水平裂缝压裂井眼位移的有限元计算

用有限元法分别对有１～３条水平裂缝井眼在压裂时油层附近的井眼位移分布进行了计算。计算结果表明，增加裂缝数，并未使井眼位移的影响范围和位移的绝对值成倍增加，而是使裂缝周围区域的岩石更加紧密，同时还使裂缝处的水泥环承受巨大的拉应力，这样可能导致水泥环被破坏。该计算结果可用于分析和研究压裂对油层孔隙度及渗透率的影响     

水平井分段压裂过程对水泥环完整性影响

水平井分段压裂过程中出现的套管损坏和水泥环完整性问题日益引起关注。目前研究的重点包括地层滑移、套管和水泥环受力等,而对分段压裂过程造成影响的研究较少。为了建立水平井分段压裂水泥环完整性计算模型和方法,首先,利用有限元软件建立有限元模型,得到水平井分段压裂过程中水泥环弹性区和塑性区分布;其次,利用离散元模型分析有限元中得到的塑性变形区域,获取塑性变形区域内水泥环的微裂纹数量;最后,依据水泥环塑性区分布和微裂缝数量得到水泥环的完整性评价。研究表明,除了套管和水泥环刚度比、套管偏心率和水泥环缺陷对水泥环完整性有影响,水平井的压裂段数的影响也较为明显。随着套管和水泥环刚度比增加,水泥环完整性增强;套管偏心率增加和水泥环存在缺陷降低水泥环完整性;水平井压裂段数越多,水泥环完整性降低。     

裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究

随着大位移井数量的增加,大位移井压裂逐渐成为油气藏的一种重要增产技术手段。大位移井水力压裂裂缝起裂与直井、普通定向井有显著差别,其起裂模式不仅与井眼轨迹(井斜角、方位角等) 有关,而且还与地应力方位密切相关。以往的斜井裂缝起裂模式已经不能满足大位移井压裂设计的需要。考虑作业条件、压裂液渗滤效应和孔隙压力的影响,建立了大位移井井筒周围应力场分布模型,提出了裂缝起裂压力和起裂方位预测模型,并分析了不同构造应力范围对大位移井压裂裂缝起裂的影响。计算结果表明,建立的模型完全适用于大位移井压裂设计的需要。     

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。     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

岩石动态损伤模拟实验装置的研制

基于爆燃压裂技术原理，研制了岩石动态损伤模拟实验装置。该装置用一重物自由落体撞击岩心夹持器的内活动柱塞，压缩岩心模拟井眼内的流体，产生动态压强作用于岩心模拟井眼壁面，以模拟油井爆燃压裂时爆燃药爆燃所产生的动态压强对井眼附近油层的影响。根据动量和能量守衡原理，建立了岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型，并通过实验验证了计算模型的准确性，增压值和加压速率的计算值与实验结果的平均相对误差分别为2.56%和4.04%。该装置的研制为动载下的岩石力学特性研究提供了定量研究手段。     

低渗透油藏压裂水平井产能计算新方法

应用复位势理论和势的叠加原理，推导出考虑裂缝与水平段同时生产的油层中渗流模型；应用流体力学理论、质量守恒定理和动量定理，推导出考虑水平井筒沿程油层流体流入和裂缝流体流入的井筒内压降计算模型。在此基础上建立了油层中渗流和井筒内管流耦合的产能模型，并给出其求解方法。实例计算结果与实验结果对比表明，进行压裂水平井生产动态分析时，不能忽略水平井筒沿程油层流体流入的影响；水平井筒内的压力降对产量有一定的影响，水平井筒长度存在最优范围；各条裂缝产量不相等，裂缝条数存在最优范围。     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。     

