深层页岩油水平井密切割裂缝均衡扩展数值模拟

中国页岩油储层非均质性强、粘度高和可改造性差,水平井分段多簇射孔体积压裂难以形成复杂的裂缝网络,单缝“缝控储量”低,必须寻求新的工艺突破。通过增加单个压裂段内的射孔簇簇数,使多个射孔簇裂缝在射孔段内均衡扩展,对页岩储层进行密切割,实现页岩油储层的充分改造,是中国页岩油高效开发的关键。考虑数千米长压裂管柱与射孔孔眼的摩阻以及多裂缝之间流体的竞争分配,建立页岩油水平井密切割多裂缝动态扩展的渗流-应力-损伤模型,并通过现场压裂施工数据验证其正确性。根据胜利油田页岩油储层的地质工程特征,开展射孔簇簇数、射孔孔眼数量、压裂施工参数等对多裂缝流体流量分配、应力干扰及裂缝几何形态影响的数值模拟研究发现：单簇裂缝扩展时,裂缝诱导应力最优波及距离为10 m左右;簇间距为10 m时,三簇裂缝均衡扩展射孔密度为20 孔/m,施工排量为12 m³/min,压裂液粘度为30 mPa·s;4个射孔簇时,压裂液均匀分配和裂缝均衡扩展的簇间距为10 m。此项研究为胜利油田页岩油勘探开发的突破奠定了理论基础。     

页岩气水平井段内多簇裂缝同步扩展模型建立与应用

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,分析段内多裂缝同步扩展规律和进行段内簇间距优化设计对提升水平井压裂效果具有重要意义。基于多层压裂流量动态分配思想,考虑缝间应力干扰、射孔和摩阻压降损耗、滤失等影响建立多簇裂缝同步扩展数学模型,利用改进Picard法进行方程组求解并开展敏感性分析。研究结果表明,簇间距对多簇裂缝扩展的影响最为明显,当簇间距达到缝高高度时,缝间力学干扰则几乎可以忽略;簇间距越近,则整个缝簇系统受到应力干扰影响越为明显,而加大压裂液黏度则可以明显改变缝宽,一定程度上抵消应力干扰影响;地层滤失系数增加则会显著降低改造体积范围,射孔密度对缝簇扩展影响较小。提出的段内多裂缝扩展数值模型简化了数学建模步骤,综合考虑了影响裂缝扩展的岩石力学和工程因素,且计算速度快,精度可靠,可为水平井段内簇间距压裂优化设计工作提供技术支持。     

水平井分段多簇限流压裂数值模拟

水平井分段多簇压裂是目前非常规储层开发的有效手段,但现场生产测试结果表明,相当一部分的射孔簇对产量完全无贡献。文中基于CZM模型和伯努利方程建立了考虑射孔孔眼摩阻的多簇裂缝同时起裂与扩展的有限元计算模型,对不同射孔参数情况下裂缝的同时扩展进行了计算模拟,得到了不同时间5簇裂缝的扩展形态,以及井底压力、各簇裂缝缝口压力和进入各簇裂缝的压裂液流量等随时间的变化规律。模拟结果表明:当射孔孔眼摩阻较低时,初期5簇裂缝同时起裂,后期由于应力干扰加强,中间3簇裂缝停止扩展并逐渐闭合,压裂液不再进入中间3簇射孔,成为无效射孔簇;非均匀射孔簇摩阻之间的差异能够有效平衡裂缝之间的应力干扰,使多簇裂缝同时起裂扩展并减缓多簇裂缝扩展的不均衡性;中间簇比侧边簇射孔数量只需多出2~3个就可以有效改变裂缝扩展形态,提高储层改造效果。该有限元计算模型对现场多簇水力压裂施工参数设计具有一定的指导意义。     

水平井分段压裂簇间应力作用分析北大核心CSCD

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

水平井分段压裂簇间应力作用分析

水平井分段压裂是开发页岩气、致密气等非常规油气藏的重要技术措施,而缝间应力干扰的存在使得裂缝的延伸和形态异常复杂,如何确定合理的射孔簇间距成为当前亟待解决的问题。基于断裂力学和流体力学基本理论,建立了水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型,分析了储层特性和压裂施工参数对缝间应力干扰程度以及多裂缝扩展的影响规律。模拟计算表明:每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各射孔簇裂缝形态和扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;射孔簇间距、弹性模量、压裂液排量和黏度等对各簇裂缝形态影响显著,而射孔密度的影响较小。现场应用表明,本文所建水平井分段压裂多簇同步扩展流固耦合模型对水平井分段压裂设计及工艺参数优化具有较好的指导意义。     

