动较平稳,裂缝更易形成平行于最大主应力方向的横切缝。研究成果可用于多段割缝压裂施工参数的优化设计,从而为不同地质条件的砂岩储层油气开采和煤矿中水力压裂坚硬顶板治理强矿压提供参考。     

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

 射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明：利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

Propagation and aperture of staged hydraulic fractures in unconventional resources in toughness-dominated regimes

Simultaneous multistage hydraulic fracturing of unconventional gas shale in parallel multilateral wells is an effective technique to raise the connectivity of the reservoir to the wellbore and improve reservoir permeability for an economical production. However, this technique should be accompanied with some optimization procedures to obtain an efficiently fractured reservoir with the highest production and the lowest cost. In unconventional hydraulic fracturing, fracture deviation/collapse and trapping are familiar phenomena which occur when a non-optimized fracturing pattern is used. These problems occur respectively when stress shadow size has not been considered in optimization and fracturing pressure is higher than the available pressure in the sealed section. Therefore, in an optimized hydraulic fracturing, having straight fractures with no deviation or collapse needs consideration of stress shadow effect (SSE). Apart from that, having efficiently propagated fractures to the extent of the reservoir without any fracture trap requires consideration of stress intensity factor (SIF) and aperture. SSE was studied and published by the authors in 2014. For the case of SIF, investigating any change in mode I SIF and aperture with different influencing variables such as fracture geometry and pattern are studied in the current research work. Three different fracturing techniques are assumed as multistage fracturing, simultaneous single-stage fracturing, and simultaneous multistage fracturing techniques. Since obtaining SIF for three-dimensional fractures is a challenging issue, a stress ratio technique is used for calculation of SIF ratios of different fracturing scenarios compared to the case of a single fracture. Therefore, changes of SIF for different fracturing schemes are estimated and analyzed to understand whether or not a fracturing scheme is efficient and all the spaced perforations are activated and change to hydraulic fractures.     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

三维空间中非连续面对水力压裂影响的试验研究

油气储层常发育断层、天然裂缝、节理等非连续面,其产状、地应力状态对水力裂缝扩展路径会产生重要影响。尤其是在致密油气藏、页岩油气藏等储层中,其天然裂缝影响着水力压裂后的裂缝网络。利用真三轴水力压裂试验设备,模拟了水力裂缝在具有不同产状非连续面的人造岩体中的扩展行为,并分析了泵压曲线的特征。试验结果表明:水平主应力差存在临界值(5~7 MPa),小于该临界值,水力裂缝不可能穿透非连续面;非连续面走向角和地应力差异系数越大,水力裂缝越容易穿透非连续面;非连续面倾角跟水力裂缝的扩展行为没有明显的关系;穿透试验中的泵压曲线跟没穿透试验中的泵压曲线差别明显;压裂曲线峰值泵压均随水力裂缝中点到储层中非连续面的最短距离(简记为DNF)增大而递减。与非连续面的倾角相比,走向角是影响水力裂缝穿透行为的关键因素;准确预测油藏中水力裂缝扩展路径,有必要准确获取非连续面产状和三向地应力场;根据泵压曲线的特征,可判断水力裂缝是否穿透非连续面和定性的判断DNF,为油田现场评价水力压裂效果提供参考。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

酸液预处理对深部裂缝性页岩储层压裂的影响机制

深层裂缝性页岩油气藏具有高温、高应力、高破裂压力以及低渗透的特点,极大提高了现场压裂施工难度,如何有效改善近井筒岩石学性质及降低施工压力是安全高效压裂的关键。从岩石力学性质的影响因素入手,分析了酸化过程中酸与矿物的化学反应,从宏观和微观两方面阐述了酸液预处理改善近井筒岩石性质、降低破裂压力的力学机理。选取川东南地区龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂物理模拟试验,采用酸液预处理压裂试件的裸眼井段,分析酸岩反应对水力裂缝起裂及扩展规律的影响。试验结果表明,酸液浸泡裸眼井段能够显著降低页岩破裂压力,酸岩反应会引起天然裂缝面性质的变化,容易导致近井筒附近复杂多裂缝的形成;裂缝扩展穿透酸化区时会引起二次憋压,酸化区内的天然裂缝越发育,酸岩反应越剧烈,近井筒裂缝形态越复杂,压裂曲线波动越频繁。室内试验和现场施工结果吻合程度良好,证实了通过酸液预处理提高深部页岩地层改造效果的有效性。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。