基于流-固耦合的压裂裂缝形态影响因素分析

压裂裂缝形态易受储层物性、地应力、施工参数及压裂液黏度的影响.基于多孔介质流-固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用cohesive黏结单元模拟压裂过程中裂缝起裂、扩展造成的损伤,以此建立水力压裂垂直裂缝扩展的三维有限元模型.模型可以对垂直缝扩展进行动态模拟,定量描述压裂过程中裂缝长度、高度、宽度.通过模拟发现:①储隔层弹性模量差值较小、施工排量过大、储隔层最小水平主应力差值较小均可能造成泥岩穿层,裂缝长度急剧下降,严重影响压裂效率;②渗透率对裂缝长度的影响最大,高弹性模量、低渗透的储层容易造长缝,但是高弹性模量、高渗透或高滤失的储层裂缝长度较短;③弹性模量对裂缝宽度的影响最大.     

超低渗油藏超前注水区油井压裂时机探讨

针对部分超低渗油藏超前注水后,油井压裂缝高度控制难度大的问题,通过声发射测试及有限元模拟方法分别对超前注水前、后的地应力特征进行了研究,认为超前注水后,储、隔层应力差更低,不利于控制压裂缝高.在对该类岩石物理性质研究的基础上,通过物理模拟实验方法对该类油藏油井压裂时机进行了研究,认为油井在未注水前压裂,有利于控制缝高,压裂试油结束后注水,待地层压力达到超前注水设计压力水平后投产,可提高开发效果.     

致密储层水力压裂裂缝几何形态地质影响因素及控制方法

水力压裂是致密储层有效开发的主要技术之一,得到油田的广泛应用。水力压裂裂缝几何形态影响因素研究,是致密储层压裂成功的关键,因此,本文以大庆致密储层为例,采用Abaqus有限元软件进行了模拟计算,研究了油藏储隔层最小水平地应力差,弹性模量差,泊松比差和抗拉强度差对裂缝几何形态的影响,研究结果表明：储隔层最小水平地应力差,弹性模量差和抗拉强度差对裂缝的几何形态和扩展有较大的影响;而泊松比差对裂缝几何形态的影响微乎其微。本文通过低温冷却和增加人工隔层等方法对裂缝几何形态的控制分析,为现场压裂施工提供了基础。     

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。     

考虑垂向摩阻的裂缝拟三维延伸模型

裂缝拟三维延伸模型具有极快的收敛速度、令人满意的计算精度和较强的适应性,但该类模型中没有考虑垂向摩阻,计算得到的裂缝高度偏大,不能模拟存在缝高失控的裂缝三维延伸过程。推导存在垂向摩阻的裂缝宽度解析表达式,考察裂缝张开位移判据的精度,认为对于常规水力裂缝没有必要进行小范围屈服修正。在此基础上,考虑双线性流动模式和压裂液的初滤失,建立改进的裂缝拟三维延伸模型。实例模拟分析表明:改进模型精度更高;当隔层应力差较大时,下缝高的延伸极其缓慢,有利于底水油藏压裂;当隔层应力差极小时,裂缝高度与长度近似相等,但由于重力差作用,上、下缝高仍有明显差异。     

水平井压裂多裂缝同步扩展数值模拟

采用有限单元法对水平井压裂多裂缝同步扩展问题进行数值分析。考虑压裂过程中高压流体、岩层变形/破裂与裂缝扩展之间的多物理场耦合响应,建立多裂缝同步扩展力学模型;采用裂缝单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径。应用有限元方法求解耦合模型并编制计算程序,模拟水平井多裂缝同步起裂、扩展和转向过程。研究结果表明:水平井多裂缝同步压裂,起裂压力相差较小;延伸压力受缝间应力干扰影响,中间裂缝处压力高于两侧裂缝;随裂缝扩展,多裂缝之间应力干扰效应提高,主应力方向偏转范围增大,促使复杂裂缝的形成;通过优化射孔簇间距与数量可增强裂缝间应力干扰效应,增加水平井多裂缝扩展的复杂性。     

水力裂缝高度关键影响因素不确定性分析

为揭示压裂施工中水力裂缝在层状地层中的穿层规律,根据测井资料建立平面应变模型,针对压裂过程中裂缝高度的动态变化,通过飓风分析筛选出控制裂缝高度的关键参数,利用Box-Behnken试验设计结合响应面分析法建立统计预测模型,并揭示了各关键参数的统计显著性.研究结果表明:隔层与产层的应力差和弹性模量差是控制裂缝高度的关键影响因素,高地应力、低弹性模量的上覆泥岩层会使得裂缝高度减小,将裂缝有效的遮挡在储层内.研究结论可根据缝高预测模型开展缝高优化设计,预测理想缝高对应的参数组合,指导压裂设计.     