水力压裂摩阻类型及降阻措施

水力压裂摩阻引起施工压力增加,施工风险增大。水力压裂摩阻包括沿程摩阻和近井摩阻。近井摩阻产生机理最为复杂,其中射孔数不足、孔眼清洁度差以及孔眼堵塞产生孔眼摩阻;射孔相位不当、固井质量差以及多裂缝竞争延伸产生裂缝弯曲摩阻。降低压裂摩阻的工艺措施主要包括定向射孔、支撑剂段塞磨蚀、增大压裂液黏度、压裂液延迟交联等。     

页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法

页岩储层水平井密切割压裂过程中同一压裂段内各簇水力裂缝难以维持均衡扩展，这一问题严重制约了压裂改造效果。为此，建立了一套完全流固耦合的水平井密切割压裂多簇水力裂缝同步扩展数值模拟方法，采用水力裂缝体积标准差(δ_v)定量表征多簇水力裂缝均匀发育程度，提出了一套科学完善的页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法。研究结果表明：单段射孔簇数越多，缝间诱导应力干扰作用越强，各簇水力裂缝发育越不均匀；随着每簇射孔数减少，孔眼摩阻增大，δ_v降低，各簇水力裂缝发育越均匀，当δ_v≤0.01后，继续减少每簇射孔数，对水力裂缝均匀发育程度的改善效果有限，且过度减小射孔数量会导致施工压力过高；以δ_v≤0.01为优化目标，针对2口实例井分别开展了等密度与非等密度限流射孔参数优化设计，均取得了良好的增产效果。研究结果可为页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化设计提供理论依据和优化方法。     

深层页岩气水平井压裂异步起裂裂缝延伸模拟与调控

深层页岩气主要通过水平井分段多簇密切割压裂进行增产,但由于深层地应力变化较快以及缝间应力的干扰导致水力裂缝长短不一,亟需优化调控。针对深层页岩压裂多簇裂缝起裂时间不同、延伸不均匀的现象,建立了水力裂缝异步起裂延伸模型,同时考虑了各簇射孔位置地应力差异和缝间应力干扰对水力裂缝异步起裂、非均匀延伸的影响。模拟结果表明：采用常规均匀射孔工艺,射孔簇位置地层破裂压力越高,该簇裂缝起裂时间越晚,外侧裂缝延伸更快,裂缝延伸非均匀程度较大;采用非均匀限流射孔工艺,通过合理调整各簇射孔孔眼数量,可使各簇裂缝起裂时间与延伸速度差异明显减小,保证压裂结束时各簇裂缝长度基本一致,实现“抑长促短,均匀延伸”的目的。现场监测各簇进液比例与模型计算结果较为一致,验证了模型的可靠性。研究成果可有效降低目前非均匀限流射孔工艺参数设计的盲目性,对深层页岩气压裂优化设计具有重要的理论价值和指导作用。     

煤层顶板水平井分段多簇穿层压裂数值模拟

煤层顶板水平井分段压裂技术是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。文中基于流-固耦合原理,考虑分段多簇压裂时缝间应力干扰作用和射孔簇裂缝间压裂液动态分配,建立三维裂缝穿层扩展计算模型,研究了多簇射孔条件下裂缝动态延伸情况。结果表明：单簇射孔压裂形成的裂缝半长和宽度均较大,且裂缝尖端位于煤层顶板内,顶板内裂缝向前延伸后,由高应力顶板向低应力煤层中穿层扩展;三簇射孔条件下,当射孔簇间距小于15 m或压裂液排量低于8 m³/min时,中间裂缝不能获得有效的压裂液分配而发育不充分;对于煤层顶板水平井,射孔簇增多会导致压裂液分流,部分射孔簇将无法形成有效裂缝或无法穿层扩展,导致射孔簇效率降低。因此,对于多簇施工,应综合考虑压裂液排量、簇间距,以促进裂缝均匀扩展。研究成果可为煤层顶板水平井分段压裂施工优化设计提供依据。     

页岩储层多簇限流射孔裂缝扩展规律

在多簇密集切割压裂情况下,多缝间诱导应力干扰现象严重,使得优化射孔簇参数促进多簇均衡改造变得尤为重要.采用耦合岩石变形和流体流动的多簇限流射孔裂缝扩展模型,结合裂缝形态定量评价指标,展开限流射孔参数对裂缝扩展影响规律研究.结果表明:段内六簇射孔压裂时,密集切割使得多簇间诱导应力场影响区更为复杂,高孔密、均匀布孔时多裂缝...     