多因素影响的脱砂压裂产能流固耦合模拟

综合考虑流固耦合作用、动态造缝效应、变裂缝导流能力等因素,建立了新的疏松砂岩油藏脱砂压裂产能模型,进行了多因素影响的脱砂压裂产能优化。研究表明:在流固耦合作用下,近井眼及近裂缝壁面储层物性参数变化显著,远离井眼及人工裂缝后,储层物性参数变化幅度明显减小;动态造缝效应主要对近井眼中心10 m以内储层参数产生显著影响;定导流能力与变导流能力影响下的储层参数差异主要体现在裂缝周边;在多因素综合影响下,脱砂压裂增产倍数明显低于常规渗流模型计算结果,且缝长越短,各因素综合影响越显著。     

温-压耦合作用下水泥环参数对套管应力影响

套管应力的准确计算是保证井筒完整性的重要基础;但现有理论直接将地应力加载到模型中,计算所得的位移场包含了地层在原始构造应力下所产生的位移;而此位移并非是钻开井眼后所产生的,这样就会对套管应力的计算产生影响。在原有模型基础之上,消除了原始构造应力所产生的位移,建立井筒组合体温-压耦合模型。根据弹性理论,由界面应力、位移连续性条件,推导了组合体在温度和压力共同作用下的应力解析解。研究了水泥环弹性模量、泊松比和厚度对套管应力的影响规律。结果表明,对于低弹性模量的地层,现有模型的套管应力计算值远远高;对于高弹性模量地层会低。对于不同水泥环泊松比,现有模型计算值低。水泥环厚度较小时,现有模型计算值偏高;较大时则偏低。由此可见现有模型存在一定的差异,尤其是对于低弹性模量地层,需要对现有模型进行修正,才能为水泥环参数设计提供正确的理论指导。     

压裂液黏度及注入速率对裂缝网络形态的影响

根据现场监测与岩芯观察结果,天然裂缝对水力压裂效果影响显著,压裂后易形成复杂缝网。通过数值计算对裂缝性储层压裂效果进行预测,可以实现对压裂参数(如压裂液黏度、注入速率等)的优化。本研究采用位移不连续方法计算压裂裂缝与天然裂缝的法向与切向位移,裂缝内流动方程采用有限体积法计算。压裂裂缝的扩展基于F能量判据,天然裂缝根据受力状态的不同存在闭合、滑移及开启3种形式。通过将裂缝变形方程与流动方程耦合求解,可以获得压裂裂缝在天然裂缝网络中的生长情况。由于压裂施工参数可以进行人为调整,因此了解不同施工参数对压裂效果的影响至关重要。现场及室内试验结果表明,高速注入高黏度流体更容易获得较为集中的裂缝分布。对比不同压裂液黏度及注入速率条件下天然裂缝壁面次级裂隙的生长行为,结果表明,高黏度、高注入速率的压裂方式更有助于次级裂隙的生长,从而抑制流体沿大尺度天然裂缝的流动,使压裂后裂缝分布更为集中。同时,计算结果还表明,高黏度、高速率的压裂方式获得的裂缝开度较大,总长较短,接触天然裂缝面积较小;低黏度、低速率注入的方式有助于激发天然裂缝网络,诱导天然裂缝发生明显的剪切滑移。     

页岩气藏水平井分段多簇压裂与流动数值模拟

为探究页岩气藏水平井压裂参数对产气量的影响,开展了分段多簇压裂与流动的数值模拟研究。裂缝扩展模型考虑应力阴影作用,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量。耦合井筒和裂缝中流体流动,并采用牛顿迭代法求解;考虑页岩气的黏性流、Knudsen扩散和吸附解吸,采用离散裂缝模型对压裂后页岩气的流动进行了求解。模拟结果表明:多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,两侧裂缝偏离最大水平主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;随着水平井压裂段数增加,累积产气量增加,但增加幅度逐步降低;至于压裂段,三簇压裂比两簇压裂累积产气量高;裂缝间距越大时,累积产气量越高。     

