预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟，较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下，压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动，裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹，而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

页岩气储层水力压裂机理研究

水平井分段压裂技术是现阶段页岩气成功开发的关键技术,并逐渐形成了一系列以实现"体积改造"为目的的页岩气压裂技术,其"体积改造"的理念颠覆了经典水力压裂理论,是现代非常规储层压裂理论发展的基础。到目前为止,页岩气储层水力压裂缝网形成与扩展机理等基础理论还不完善;通过室内大型真三轴水力压裂物理模拟实验,在室内模拟出含裂缝的页岩地层,研究了裂缝性地层水力压裂过程中天然裂缝对水力裂缝扩展的影响;并分析了水力裂缝在该类型地层中的扩展模式及其影响因素。     

油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

考虑层理效应的页岩压裂模拟全耦合黏结单元法

页岩水力压裂技术是目前最常用的储层改造技术。页岩中存在具有方向性的不连续结构面,使其具有较为明显的层理效应,主要体现为页岩的横观各向同性。为了在水力压裂中反映层理效应,在考虑层理效应的粘结单元方法(CFEM)基础上,考虑了力学场和渗流场的相互作用,推导了界面单元全流固耦合方程。最后,通过水力压裂试验结果与模拟计算结果的对比,展现在不同地应力条件下页岩层理性对水力裂纹扩展的影响作用。在应用该方法时可以根据给定层理方向,模型自动将与层理平行(或近于平行)的粘结面转化为层面界面,而且在整个模拟过程中,不需要引入额外断裂准则,也不需要网格修正,为页岩水压致裂问题的数值模拟提供了新途径。     

基于扩展有限元法的水力压裂大物模实验的数值模拟

该文在页岩水力压裂实验的基础上,采用扩展有限元方法(XFEM),发展了ABAQUS软件的显式用户单元子程序,实现了页岩水力压裂过程的初步数值模拟。通过在常规3维实体8节点单元中引入扩充自由度,实现在单元内引入不连续位移场,模拟了水力压裂的裂纹,且无需在裂纹扩展过程中重画网格。采用有限差分法(FDM)离散流体的连续方程,实现对裂缝内流体流动的模拟。对一般扩展有限元方法进行改进,引入虚拟节点,在显式方法中可以简化处理单元内的裂纹,同时在扩充8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制,大大提高了计算效率。数值模拟结果与实验吻合得较好。     

水平井多段分簇压裂裂缝扩展形态数值模拟

水平井多段分簇压裂技术已成为低渗透油气增产的关键技术,能够大幅度增加储层的泄油面积,最大限度地提高采收率,而射孔簇间的应力干扰是影响水平井多段分簇压裂的关键因素。为了提高储层改造体积,研究簇间裂缝扩展的规律,根据流-固耦合及岩石断裂力学理论,利用ABAQUS扩展有限元法建立水平井多段分簇水力压裂二维模型,并利用数值模拟结果对现场2口井的压裂参数进行优化。数值模拟结果表明:水力裂缝长度、簇间距、水平应力差、压裂次序对水力裂缝形态影响显著;裂缝诱导应力场对裂缝形态影响程度随裂缝长度增加逐渐增强,随簇间距和水平应力差的增大逐渐降低;水力压裂次序可以明显改变诱导应力场分布,合理利用能增加有效裂缝长度。现场压裂参数优化后的2口井产能得到明显提高,证明了数值模型的可行性。     

缝槽形态对水力压裂效果的影响

为研究资源开采中缝槽形态对水力压裂起裂及裂缝扩展规律的影响,解决因地质资源埋藏深、地下储层结构和应力水平复杂、水力压裂开采过程中所造成的钻孔压裂起裂压力大、起裂方位无序、压裂效果差异较大等问题,建立圆孔和椭圆缝槽的二维水力压裂钻孔模型,利用RFPA-Flow^2D数值模拟软件,理论分析并结合数值模拟,对圆孔和椭圆2个缝槽形态的起裂机理和裂缝的扩展规律进行研究。结果表明：压裂裂缝的扩展延伸方向与施加的应力组合中的最大主应力方向平行,且当施加的应力组合差值不断减小时,裂缝的起裂压力随之逐渐增大;最大主应力平行于椭圆缝槽长轴时相较垂直于椭圆长轴时,裂缝更容易起裂;当应力差减小至零时,对比椭圆缝槽,圆孔缝槽的裂纹扩展出现了随机分叉的现象;在应力组合相同的条件下,椭圆缝槽相比圆孔缝槽的起裂压力更小,椭圆缝槽更容易起裂。     