水平井多段分簇射孔优化设计

水平井多段分簇射孔技术是“体积改造”的关键技术之一。目前大多数分簇射孔设计基于常规射孔经验设计,而未做深入具体的定量研究。用布孔数取代孔密的概念,分析沿水平井筒破裂压力差异,设计各簇的布孔数目,调节簇内孔眼节流摩阻大小,发挥射孔孔眼分簇限流的作用,从而实现压裂过程中各射孔簇同时起裂和均匀进液。同时基于裂缝起裂扩展过程中应力干扰作用,建立二维分析模型,确定裂缝发生转向时的临界缝间距,并以此作为射孔簇间距设计的依据,给出了分簇射孔关键参数（相位、孔深、簇长度、簇数）的设计原则,形成了一套分簇射孔优化设计方法。并用该方法对一口实例井进行了分簇射孔设计,微地震监测表明,分簇射孔后压裂形成复杂缝网,较邻井效果要好。该方法对现场分簇射孔设计具有指导意义。     

致密油层多簇裂缝扩展缝内注入压力与缝间应力场耦合响应研究北大核心CSCD

针对致密油层体积压裂过程中缝内注入压力与缝间应力场耦合响应问题,建立了多簇裂缝扩展流-固耦合模型,采用裂缝扩展单元表征岩层破裂与渐进扩展,协同计算多个求解域、模拟多裂缝同步延伸,研究多簇裂缝扩展过程中缝内注入压力与缝间应力场的动态变化,定量评价射孔簇间距对流-固耦合响应的影响规律。研究结果表明:多簇裂缝扩展缝间应力场干扰导致裂缝延伸压力上升,而缝内高压流体诱导缝间应力场转向;减小射孔簇间距有利于增大缝间应力干扰,但导致多裂缝延伸压力差异显著;应优化射孔方案调控流-固耦合影响,促进多裂缝均衡扩展。本文研究成果可为水平井多簇裂缝均衡扩展调控提供理论依据。     

水平井限流压裂射孔参数优化

水平井限流压裂主要是经过射孔孔眼产生的节流摩阻实现的,因而,裂缝所对应的射孔参数是实现限流压裂的关键。目前,国内外文献关于限流压裂的射孔优化大部分没有结合压裂模型,也没有给出各个射孔簇之间参数的定量关系。文中通过给定水平井段地层和压裂参数,使用拟三维模型计算每一条裂缝所吸收的排量和缝口压力,再结合限流压裂的流量平衡和压力平衡关系,得出了各个射孔簇有效孔眼当量直径间的关系式。计算结果表明:在压裂段储层力学性质和裂缝尺寸设计相同时,每个射孔簇的有效孔眼当量直径从水平井的跟端到趾端依次增加,在孔眼直径相同的情况下,相应的孔眼数和射孔簇的簇长也需要增加;当储层性质变化或者设计缝长不相同时,各个射孔簇的最优孔眼数和簇长可以定量确定。研究结果为限流压裂射孔参数的优化和射孔枪的选择提供了指导。     

水平井限流压裂对射孔孔眼冲蚀的影响

水平井限流压裂中存在携砂液冲蚀射孔孔眼现象，导致段内多簇改造不均衡，不利于地质储量的充分动用，亟需认识清楚孔眼冲蚀过程。基于孔眼摩阻公式，推导了段内多簇多孔的孔眼冲蚀模型，考虑初始孔径差异和簇间应力差，采用孔径、流量分配和孔眼摩阻的变化来量化分析孔眼冲蚀规律。研究结果表明，平均初始孔径较大、应力较小的射孔簇易产生过度冲蚀；随着孔径的增大，孔眼摩阻迅速减小，限流作用减弱，不利于缝控储量均衡动用；单纯地提升排量并不能明显减小簇间的孔眼冲蚀差异；在相对较低的携砂液浓度下，簇间孔眼冲蚀和流量分配更均匀。这说明初始孔径差异和簇间应力差是导致孔眼冲蚀不均匀的主要因素，在限流压裂设计中可通过采用等孔径射孔工艺、适当增加前置液量、优化布孔位置和数量等方法，改善施工段携砂液分配。本研究为优化水平井限流压裂设计提供了支撑。     

