水平井射孔压裂完井下控制近井筒裂缝复杂度的参数优化

水平井射孔压裂完井是开发非常规油气储层的关键手段,但水力裂缝在射孔孔眼的竞争起裂与近井筒的非平面扩展行为仍不明确。为此,以某页岩油储层HX井为例,结合离散格子方法建立三维全耦合螺旋射孔压裂数值模型,精细描述多孔眼裂缝竞争扩展中的相互干扰行为以及空间演化,系统研究水平主应力差、射孔密度和射孔相位角等关键因素影响下的水平井近井筒裂缝起裂与扩展行为,提出控制近井筒裂缝复杂度的工程措施建议。结果表明,在压裂初期,各射孔孔眼根部存在径向和横向的“十”型裂缝;随后在地应力的控制下,各孔眼的横向裂缝发生优势扩展而纵向裂缝扩展受到抑制;最后在相邻孔眼裂缝发生不同程度的沟通与连接下,在远井端形成了垂直于最小水平主应力方位的横向主裂缝。当水平井筒沿着最小水平主应力方位时,低水平主应力差、高射孔密度和低相位角有利于在近井筒形成简单连续的横向主裂缝,而高水平主应力差、低射孔密度和高相位角下由于各孔眼裂缝之间沟通困难,导致形成含多条分支缝的复杂裂缝。提出的三维全耦合射孔压裂数值模型有效地描述了多孔眼裂缝起裂与扩展行为,同时研究成果为通过优化射孔完井参数以降低近井筒裂缝复杂度提供了理论指导。     

水力喷砂射孔孔道-裂缝起裂机理研究

与传统射孔工艺相比,水力喷砂射孔方法产生的地层孔具有孔径大、孔道长和孔数少特点。针对射孔孔道影响压裂裂缝形态问题,开展孔道周围应力分布及起裂机理的研究工作。研究中采用三维有限元数值模拟结合室内实验验证的方法,分别从布孔方式、射孔方位和水平井筒方位方面,揭示了水平井近井筒区域喷砂射孔孔道产生的3种裂缝形态。研究表明,压裂裂缝倾向于从射孔孔道根部位置起裂;水平井筒与最小水平主应力夹角小于30°,两层布孔可在近井筒区域产生一条横向裂缝,螺旋布孔和对称布孔产生多条横向裂缝;纵向裂缝比横向裂缝更易于产生,形成纵向裂缝与横向裂缝相结合的扭曲裂缝;水平井筒与最小水平主应力夹角大于80°,产生一条纵向裂缝,与喷砂射孔参数无关。该研究可为水平井水力喷砂射孔及压裂合理施工提供理论指导。     

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。     

注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。     

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。     

基于弥散式裂缝模型的水力压裂研究

针对水力压裂数值模拟中传统分离式裂缝模型计算量大、需要预置裂缝及扩展路径等缺点,提出采用弥散式裂缝模型模拟水力压裂过程的解决办法,并根据流–固耦合理论,导出基于弥散裂缝的应力–渗流耦合方程,从而为实现在大尺度储层中模拟裂隙网络的演化提供参考。对混凝土试样进行水力压裂试验研究和基于弥散裂缝的数值分析,由2种方法得到的起裂值基本一致;试验和数值分析中,裂缝扩展主要受地应力影响,其方向垂直于水平最小地应力方向,最后在试件内形成主裂缝并贯穿整个试件。     

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。     

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。     

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。     

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。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

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。     

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。     

水力压裂中的近井筒效应

针对目前水力压裂过程中遇到的有些井施工压力高、脱砂等一系列问题，在对近几年国外有关文献研究分析的基础上，给出了地应力和射孔对近井筒区域裂缝延伸影响的物理模拟和数值模拟研究成果。通过研究发现，水力裂缝方位不但与井筒在现场地应力场中的方位有关，而且主应力的大小也会影响到裂缝的延伸情况。研究中还给出了实际生产中如何诊断近井筒效应潜在的可能性以及应采取的措施。     