宁209X1立体开发平台水力压裂复杂裂缝井间干扰机理

四川盆地长宁区块页岩气储层已经进入立体开发阶段,在龙马溪组主力产层采用“W”形的上下两套水平井进行立体开发,井距由最初的500 m减小到300 m。随着井距的减小和立体开发井位的部署,井间裂缝产生干扰时常发生,甚至造成井间压窜,致使邻井产能下降。为探究立体布井水力压裂复杂裂缝井间干扰机理,基于地质工程一体化思路,建立了宁209X1立体布井平台的综合地质构造及地质力学模型、天然裂缝的离散裂缝网络模型以及立体井组水力压裂复杂裂缝扩展数值模型,模拟了该平台4口井的压裂裂缝形态,并对井间压裂裂缝干扰机理进行分析。结果表明：该平台水力压裂裂缝在横向上难以对邻井产生干扰,且缝高方向扩展受控;少数压裂段各簇裂缝出现了非均匀起裂扩展现象,部分压裂段出现非对称扩展现象;在当前条件下,天然裂缝带是决定是否产生井间干扰的关键性因素。研究结果可为裂缝性页岩气立体开发平台压裂施工参数优化提供理论支撑。     

水力喷射布置方式对页岩水力压裂效果影响

针对水力喷射布置方式影响页岩气开采压裂效果,建立了页岩气水平井水力喷射预制裂缝二维模型,利用数值模拟方法,考虑水力压裂压强、气藏埋深影响,分析了水力喷射布置方式、喷射角度对页岩气藏应力分布特征,给出了喷射布置类型、喷射角度对水力压裂影响面积,确定了最佳水力喷射布置方式.结果表明:相同水力压裂压强和采深下,对斜型、直斜型、单斜型三种水力喷射布置方式中,对斜型压裂效果最佳,其次是直斜型,单斜型最差;对斜型、单斜型最佳喷射角度分别为75o、60o,而直斜型最佳喷射角度为60o和75o;水力压裂压强越接近地应力,压裂影响面积减小越快,水力喷射布置方式影响越不显著.     

非均匀孔隙压力下水压致裂的数值试验

运用数值试验方法研究了非对称分布的孔隙压力梯度下水力压裂裂缝的扩展行为 ,数值试验再现了孔隙水压作用下岩石微破裂诱致宏观破坏的演化过程·数值试验结果表明 ,水力压裂裂纹的扩展不仅受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小的影响 ,同时也受控于宏观上孔隙水压梯度分布 ,在扩展方向上致裂裂纹往往偏向于高孔隙压力的区域 ,并且其压裂压力随着局部孔隙压力的增大而降低 ,数值试验研究结果与物理实验结果有较好的一致性     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

 斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

体积压裂裂缝分布扩展规律及压裂效果分析—以鄂尔多斯盆地苏53区块为例

体积压裂技术为致密砂岩气藏大规模经济有效开发提供了新的途径。为了分析裂缝在体积改造中的分布和扩展规律,基于鄂尔多斯盆地苏53区块储层特征和渗流-应力耦合理论,采用RFPA-flow软件建立了储集层砂岩体的流固耦合模型,模拟分析了引导裂纹、天然裂缝、围压对体积压裂中裂缝扩展的影响。然后通过对比区块内体积压裂井、普通压裂井和未压裂井的实施效果,体现出体积压裂在致密砂岩气藏开发中的明显优势。     

