储层构造裂缝数值模拟技术

数值模拟技术是对储层构造裂缝进行定量预测确定构造裂缝空间分布的一种有效方法。文中给出了构造裂缝定量预测的数值模拟技术的基本原理和实施方法。该项技术是根据构造变形反演研究区域的边界条件及地质模型用有限元方法进行正演计算，确定出研究区的应力场，再结合岩石破裂准则确定裂缝的空间分布。     

储层构造裂缝的定量描述和预测方法

对不同地质条件下及不同类型裂缝性储层系统进行了研究,形成和完善了一套对地下储层构造裂缝定量描述和预测的技术和方法.运用多种现代技术,对区域和局部构造应力场进行了分析.根据露头区和油田岩心裂缝观测资料、测井资料以及岩石力学研究结果.用概率统计法、类比法等确定裂缝的方位、产状、力学性质、密度(间距)、延伸长度、切穿深度、开度、裂缝孔隙度和渗透率等参数.根据构造变形用数值模拟方法对研究区的边界条件进行反演.再根据地质模型对研究区的应力场进行正演计算.并结合破裂准则确定构造裂缝的方位、产状、力学性质、发育区和密度(间距)。     

基于古应力场模拟的多期区域构造裂缝分布预测评价技术—以中国泌阳凹陷安棚油田为例*

天然裂缝是地层中常见的地质构造现象,系统研究目标区储集层裂缝的分布及发育规律,这对于提高井区产能和调整开发方案具有重要的理论和实际意义。以安棚油田深层系为例,介绍基于古应力场模拟的多期次区域构造裂缝分布预测技术。根据各类岩心资料对裂缝的组系特征、力学性质进行解释和评价,结合研究区构造演化特征,进行岩石破裂力学机理分析,明确了研究区裂缝成因类型主要为区域构造裂缝,为本次裂缝的分布预测技术奠定了基础。结合野外岩心裂缝特征、裂缝充填物次生方解石稳定同位素测定及储层岩石声发射实验结果,确定储层岩石的破裂期次。参考研究区的地质、构造、沉积相展布资料,以岩石力学和构造力学理论为基础,对研究区建立地质模型、力学模型,并分期次进行古应力场模拟研究。结合摩尔-库伦岩石强度理论,通过裂缝发育指数和岩石受力破裂程度多元拟合对研究区裂缝进行预测及评价。     

黄龙场构造长兴组裂缝预测

四川盆地黄龙场构造长兴组主要为生物礁储层,裂缝是影响单井产量的主要因素通过分析研究区构造成因及动力来源,总结了研究区构造形成模式.结合石油地质学、构造地质学、岩石力学和各种生产资料,利用古构造应力场二维数值模拟,对研究区岩体的破裂程度进行预测,然后计算出研究区岩体的破裂接近程度,确定岩体破裂程度与裂缝发育的关系,确定裂...     

三维构造应力场数值模拟技术预测泥岩裂缝研究应用

构造运动及其作用强度也是影响岩石裂缝系统形成的关键因素,裂隙的产生同构造应力场分布密切相关。本文应用三维构造应力场数值模拟技术,在运用先进的有限元建立真实盆地三维地质和数学模型,并对模型进行计算,然后运用岩石断裂力学理论,进行构造裂缝发育密度与能量值之间的定量关系研究。利用该技术对苏北盆地盐城凹陷裂缝储层进行预测,较好地描述了泥岩、泥灰岩裂缝储层发育及分布规律。     

基于摩擦效应的砂岩裂缝密度定量预测

以挤压型盆地内低渗砂岩储层为研究目标,研究应力场与裂缝参数的关系,通过岩石力学实验与理论推导相结合的方法,建立一套基于考虑裂缝面摩擦耗能的裂缝密度定量预测方法。研究表明:岩石变形准则与能量转换法相结合是建立应力场和裂缝参数力学模型的有效途径,当岩石内部应力状态超过破裂条件后,裂缝密度随应变能密度的增加而增大;裂缝的形成除了要克服岩石内在的黏聚力外,还要克服围压与摩擦效应形成的阻力,可使用库仑-莫尔破裂准则进行岩石破裂判别,进而明确应力-应变与岩石产生裂缝密度的数学关系。所建立的模型应用于准西北缘低渗砂岩裂缝密度预测取得了良好的效果。     