多级压裂水泥环界面密封失效数值模拟

四川地区页岩气开发过程中环空带压现象严重,严重影响页岩气井的高效开发,因此准确了解页岩气井多级压裂过程中固井界面微环隙的产生机理具有重要意义。考虑到页岩气改造压裂级数多的特点,采用有限元方法,基于内聚力单元,构建了周期载荷作用下的水泥环界面密封性评价数值模型,研究了多级压裂过程中的水泥环界面胶结失效演变规律。研究结果表明:第一次循环结束后,后期循环加载过程中水泥环界面位移的累计增长程度较小,控制水泥环初次加载过程中的塑性变形可以提高维持水泥环密封完整性的压裂次数;降低水泥环弹性模量,适当提高水泥环的泊松比可以有效增加水泥环的长期密封能力,进而降低多级压裂过程中油气井环空带压的现象。研究成果可为页岩气井多级压裂过程中油气井环空带压的有效控制提供理论参考。     

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises应力的影响.研究结果表明:...     

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。     

应力敏感油藏压裂井产量动态规律研究

基于广义达西定律及流固耦合理论建立了渗透率各向异性疏松砂岩脱砂压裂人工裂缝-油藏系统流固耦合模型,模拟分析了压裂造缝及降压生产流固耦合作用对储层应力、孔渗特性及生产动态的影响．研究表明：脱砂压裂造缝对储层物性影响主要体现在近井眼10m以内,且造缝宽度越大影响越显著,远离井眼及人工裂缝后,储层物性变化明显放缓;开井初期,储层孔渗参数变化显著,随生产时间增加,储层孔渗参数趋于稳定,仅随空间位置而变化;在压裂造缝及降压生产流固耦合作用综合影响下,近裂缝储层弹性模量显著增加,储层孔渗参数显著降低,压裂井产量明显低于常规渗流模型预测结果．对应力敏感性较强储层进行生产动态分析时,必须充分考虑流固耦合作用影响．     

大庆敖南特低渗油层非达西渗流压裂水平井优化技术

为了反映特低渗透油层基质-裂缝-水平井耦合流动的非达西渗流规律,完善非达西渗流条件下压裂水平井非定常渗流产能预测方法,建立完整的数学模型。对大庆敖南油田压裂水平井进行了优化设计数值模拟研究,研究了裂缝长度、裂缝条数、裂缝分布、水平井长度、裂缝间距、裂缝导流能力等对压裂水平井开发效果的影响,揭示了整体压裂基质-裂缝耦合两相流动开采变化规律。该模型物理概念清晰,模型先进,计算结果与试验和矿厂动态数据变化规律相符和吻合,可有效指导现场进行水平井压裂优化设计。     

水力裂缝层内爆燃压裂油井产能计算模型

基于水力裂缝层内爆燃压裂技术提高低渗透油田采收率和油井产量的基本设想，利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，建立了水力裂缝层内爆燃压裂油井产能计算模型，并分析了水力裂缝和爆燃裂缝参数对油井产能的影响。研究结果表明，在低渗透油藏中，增加水力裂缝的长度比增加水力裂缝的导流能力对油井增产更有利；爆燃裂缝的存在可在水力裂缝增加油井产量的基础上进一步增产，相对于水力压裂油井，爆燃压裂油井增产倍数可达1．55。由此说明，利用水力裂缝层内爆燃压裂技术来提高低渗透油田油井产量是可行的。     

全三维水力压裂过程中裂缝及近缝地层的温度计算模型

根据全三维水力压裂模型 ,建立了水力压裂施工过程中裂缝、盖层、底层以及裂缝附近地层中三维温度分布的数学模型。在该模型中 ,考虑了裂缝内的液体沿缝长和缝高方向作二维流动及裂缝向上、向下延伸到盖层和底层中的情况。计算实例表明 ,液体沿裂缝长度和高度方向同时流动时 ,在其长度和高度方向上都存在温度梯度。并且在沿裂缝高度方向上 ,由于滤失带对地层传热的影响 ,使得油层范围内的温度变化较小 ;而在油层范围以外 ,温度变化则较大