附加应力场和滤失作用下页岩水力压裂开裂机理

为了研究含有天然微裂隙和层理的页岩储层在压裂液产生的滤失和附加应力场共同作用下的开裂机理,采用复变函数保角变换方法修正了传统附加应力场解析解,基于最大拉应力强度理论,通过解析分析比较储层基质、天然裂隙和层理的复杂应力状态及相应的强度,得出水力压裂主裂纹遇天然裂隙或层理后的开裂机理和扩展方向.基于莫尔强度理论分析讨论被裂纹穿过后的储层次裂纹形成机理.结果表明:水力压裂主裂纹尖端拉应力集中,发生张性破坏;被主裂纹穿过的天然裂隙或层理在附加应力场和压裂液产生的滤失作用下发生剪切破坏,形成滑动次裂纹;附加应力场增大裂纹附近的最小地应力、降低裂纹附近的最大地应力,不利于储层次裂纹的形成;降低排量、增加压裂作用时间,提高裂纹附近储层孔隙压力,降低有效应力,可促进储层次裂纹的形成.     

页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键。试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响。通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态。实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性。试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝。另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝。     

用界面元分析层状陶瓷的三点弯曲断裂性能

采用无厚度界面单元对层状陶瓷的断裂性能进行了数值研究．在三点弯曲断裂试验中,可以观察到层状陶瓷裂纹扩展同时具有贯穿裂纹和层间裂纹两种形式．在本的有限元计算中,对两种不同形式的裂纹扩展采用了不同的计算方法．对于纵向扩展的贯穿裂纹,采用最大拉应力破坏准则,而对于横向的层间裂纹扩展,则用无厚度的界面单元的破坏进行模拟．对层状陶瓷试件的层数与断裂性能关系的计算可以得到以下结论：随着层状陶瓷的层数的增加,其断裂性能逐步提高,但是增幅逐渐减少,到20层左右时,再增加层状陶瓷的层数,对提高断裂性能并无太大的帮助．     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

基于CDEM的页岩甲烷原位燃爆压裂数值模拟

甲烷原位燃爆压裂是一种利用原位解析的甲烷气体作为爆源的页岩气储层改造方法。基于连续-非连续单元法(CDEM),结合朗道爆源模型和线弹性拉剪复合断裂本构建立甲烷燃爆压裂数值模型。针对页岩气储层开展直井甲烷燃爆压裂数值模拟,分析燃爆峰值压力、增压速率、初始最小主应力、应力差以及天然裂缝参数对燃爆裂缝扩展的影响。结果表明：甲烷燃爆压裂在井周形成复杂裂缝,随着峰值压力和增压速率的增大以及初始最小主应力的减小,燃爆裂缝扩展范围会增加,其中峰值压力的影响最显著;在应力差的影响下燃爆裂缝范围偏向最大主应力方向,且应力差越大这种偏差越明显;天然裂缝能够增强燃爆压裂效果,其分布密度越大、缝长越长、与最大主应力方向夹角越小,燃爆裂缝扩展范围越大。     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态的智能预测

水力压裂作为页岩气储层开采的核心技术,在压裂过程中水力裂缝的扩展会遇到天然裂缝,与天然裂缝相交后压裂缝的扩展特征对缝网的形成有明显影响,从而影响最终压裂改造效果。基于内聚力单元建立了基于断裂力学的页岩气储层渗流-应力-断裂耦合的水力裂缝与多个天然裂缝相交扩展模型,研究了不同天然裂缝倾角、天然裂缝尺寸、应力差、压裂液排量和黏度下水力裂缝与天然裂缝扩展形态规律。采用基于Bagging算法集成支持向量机(support vector machines, SVM)、决策树(decision tree classifier, DTC)、逻辑回归(logistic regression, LR)、K最邻近算法(K-nearest neighbor, KNN)的裂缝形态分类器对裂缝相交扩展形态进行预测,并将Bagging算法预测结果与SVM、DTC、LR、KNN预测结果进行比较。研究结果表明：基于Bagging集成算法对水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态预测准确率达到了92.58%,相较于单个算法,最高提升了17.95%,其中应力差越小、天然裂缝倾角、裂缝尺寸越大和压裂液排量、黏度越低越容易产生剪切缝,...