国外页岩气井水力压裂裂缝监测技术进展

由于页岩气储层呈低渗物性特征,需要进行储层改造才能获得工业价值的天然气流。页岩气储层经过水力压裂产生的人工裂缝是页岩气产出的主要通道,通过裂缝监测手段可以确定裂缝的延伸特征,利用这些信息优化压裂设计,实现页岩气藏管理的优化。通过调研分析国外文献,可知目前国外常用的页岩气井水力压裂裂缝监测主要有直接近井筒裂缝监测、井下微地震监测方法、测斜仪监测和分布式声传感裂缝监测,对比分析了这几种裂缝监测方法的监测能力和适应性。在这些压裂监测技术中直接近井筒裂缝监测技术只作为补充技术,井下微地震裂缝监测是目前应用最广泛、最精确的方法,测斜仪裂缝监测的应用也比较广泛但无法用于深井,分布式声传感裂缝监测在2009年首次用于现场压裂监测还处于起步阶段。先进页岩气井水力压裂裂缝监测技术的应用大大增加了水力压裂增产措施的有效性和经济性。     

结合CT技术的火山岩水力裂缝延伸实验

为了准确获知火山岩水力压裂过程中裂缝的平面和空间扩展形态,采用真三轴水力压裂模拟系统,对火山岩天然岩样进行了室内压裂模拟实验,在实验前后采用工业CT技术对岩样进行扫描,并对CT图像进行三维重建和可视化处理.对岩样的CT图像进行分析发现:经过压裂的火山岩内部裂缝在延伸过程中会连通部分天然孔隙,但裂缝并未沿着天然孔隙发育密集的区域延伸；裂缝延伸方向整体上与最大水平地应力方向趋于一致.对岩样的裂缝三维图和可视化图进行分析发现:火山岩压裂中的破裂压力梯度高,导致其难于形成裂缝.对岩样的造缝能力进行分析发现:井眼附近的岩石力学特性是影响岩石造缝能力的重要因素,火山岩往往具有较高的杨氏模量和抗压强度,造缝能力低.因此,火山岩现场压裂改造中的关键问题之一是降低破裂压力梯度.图4表2参20     

国内3 000 m长水平段水平井钻井实例与认识

超长水平段水平井技术已经成为低渗透、非常规油气资源开发的重要技术保障,国内已钻成了多口3 000 m及以上长水平段水平井。由于水平段过长,导致摩阻扭矩大、井眼轨迹控制难、井眼清洁困难、钻压施加难、井壁稳定性差等问题。针对这些难点梳理了3 000 m及以上长水平段水平井钻井的关键技术,包括井眼轨道优化设计、井眼轨迹控制、钻井液性能提高、降摩减阻和“一趟钻”等。在此基础上提出了3 000 m长水平段水平井技术发展方向,以助于提高该技术的应用效果和技术整体水平。     

川南海相深层页岩气水平井钻井关键技术与实践

川南海相深层页岩气资源丰富,是当前及未来页岩气开发的重要接替领域。由于深层页岩气具有层序多、井底温度高、地层压力高、优质储层薄等地质工程特征,在钻井中面临着导向仪器和钻井液耐温性不足、井眼轨迹控制难度高、工具井眼清洁困难、钻速慢及井下复杂风险高的难题。通过优选耐165 ℃高温旋转导向系统提升钻井时效降低趟钻次数,研制高效破岩PDC钻头提高机械钻速,采用降密度控压钻井降低井底钻井液密度,研发岩屑动态称重装置及可降解携砂纤维实现井眼高效清洁,利用钻井液地面降温系统保障井下工具正常作业,采用地质工程一体化导向钻井模式精准识别钻遇岩性和层位,形成了深层页岩气水平井钻井关键技术。现场应用结果显示,L203井区单井钻井周期由199 d缩短至82.6 d,Z201井区单井钻井周期由239.5 d缩短至118 d,实现深层页岩气铂金靶体平均钻遇率92.8%,对今后深层页岩气钻井提速提效具有示范指导作用。     

井壁稳定性研究中考虑中间主应力强度准则的对比分析

中间主应力σ_2对岩石强度具有显著影响,在井壁稳定性研究中需考虑σ_2效应。常用中间主应力强度准则有统一强度理论(UST)、Mogi-Coulomb(MG-C)准则、Drucker-Prager(D-P)准则、修正Lade准则、三维Hoek-Brown(H-B)准则和修正Wiebols-Cook(W-C)准则等6种。文中对比分析了上述6种强度准则在σ_1-σ_2平面内的曲线,并进行了井壁稳定分析。结果表明:在σ_1-σ_2平面内,除UST准则为双折线形式外,其他准则均为非线性形式;D-P准则所预测强度最高,其他准则预测结果相近。在当量坍塌压力计算中,UST准则(b≠0)、MG-C准则、修正Lade准则、三维H-B准则和修正W-C准则计算结果相接近,D-P准则所计算当量钻井液密度最低。对于安全钻井方位,UST准则下安全井壁稳定分布区域随着参数b值升高而逐渐减小;D-P准则下井壁稳定分布区域最高;MG-C准则、修正Lade准则、三维H-B准则和修正W-C准则所给出的井壁稳定分布区域相近。对比分析后,在井壁稳定性研究中推荐使用MG-C准则。该准则不仅反映了σ_2对岩石强度的影响,且形式简单,便于在实际工程中应用。     

