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。     

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。      

高应力差裂缝储层缝网压裂技术可行性研究及应用

柴达木盆地内多个油田储层具有主应力差值大、天然裂缝发育等特点。针对上述储层,文章提出了高应力差裂缝储层缝网压裂的可行性研究。采用应力分析方法,研究了天然裂缝的起裂条件,同时建立了天然裂缝张性起裂和剪切起裂的数学模型。通过模型计算和单因素分析方法,给出了主应力差、缝内净压力对天然裂缝剪切破起裂影响规律:水力裂缝遇到天然裂缝时,提高缝内净压力可以促使更广泛角度的天然裂缝开启;随着最大、最小应力差增加,使天然裂缝发生剪切破坏所需要的缝内净压力降低。根据上述结论,在某高应力差裂缝发育储层,采取多级脉冲暂堵提高缝内净压力的工艺措施。施工结果和压降曲线G函数分析显示,压裂施工过程出现了多裂缝开启的现象,验证了高应力差裂缝储层进行缝网压裂的可行性。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

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。     

煤层气直井水力压裂裂缝起裂模型研究

煤岩内部存在大量割理、裂隙等结构弱面,水力压裂时裂缝起裂可能发生于煤岩本体或割理裂隙处,造成其裂缝起裂机理与常规砂岩储层有较大差别,需要建立新的适用于煤层气井的裂缝起裂压力计算模型。考虑煤岩割理系统交割网状分布特性以及割理的空间位置变化关系,基于岩石力学和断裂力学理论,推导了煤层裸眼井壁和射孔孔壁周围及割理壁面处的应力分布方程;基于张性和剪切起裂条件,建立了煤岩不同完井方式下的裂缝起裂压力计算模型。应用该模型对2口压裂井进行了计算,裸眼和射孔完井裂缝起裂压力计算值与实测值之间的误差分别为3.96%和4.72%,表明该模型的计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明,煤层压裂能够从割理处起裂,起裂压力与煤层割理倾角、割理壁面内摩擦系数以及煤层水平主应力差值等因素密切相关。      

煤系页岩储层水力裂缝穿层扩展规律

深部煤系页岩储层纵向上连续发育多套产层,由于对裂缝扩展形态认识不清,缝高延伸距离短,一体化水力压裂作业无法沟通不同产层.为了提升水力裂缝纵向延伸能力,基于有限元计算平台,采用最大主应力起裂准则,考虑压裂液沿裂缝面横向和纵向流动规律,建立了煤系页岩层状储层水力裂缝三维穿层扩展模型,并研究了层间渗透率差异、主应力条件及岩性界面等多因素对裂缝穿层规律的影响.研究结果表明:根据与岩性界面作用方式的不同,水力裂缝呈现出T形缝、穿层缝、钝化缝和十字缝等4种典型形态;随着层间渗透率差异系数的增大,水力裂缝穿层能力不断降低;层间应力差越小,裂缝穿透岩性界面进入相邻层位的概率越大;当高渗透率隔层和低渗透率储层的渗透率差异系数高于5,或者层间最小水平主应力差高于4 MPa时,缝高延伸至岩性界面,停止扩展.     

基于分形方法的水力压裂分支裂缝分布模拟

对水力压裂裂缝分布位置的准确描述是进行压裂设计及压裂效果评价的重要前提,而在人工裂缝分支的描述方面,尚未开展有关裂缝位置和形态等描述研究。运用分形L-系统建立树枝模型,建立岩石天然薄弱面分布规律的平面模拟描述方法。应用分形相似原理,将天然薄弱面分级,得出各级天然薄弱面剪切、张开判别条件和天然薄弱面起裂后裂缝内压裂液压降梯度。依据天然薄弱面分布模型及裂缝剪切、张性断裂准则,提出水力压裂分支裂缝分布模拟计算方法。计算结果表明,水力压裂分支裂缝数量与井壁处缝内净压力、储层最大与最小主应力差值密切相关。主裂缝附近存在较多分支裂缝,分支裂缝数量随井壁处缝内净压力增加而增多;储层最大与最小主应力差值越小,细小分支裂缝开启数量越多,裂缝沟通面积越大。运用该计算方法能够模拟具有分形特征的裂缝平面形态和开启状况,并为复杂裂缝形成机理分析提供依据。     