复杂构造区深层页岩气藏射孔参数优化及应用——以涪陵页岩气田白马区块为例

为了实现四川盆地涪陵页岩气田白马复杂构造区深层页岩气储量的有效动用,针对该区地质构造复杂、储层非均质性强、储层埋藏较深、压裂改造难度较大的实际情况,基于平面三维“井筒—多裂缝扩展”全耦合计算模型,考虑不同小层物性与应力的差异,模拟了不同穿行层位、压裂簇数、射孔数量等因素对多簇裂缝扩展差异的影响。研究结果表明：①降低簇间距、增加单段压裂簇数的多簇密切割有利于提高改造段内的主裂缝密度、缩短气体运移距离;②段内簇数并不是越多越好,在相同注入排量及压裂规模条件下,随着压裂簇数的增多,各簇缝长、缝高呈现出降低的趋势,同时多裂缝的非均匀扩展现象加重;③水平井穿行层位及各小层物性特征、应力状态也会影响到水力裂缝的扩展形态,会增强不同小层改造的非均匀性,进而造成最优簇数的不同;④减少单簇射孔数的限流压裂,有利于提高压裂段内改造均匀性、降低各簇进液量差异减小系数,但是较低的射孔孔数则会提高射孔孔眼摩阻、大幅度提高地面施工压力。现场实践结果表明,依据水平井穿行层位优化压裂工艺参数,同时配合限流射孔,压后气井增产效果明显。结论认为,该研究成果为实现白马区块深层页岩气资源的有效动用提供了理论指导与实践检验。     

复杂构造区深层页岩气藏射孔参数优化及应用——以涪陵页岩气田白马区块为例

为了实现四川盆地涪陵页岩气田白马复杂构造区深层页岩气储量的有效动用,针对该区地质构造复杂、储层非均质性强、储层埋藏较深、压裂改造难度较大的实际情况,基于平面三维"井筒—多裂缝扩展"全耦合计算模型,考虑不同小层物性与应力的差异,模拟了不同穿行层位、压裂簇数、射孔数量等因素对多簇裂缝扩展差异的影响。研究结果表明:①降低簇间距、增加单段压裂簇数的多簇密切割有利于提高改造段内的主裂缝密度、缩短气体运移距离;②段内簇数并不是越多越好,在相同注入排量及压裂规模条件下,随着压裂簇数的增多,各簇缝长、缝高呈现出降低的趋势,同时多裂缝的非均匀扩展现象加重;③水平井穿行层位及各小层物性特征、应力状态也会影响到水力裂缝的扩展形态,会增强不同小层改造的非均匀性,进而造成最优簇数的不同;④减少单簇射孔数的限流压裂,有利于提高压裂段内改造均匀性、降低各簇进液量差异减小系数,但是较低的射孔孔数则会提高射孔孔眼摩阻、大幅度提高地面施工压力。现场实践结果表明,依据水平井穿行层位优化压裂工艺参数,同时配合限流射孔,压后气井增产效果明显。结论认为,该研究成果为实现白马区块深层页岩气资源的有效动用提供了理论指导与实践检验。     

射孔孔眼磨蚀对分段压裂裂缝扩展的影响

非常规油气藏分段压裂施工中常利用射孔限流法促进段内多条水力裂缝均匀发育,压裂过程中,支撑剂会逐渐磨蚀射孔孔眼,致使射孔孔眼的限流作用失效。为研究射孔孔眼磨蚀现象对分段压裂中多裂缝发育的影响情况,耦合了孔眼磨蚀模型和水力裂缝扩展模型,建立了考虑射孔孔眼磨蚀的水平井分段压裂裂缝扩展模型。模拟结果表明:随着支撑剂磨蚀破坏射孔孔眼,孔眼的限流能力显著下降,导致压裂段内各水力裂缝尺寸差距增大。基于所建立的数值模型,研究了不同支撑剂浓度、压裂液排量条件下射孔孔眼磨蚀对压裂段内多条水力裂缝扩展的影响。结果表明:(1)压裂液内支撑剂浓度越高,射孔孔眼初期的磨蚀速度越快;(2)支撑剂浓度变化对段内裂缝扩展延伸的影响较小;(3)压裂液排量越高,射孔孔眼限流效果越好,压裂段内各裂缝发育越均匀。最后建议在分段压裂施工中尽可能提高压裂液排量,这将有助于压裂段内各裂缝的均衡发育。     