基于相场法的井壁微裂缝扩展规律及坍塌机理研究

文章建立了基于相场法的微裂缝扩展模型,通过数值模拟发现了井壁微裂缝的起裂、扩展和转向等现象,分析了钻井液液柱压力和天然裂缝对井壁微裂缝扩展的影响规律,预测了防止微裂缝扩展的坍塌压力。结果表明：当钻井液液柱压力较小时,井壁经历了微裂缝的萌生、扩展、分支缝产生和交叉贯通等阶段;随着钻井液液柱压力趋近坍塌压力,井壁上产生的微裂缝数量减少、缝长变短、扩展速度降低;具有天然裂缝的基岩起裂所需能量比完整基岩破坏所需能量更低,微裂缝扩展速度更大,增大了井壁的坍塌压力。此外,天然裂缝位于最小水平地应力方向、夹角45°且与井壁连通时,最容易起裂和扩展,此处的井壁坍塌失稳风险最大。基于相场法的模型不仅能够可视化模拟井壁微裂缝扩展及坍塌过程,且坍塌压力预测结果与实钻情况相吻合。此研究为裂缝性地层井壁坍塌机理分析及防治提供了基础理论支撑。     

结合CT技术的页岩水化损伤规律研究

为研究龙马溪组黑色富有机质页岩水化后细观结构的损伤演化特征,利用CT技术对不同浸泡时间的岩样进行扫描,充分利用CT图像中信息,分析页岩水化细观损伤规律。结果表明:页岩吸水率随着浸泡时间增加而逐渐升高,并渐趋于平稳,吸水率与浸泡时间之间满足对数函数关系;CT图像和二值化图像直观地显示了水化裂缝萌生形成、扩展贯通、形成宏观主裂缝的演化过程,灰度直方图体现了不同水化阶段的CT图像灰度值的变化,其由初始单峰型过渡为水化后双峰;基于二值化图像得到了不同水化阶段的损伤变量,损伤变量随着浸泡时间增加而逐渐升高,且与浸泡时间之间近似满足幂函数关系;CT图像分形维数可体现水化裂缝演化扩展的复杂程度,其随着水化时间增加,呈现先增大后减小变化规律。利用CT技术可得到岩样在不同浸泡时间的内部微观结构分布,为工程应用提供参考。     

诱导裂缝性井漏止裂封堵机理分析

承压堵漏过程中,堵漏材料进入缝内形成致密的封堵体,封隔井内压力与缝内压力之间的压力传播.利用达西定律和泊肃叶方程分别分析了缝内封堵体区域和缝内其他区域的压力分布;给出了堵漏材料承压封堵过程中诱导裂缝止裂的必要条件.通过缝宽与颗粒粒径比值和颗粒体积百分比雷诺数2个无量纲参数,可以建立堵漏材料封堵裂缝的封堵条件,堵漏材料的粒径和浓度需满足封堵条件曲线的下方区域才会形成稳定封堵体.承压堵漏效果不仅取决于堵漏材料的特性,还受到诱导裂缝性质的影响.因此,控制诱导裂缝性漏失中堵漏材料的优选需紧密结合诱导裂缝的特征.     

结合CT技术的火山岩水力裂缝延伸实验研究

为了准确获知火山岩水力压裂过程中裂缝的平面和空间扩展形态,采用真三轴水力压裂模拟系统,对火山岩天然岩样进行了室内压裂模拟实验,在实验前后采用工业CT技术对岩样进行扫描,并对CT图像进行三维重建和可视化处理。对岩样的CT图像进行分析发现：经过压裂的火山岩内部裂缝在延伸过程中会连通部分天然孔隙,但裂缝并未沿着天然孔隙发育密集的区域延伸;裂缝延伸方向整体上与最大水平地应力方向趋于一致。对岩样的裂缝三维图和可视化图进行分析发现：火山岩压裂中的破裂压力梯度高,导致其难于形成裂缝。对岩样的造缝能力进行分析发现：井眼附近的岩石力学特性是影响岩石造缝能力的重要因素,火山岩往往具有较高的杨氏模量和抗压强度,造缝能力低。因此,火山岩现场压裂改造中的关键问题之一是降低破裂压力梯度。图4表2参20     

裂缝内堵漏材料封堵区域渗透率的评价研究

借鉴ＡＰＩ标准测定压裂支撑剂充填层导流能力的评价实验方法,采用ＦＣＥＳ－１００型导流仪测定不同
堵漏材料及配方组成情况下封堵区域的渗透率。实验表明,随着堵漏颗粒粒径的减小,封堵区域的渗透率逐渐降
低,在不同粒径组合下,封堵区域的渗透率低于单一粒径;单一材料形成的封堵区域渗透率普遍高于不同材料复配
的情况;全封堵情况是堵漏过程中最理想的封堵状态,缝口、缝内、缝尖三个封堵位置下,缝尖封堵时的渗透率最
高,其次为缝内封堵,缝口封堵时的渗透率最低;随着裂缝宽度的增加,封堵区域的渗透率逐渐变大;相同堵漏材料
配方下,采用油基钻井液时的封堵区域渗透率要高于水基钻井液。因此,建议在优选堵漏材料过程中,需综合考虑
堵漏材料的承压能力及所形成封堵区域的渗透率。所得实验结果为优选堵漏材料及配方组成提供了科学依据,对
有效解决井漏问题具有实际指导意义。