致密砂岩水平井多段压裂裂缝扩展规律

基于真三轴水力压裂模拟系统,开展已压裂缝内流体压力、段间距、射孔参数、水平应力差和水平井段固井质量对致密砂岩储集层多裂缝扩展形态影响的实验。通过岩样剖分和压力曲线特征的类比分析得到以下认识:已压缝处于临界闭合状态时,高水平应力差和小段间距将导致多裂缝合并,而已压缝内高净压力和缝宽不对称分布可能抑制后续裂缝扩展;较大段间距使得后续裂缝处于诱导应力递减区域,降低应力干扰程度;采用大密度深穿透射孔,有利于降低裂缝起裂压力;缝内净压力一定时,低水平应力差将增大水平应力反转程度,增大后续裂缝偏转角度;水平段固井质量较差时,裂缝在井筒与地层结合处起裂,形成纵向缝;各段裂缝起裂压力呈上升趋势,压力增长幅度可达30%;形成横切缝时,起裂后压力迅速下降,延伸压力低;裂缝发生偏转时,起裂后压力波动下降,延伸压力较高,为迂曲窄缝;形成纵向缝时,压力剧烈波动上升,呈现多峰值特征,起裂阶段和延伸阶段区别不明显。     

随机裂缝性储层压裂特征实验研究

模拟了裂缝性储层的天然裂缝系统,利用大尺寸真三轴实验系统,分析了天然裂缝影响下的水力裂缝形态、压力曲线特征和滤失机理.实验结果表明,在天然裂缝系统中,裂缝扩展模式分为主缝多分支缝和径向网状扩展两种形式.在同一个天然裂缝系统中,主缝多分支缝扩展模式在水平主应力压差高的条件下占优势,压力曲线波动频繁,基本符合一维滤失特征;径向网状扩展模式在水平主应力压差低的条件下占优势,压力曲线平缓,属于二维滤失.进行了小型压裂估算最小地应力模拟,定义了天然裂缝主导的误差系数,在模拟出的上述天然裂缝条件下,平均误差系数为0.2.     

重复压裂造缝的应力场分析

通过对重复压裂造缝的应力场进行分析,推导出满足重复压裂产生新裂缝的条件。主要分析了一次压裂的 裂缝、储层压力等多种因素对当前地应力场的影响,可以看出诱导应力改变了原地应力场,当原应力场最小水平主 应力大于原最大水平主应力时,重复压裂裂缝可能重新定向。     

应力条件制约下不同埋深煤储层物性差异演化

以鄂尔多斯盆地东缘煤储层为研究对象,采用水力致裂法获取地应力参数,同时利用实验室模拟技术,结合现场测试数据,从煤储层储集性和渗透性两方面开展应力条件下煤储层物性演化机理研究。随着煤层埋深的增大,地应力增高,煤岩孔隙受压闭合,煤储层孔隙度在应力作用下呈指数规律降低;不同煤阶煤岩各级孔径的孔隙在应力作用下的变形特征存在较大差异,随着应力增大,低煤阶煤岩大中孔体积下降明显,而中、高煤阶煤岩微小孔体积的下降幅度要高于大中孔。不同埋深和应力作用下的煤体变形和渗透率变化可分为3个阶段:埋深在600 m以内,地应力较低,煤岩裂隙发育较好,煤储层渗透率变化范围较宽;埋深在600~900 m,煤层处于三向受压状态,裂隙易受压闭合,渗透率普遍小于0.5 mD;埋深在900 m以下,地应力变强,且煤层受力不均,垂直主应力大于水平主应力,易产生新裂隙,煤储层渗透率出现高值。     

煤层气直井地层破裂压力计算模型

为了高效开发煤层气、成功实施水力压裂作业,针对射孔完井条件下,对水力压裂时煤层的破裂压力进行预测。提出将套管、水泥环的影响纳入到井筒周围应力场计算中,运用坐标转换和线性叠加原理,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层直井井周应力场解析模型。结合最大拉应力、张性破坏、剪切破坏3种破裂准则,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层气直井破裂压力预测模型,分析了射孔径向深度、割理走向倾角、地应力差对破裂压力的影响。以云南地区X井为例,模型计算结果误差在7%以内,证明了该模型的正确性。研究结果表明：套管、水泥环会引起应力集中效应,使得破裂压力降低;在最大水平主应力方向射孔时,煤层更容易本体破裂;射孔周向角在一定区间时,本体破裂和割理张性破裂同时发生;中等割理走向倾角有较低的张性破裂压力,地应力差较小时,不易发生剪切破裂。     

大庆喇萨杏油田水力压裂人工裂缝形态研究

水力压裂裂缝形态对于判断压裂增产效果及研究压裂与套管损坏的关系是极为重要的。回顾了大庆油田压裂裂缝形态研究的历史,认真分析了每一次压裂裂缝形态结论的依据与条件。对大庆长垣地应力的系统分析和研究表明,大庆喇萨杏油田的地应力状态是处于两种类型地应力的过渡带上,即垂向应力居中与最小这两者并存,且垂向应力居中比例略高。依据水力压裂的基本原理,也不难得出水力裂缝形成的垂直缝比例略大的结论。     

Experimental investigation of propagation mechanisms and fracture morphology for coalbed methane reservoirs