椭圆形井筒破裂压力预测模型

水力压裂是油气藏增产的一项重要技术手段,准确预测破裂压力是水力压裂成功的关键。目前的破裂压力预测模型假设井筒为圆形,但测井数据表明井筒为椭圆形。因此,运用复变函数理论和弹性力学理论,推导出椭圆形井筒井周应力场计算解析表达式,建立椭圆形井筒破裂压力预测模型,通过公式蜕化和数值计算检验证明本文模型的正确性。分析椭圆长短轴比和地应力差对破裂压力的影响,研究表明:(1)以我国西部地区某井为例,本文模型计算的破裂压力与现场实际的误差在4%以内;受井筒形状的影响,最小水平地应力方向有应力集中效应,裂缝沿着该方向起裂。(2)当长短轴比较大时,裂缝在最小水平地应力方向起裂,将会发生近井筒裂缝弯曲现象;当长短轴比较小时,小范围的井壁坍塌会引起破裂压力有较大提升。(3)平衡曲线有y(28)ax(10)1的表达形式,当参数点落在区域I内时,破裂压力受地应力差影响大,井筒沿着最大水平地应力方向起裂;当参数点落在区域II内时,破裂压力受井筒形状影响大,井筒沿着最小水平地应力方向起裂;当参数点落在平衡线及其附近区域时,井筒各个方向的破裂压力相近,井筒内多裂缝同时起裂。     

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。     

重复压裂气井诱导应力场模拟研究

重复压裂是低渗透油气田开发中后期增产挖潜和稳产的重要技术措施。重复压裂新裂缝的重新定向分析是具有相当难度和应用价值的核心问题，也是制约重复压裂优化设计的关键。重复压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态，因此，垂直裂缝气井重复压裂前储层中的应力分布，尤其是水平主应力方向控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。系统研究了垂直裂缝井重复压裂前应力场的分布特征及其影响重复压裂气井应力大小和方向变化的主要因素。应用弹性力学和流．固耦合等理论建立了重复压裂气井的诱导应力场的数学模型，开发了相应的计算模拟程序，实现了垂直裂缝气井重复压裂前应力场的定量分析与模拟。研究表明，垂直裂缝气井中初始水力裂缝产生的诱导应力和气井生产过程中孔隙压力变化产生的诱导应力能够改变气井周围的应力场分布，并导致气井中的应力场发生重新定向。新场气田的实际运用结果也表明，重复压裂气井中的初始应力差和生产时间是决定应力重新定向的关键因素．     

缺陷储层重复压裂实验研究

首次利用大尺寸真三轴岩石力学实验系统,对缺陷储层重复压裂后裂缝的分布进行了研究。实验结果表明：应力重定向对新裂缝的分布情况影响较大;对缺陷储层进行水力压裂,当外加载荷达到某一临界值时,储层中的缺陷被激活,并产生比较复杂的裂缝;重复压裂时,新裂缝是否沿预置裂缝扩展在很大程度上受地应力状态、地质条件等因素控制;尤其是在较高的均匀压应力状态下,缺陷储层中新裂缝的产生方位可能与预置裂缝无关。     

V型河谷区原地应力测量研究

为研究V型河谷区岩体应力的大小、方向及其分布,采用水压致裂法对河床和山体内的平面和三维地应力进行现场测量。实测最大水平主应力方向为NW40°～60°,最大水平主应力值最高近40MPa,最小水平主应力值为20MPa;在河床谷底浅部80m以上,受河谷卸荷影响地应力有所释放,形成卸荷带;孔深90～130m产生应力集中,形成V型峡谷典型的“应力包”分布特征;在山体内PD27#平硐不同硐深处的3个测点进行三维地应力测量。测量结果表明:三维主应力值随硐深的增加而增大,从1#～3#测点测得的最大主应力和最小主应力的数值增加近1倍;3个测点主应力的方位和倾向大体一致,随硐深的增加,最大主应力倾角逐渐变陡,反映出重力的贡献越为显著。对原地应力实测结果进行解析,得到隧道横截面的最大主压应力和最小主压应力及相关的应力参量,结合岩爆判据对隧道发生岩爆的可能性进行分析,隧道横截面内最大差应力的大小是控制岩爆发生的主要因素。