储层古构造应力场模拟预测裂缝技术及其应用

根据地质及地震资料分析区域构造演化,在系统的野外岩心观测及测井裂缝识别的基础上,通过古构造应力场数值模拟反演,恢复古构造应力场,从而进行储层裂缝预测。以川西坳陷大邑构造、新场构造须二段为例,通过建立地质模型进行古构造应力计算,从裂缝的成因着手进行裂缝预测。将预测结果与实际资料进行对比,综合分析认为,这是一套行之有效的裂缝预测方法。     

超低渗油气藏非对称压裂数值模拟理论及应用

以鄂尔多斯盆地某采油区延长组的长6油层组为例, 利用测井资料开展地质建模、三维岩石力学场和三维应力场研究, 获得井筒以外空间任一点与压裂密切相关参数的非均质网格节点数值模型。依据岩石破裂准则定量模拟计算出压裂缝的实际展布形态, 建立非对称裂缝空间分布模型, 包括缝高、缝长、缝宽和裂缝的走向。结合生产动态资料, 开展剩余油分布研究, 提出单井重复压裂措施方案。经过现场实施, 日增产原油4吨左右, 效果显著。     

乌夏断裂带二叠系火山岩-碎屑岩混杂地层裂缝预测

基于岩石破裂准则,建立造缝期古地应力和现今地应力与裂缝参数之间的关系.通过构造解析确定古今地应力的性质和方向及古应力的大小,运用ANSYS反复调试出现今应力的大小,将裂缝参数计算模型代入古今地应力场的数值模拟结果中,模拟计算准噶尔盆地乌夏地区二叠系火山岩碎屑岩混杂地层裂缝的开度、密度、孔隙度和渗透率.结果表明:风城组裂缝最为发育,分布也最为广泛,在乌夏地区各位置均有发育;佳木河组裂缝比较发育,分布广泛,在乌尔禾地区、风城地区、夏子街地区均有发育,呈条带状.岩心统计资料验证了模拟计算结果的可靠性.     

斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型研究

在斜井井筒附近应力场分布复杂，往往造成水力裂缝转向。基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法，建立了斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型，用于分析三向地应力和井筒内压作用下斜井井筒水力裂缝的起裂位置和扩展形状。根据此模型，编制了数值计算程序。对长、宽、厚均为300mm的岩石试样在真三轴水力压裂模拟装置上进行了物理模拟，模型计算结果与物理模拟结果基本一致。模拟计算和物理试验结果表明，斜井井筒附近确实存在水力压裂裂缝空间转向的现象。斜井井筒附近水力裂缝的空间转向大致发生在3倍于井简直径的范围内。     

地应力对岩体爆破特征影响规律分析

为研究地应力对岩体爆破的影响,本文通过颗粒流软件（PFC2D）建立计算模型,进行数值模拟,从模型内部应力变化、裂纹分布、裂纹数量和能量场多个角度来分析爆破效果。结果表明：地应力严重影响岩体的爆破效果,尤其是压碎区,地应力每增长1 MPa,峰值应力就会大约增长26 MPa;地应力会抑制裂纹发育,对岩体裂纹分布状态和裂纹数量的抑制效果在3~6 MPa时最明显;地应力每增长1 MPa,岩体内部应变能会大约增长250 kJ;摩擦能和动能的能量变化峰值会随地应力的增加而稍微增加。     

压裂中顶底板对缝高控制作用的数值模拟研究

裂缝在缝高方向的延伸会导致裂缝有效长度的降低,影响压裂效果;也可能直接穿过水层,造成压裂施工的失败。因此,基于FEPG有限元平台,利用网格开裂技术,开展了煤层气井压裂数值模拟研究,对垂向裂缝起裂、扩展及穿层的全过程进行分析。数值模拟结果表明:煤层气井压裂过程中,控制裂缝是否向隔层扩展主要取决于作业的净压力与隔层水平地应力差之间的关系;与储集层岩石力学性质相比,储集层的地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围的主要因素;T型缝、工型缝等复杂缝是由储集层的岩石力学性质和地应力共同作用的结果。这对于提高现场煤层气井水力压裂的效果具有重要的指导意义。     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

基于PHF-LSM模型岩石分段水力压裂应力阴影效应

采用PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture-level set method)水力压裂数值计算模型,模拟并分析了均质与分层岩石材料中分段压裂过程引起的应力阴影效应.通过与单一裂缝诱发应力理论解的对比,验证了PHF-LSM考虑应力阴影效应的可行性.以此模型为基础分析了单一裂缝发展过程中,岩石材料参数与初始应力条件对诱发应力场的影响,以及均质与分层岩石材料的多裂缝起裂过程中不同压裂间距与压裂顺序产生的应力阴影效应.数值计算结果表明:泊松比、抗拉强度与孔隙率的增加会增大裂缝引起的诱发应力与净压力比值的峰值,而弹性模量和水平主应力差的增大会减小该峰值;裂缝间距的扩大可以减弱裂缝间应力阴影效应;两步压裂与顺序压裂的裂缝总面积均大于同时压裂时的面积,但顺序压裂与两步压裂会带来更高的起裂压力;产层厚度与压裂间距的减小会增大应力阴影效应.     