Fracture propagation mechanisms in coalbed methane (CBM) reservoirs are very complex due to the development of the internal cleat system. In this paper, the characteristics of initiation and propagation of hydraulic fractures in coal specimens at different angles between the face cleat and the maximum horizontal principal stress were investigated with hydraulic fracturing tests. The results indicate that the interactions between the hydraulic fractures and the cleat system have a major effect on fracture networks. “Step-like” fractures were formed in most experiments due to the existence of discontinuous butt cleats. The hydraulic fractures were more likely to divert or propagate along the butt cleat with an increase in the angles and a decrease in the horizontal principal stress difference. An increase in the injection rate and a decrease in the fracturing fluid viscosity were more conducive to fracture networks. In addition, the influence on fracture propagation of the residual coal fines in the wellbore was also studied. The existence of coal fines was an obstacle in fracturing, and no effective connection can be formed between fractures. The experimental investigation revealed the fracture propagation mechanisms and can provide guidance for hydraulic fracturing design of CBM reservoirs.     

提高深层页岩裂缝扩展复杂程度的工艺参数优化

埋深大于3 500 m的深层页岩储层具有高水平主应力差、发育层理裂缝、低脆性指数等特点,在压裂改造时难以形成复杂裂缝。为了充分认识其水力裂缝扩展规律,采用三维离散格子方法对四川盆地下志留统龙马溪组深层层理性页岩12 MPa水平主应力差下的真三轴压裂物理模拟实验结果开展了离散元数值模拟分析,其结果与发育单一层理的页岩露头室内压裂物理模拟的裂缝扩展规律相吻合;进而对发育多层理的深层页岩储层开展排量、压裂液黏度、层理强度和压裂液交替注入等影响下的裂缝扩展规律数值模拟。研究结果表明:①高排量注入和提高压裂液黏度能够增强深层页岩储层裂缝深穿透改造能力,当排量达到90 mL/min或压裂液黏度达到60 mPa·s时,水力裂缝可连续穿过4条层理并贯穿整个试样;②在高水平主应力差下,低黏度压裂液倾向于激活水平层理,而高黏度压裂液则倾向于直接穿过层理形成垂直主缝。结论认为:①采用前置高黏度/后置低黏度压裂液交替注入压裂工艺可以最大限度地提高深层页岩储层压裂裂缝复杂程度;②当井筒附近存在薄弱层理时,应及时调整压裂工艺和压裂参数,比如尽可能地增加施工排量、采用瓜胶压裂液等,以使水力裂缝突破近井薄弱层理抑制进而实现深穿透改造。     

煤岩水力压裂裂缝形态实验研究

水力裂缝形态的正确判断是压裂施工设计和产能预测的重要部分,针对煤岩进行真三轴水力压裂,研究水平裂缝、垂直裂缝和复杂裂缝之间的转换条件,得出判断依据。实验证实:应力差(最小水平地应力减去垂向应力)为4～6MPa时,水力裂缝形态在垂直裂缝和水平裂缝间转变;在等应力差状态下,高围压状态会使水力裂缝形态趋于复杂;天然裂缝和割理对水力裂缝起裂与延伸过程产生不同影响;煤岩应力状态主导水力裂缝走向,当应力差异系数K_v在0.6~0.7之间时,煤岩内部天然裂缝和割理对水力裂缝形态有显著影响;并且在不考虑井眼附近天然裂缝时,需要苛刻的应力条件使水力裂缝的起裂阶段表现为水平裂缝。     

深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用

为提高深部煤层的煤层气产能,针对其地质特征提出了在深煤层实施多口直井同步水力波及压裂的技术思路。首先基于边界元位移不连续法建立了多裂缝诱导应力数学模型,模拟深煤层诱导应力场分布,分析水力波及压裂复杂缝网形成的可能性,然后采用离散元方法研究应力干扰的裂缝网络延伸情况及其影响因素,最后通过三轴压裂实验和现场应用效果验证了其可行性。结果表明:(1)水力波及压裂技术能增大应力干扰面积和应力干扰强度,促使水平主应力差的减小甚至诱导局部区域的地应力方向发生改变,有利于沟通煤岩中发育的面、端割理,从而形成大规模高效复杂的裂缝网络;(2)水力波及压裂有利于复杂缝网形成的条件包括较小的初始水平主应力差、低泊松比、较小井距、低压裂液黏度、高缝内净压力等;(3)真三轴物理模拟实验结果显示,水力波及压裂技术能够充分沟通煤岩天然裂隙,形成由人工裂缝、面割理和端割理组成的复杂裂缝网络。进而提出了一套深煤层多井同步水力波及压裂工艺优化设计方法,在沁水盆地南部柿庄北地区深煤层选取了5口直井进行先导性试验,裂缝监测及排采数据表明,水力波及压裂井产生的波及体积较大,裂缝网络复杂;较之于常规压裂井,水力波及压裂井不仅见气更早,产量、套压较高且稳定,而且所形成的区域压力降波及邻井,可大幅增加实施井及邻井产量。