基于孔弹性效应的水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析

页岩等非常规油气储层水平井分段压裂改造用液规模大，返排效率低，其诱发的孔弹性效应不可忽视，然而孔弹性效应对缝间应力干扰、多裂缝竞争扩展的影响机理尚未明晰。为了揭示压裂液滤失诱发的孔弹性效应对地应力场及多裂缝扩展的影响规律，基于平面三维多裂缝模型，在考虑液体滤失诱发的孔弹性效应的基础上，建立了水平井压裂裂缝扩展数学模型，并开展了水平井多簇压裂裂缝扩展数值模拟研究，针对孔弹性诱导应力导致多裂缝扩展不均匀提出了解决的工艺手段。研究结果表明：(1)孔弹性应力与裂缝诱导应力具有相似的效果，其大小约为裂缝诱导应力的30%，影响范围约为裂缝诱导应力的40%；(2)孔弹性效应会增大缝内压力、强化缝间应力干扰、加剧裂缝不均衡扩展，与不考虑孔弹性效应的模拟案例相比，考虑孔弹性效应后裂缝宽度降低约8%，缝内压力升高约0.5 MPa，井底压力升高0.62 MPa，各簇瞬时进液差异系数升高6.5%、整体进液差异系数升高5%；(3)保持限流射孔摩阻为3～6 MPa可在一定程度上克服孔弹性效应对各簇均衡进液的负面影响。结论认为，孔弹性效应研究可为水平井多簇压裂诱导应力及裂缝扩展分析提供重要的理论支撑和依据，该成果可...     

水力压裂支撑剂运移与展布模拟研究进展

研究水力压裂支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移和展布规律,可以为压裂工艺和压裂材料优选、压裂施工参数优化提供理论支撑,进而提升压裂改造效果。为此,通过调研分析大量的室内实验、数值模拟和理论分析研究成果,归纳了室内试验与数值模拟方法各自的优缺点,总结了支撑剂在井筒和压裂裂缝中的运移和展布特征。研究结果表明:①室内实验能直观地观测和分析支撑剂在井筒和压裂裂缝中的分流、运移与展布特征,是研究支撑剂在井筒和压裂裂缝中运移与展布特征的重要手段,但现有的实验仪器还有改进和完善的空间;②基于计算流体动力学的数值模拟技术是研究压裂支撑剂运移与展布规律的有效补充,其中计算流体动力学—颗粒元(CFD-DEM)法能够更真实地模拟支撑剂运移情况,是未来研究支撑剂运移与展布特征的重要方法之一;③对于单簇射孔,支撑剂更容易进入水平井筒下方射孔孔眼沟通的压裂裂缝;④对于分簇射孔,支撑剂更容易进入射孔相位角和方位角最优的裂缝,并且在压裂液黏度较低时,支撑剂容易进入跟端射孔簇,而压裂液黏度和注入排量增大能够大幅度降低射孔簇间支撑剂分流差异性;⑤对于单一平面裂缝,压裂液黏度、支撑剂粒径与密度、施工排量及裂缝参数是影响支...     

压裂施工动态摩阻模型建立及其敏感性分析

准确掌握压裂施工动态是提高压裂工艺成功率的关键,施工压力是反映压裂施工动态的最直接有效的指标,而压裂施工动态摩阻会对施工压力产生干扰。在理论分析的基拙上,分别建立了压裂施工过程中的管柱摩阻、射孔孔眼摩阻及裂缝迂曲摩阻计算模型,并对各类摩阻的影响因素进行了敏感性分析,最后通过实例验证了压裂摩阻计算模型的准确性。研究结果表明：所建立的压裂施工动态摩阻计算模型基本能满足工程需要;当孔眼密度足够大时,与管柱摩阻和裂缝迂曲摩阻相比,射孔孔眼摩阻可忽略不计;裂缝宽度对裂缝迂曲摩阻的影响最为显著,在压裂施工过程中,保证足够的裂缝宽度能有效降低裂缝迂曲摩阻