渤南油田义176区块三维应力场智能预测

为提高应力场数值模拟的运算效率，基于ANSYS中的APDL语言编译自适应边界程序，将边界条件的人为调整过程自动化，并借助Petrel与ANSYS的联合建模技术以及三维非均质岩石力学场的构建技术，开展了渤南油田176区块三维应力场的智能预测。结果表明，自适应边界程序大幅且有效地缩短了人工反复尝试边界条件的时间，提高了应力场模拟的效率，且保证了预测精度。义176区块现今最大水平主应力方向总体呈近EW-SEE向，边界断层对应力方向影响较为显著，引起了约5 °~10 °的偏转。现今地应力数值变化较大，离散性高，平面上呈带状展布，具有北高南低的分布趋势，在目的层范围内属于I_a类地应力，岩石的非均质性是造成应力数值差异的主要原因。在义176区块中部存在一片条带状展布的“应力甜点”，可以作为井位部署和压裂作业的优势区域。     

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析

为了更好地处理天然裂缝影响下水力裂缝的扩展模拟问题,提出了区域置换与破损单元的概念和方法,在此基础上建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程,运用图形建模数值方法,分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响:天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式;位于水力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝,因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力,造成水力裂缝内有效驱动压力耗散,影响了水力裂缝的扩展。裂缝监测报告与数值分析结果一致,验证了数值分析的方法和结果。     

水力压裂近井区裂缝转向扩展机理

针对水力压裂条件下煤层气井初始压裂缝转向问题,首先基于断裂力学原理与最大周向应力准则,分析了储层原始地应力场和压裂液渗透场时空演化规律,建立了裂缝转向起始模型,并考虑转向裂缝面复杂的应力边界条件,利用位移不连续法建立了裂缝转向扩展模型;其次着重考虑了射孔角度、地应力差及施工排量对压裂缝转向扩展的影响,结合焦作恩村矿区现场施工参数,分别计算了裂缝起偏角度和偏转距离。计算结果表明：水力压裂条件下,射孔角度与地应力差对近井区压裂缝转向影响较大,而压裂液排量则影响较小;当射孔角度或地应力差较小,压裂缝偏转距 离较大,形成的压裂缝曲率也较小;反之亦然。最后运用XFEM软件模拟裂缝转向扩展机制,经与计算结果对比,发现二者较为吻合,从而验证了理论模型的正确性,研究成果可为定向射孔水力压裂现场控制提供理论指导。     

岩石面糙率的分布及其对裂隙水流的影响

就岩石央糙率的分布规律及其对裂隙水流的影响进行了计算分析,通过天然大理石板人工构成开裂隙模型所进行的大应力高水头耦合试验研究,对大理石板在糙度的实测数据进行了数值分析,分析表明,该岩面糙率符合斯分布,由此得出了数值岩面,同时,用数学模型确定了裂隙面接触状态与应力的关系,用应力场与渗流场耦合地描述了裂隙流渗随应力变化的渗流特性,从计算途径验证了试验结果。     

射孔对井眼围岩应力场及破裂压力影响规律

 射孔在一定程度上可以有效地降低地层破裂压力,避免裂缝扭曲和多裂缝的不利现象;射孔参数的改变会导致井壁围岩应力场及破裂压力的改变,进而影响压裂施工和压后产能.加强射孔井井壁围岩应力场的动态演化规律研究,对指导水力压裂施工、井壁稳定性、储层改造等具有重要的意义.利用ABAQUS有限元计算软件建立套管-水泥环-地层的三维数值模型,在考虑流固耦合效应和动态效应的基础上,运用单一变量理论对不同的射孔密度、射孔长度、射孔方位角等射孔参数进行模拟分析,得到井壁围岩应力分布及水力压裂破裂压力的定性认识并给出最优的射孔参数.研究结果可为压裂井射孔工艺技术优化设计提供一定的理论指导.