直井体积压裂不稳定试井研究—单孔双区模型

借鉴近年来美国迅速发展的页岩气储层体积改造技术,长庆油田提出了"体积压裂"的概念,作为一种新兴的增产措施,体积压裂的相关渗流理论及试井模型研究尚未大力展开,因此从裂缝性油藏储层特征出发,对Cinco-Ley的模型进行推广,提出一种可以描述体积压裂井渗流规律的基础模型:首先将渗流过程视为油藏不稳定渗流和裂缝内部稳定渗流两部分的叠加,然后利用源函数与叠加原理描述油藏渗流过程,利用一维达西渗流理论来描述裂缝内部稳定渗流过程并对其进行离散,最后在裂缝壁面处进行压力和流量的耦合。经过数学求解后得到了新模型下的压力及压力导数双对数特征曲线,并分析了导流能力和流度比对模型曲线的影响。该模型有效实现了垂直井、有限导流裂缝以及径向复合储层的耦合。     

页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探

水力压裂模拟实验中,对水力裂缝的监测和识别是研究储层裂缝形态的基础。利用室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟装置对300 mm×300 mm×300 mm立方体页岩试样开展体积压裂实验,建立多通道声发射实验监测系统,在试样两个对称侧面布置声发射探头,采集实验过程中裂缝破裂时的声波信号,对裂缝缝网形成过程进行三维动态实时跟踪,可以明确水力裂缝起裂和裂缝扩展形态;再结合声发射计数曲线和泵压曲线可以实时监测水力裂缝不同扩展阶段,判别水力裂缝与天然裂缝相互沟通过程。监测过程发现,声发射累积次数最高点先于破裂压力点出现,水力裂缝扩展接收的声发射信号多于天然裂缝开启过程,地层破裂后泵压曲线的波动可以识别裂缝之间的沟通程度,打开试样观察示踪剂的分布特征进一步验证了声发射监测结果。     

低渗油藏体积压裂井压力特征分析

 体积压裂技术的发展正处于起步阶段,国内多个油田进行了大型水力压裂尝试,其中最典型的是长庆油田实施的分段多簇压裂技术。体积压裂渗流理论发展相比工艺具有滞后性,目前尚未有完善的用于现场指导的渗流理论体系。本研究以矿场体积压裂直井的微地震测试资料为依据,建立了可以描述其渗流规律的数学模型:首先将渗流过程分为油藏到主裂缝的流动和主裂缝内部流动;然后利用达西渗流理论描述主裂缝稳态渗流过程,利用源函数与叠加原理描述油藏渗流过程;最后在主裂缝壁面处进行油藏渗流与主裂缝渗流的耦合。经过数学求解后得到了该模型井底压力的特征曲线,并且分析了各种因素下该特征曲线的变化规律。对该数学模型和数值模型的结果进行比对,证实了该模型的准确性。     

页岩气藏压裂数值模拟敏感参数分析

针对页岩气藏压裂形成复杂裂缝网络后,单一的裂缝描述方法不再适用的问题,采用Eclipse 软件中的页岩 气模型,建立了一种“等效方法”,将页岩气有效改造体积表征为“主裂缝+ 网络裂缝渗透率”,代替“主裂缝+ 次裂 缝”的模拟方法,两种方法产量和长期压力驱替是等效的,解决了手工划分网格工作量大、计算速度慢的问题。运用 Plackett-Burman 型线性试验设计方法,对水力裂缝参数和储层参数进行敏感性排序,结果表明：水力裂缝参数中,压裂 纵向改造程度、网络裂缝渗透率和有效改造体积对产量影响最敏感,储层参数对产量影响敏感程度由强到弱为：地层 压力系数、总含气量、储层有效厚度、吸附气比例、井底流压、基质渗透率。为页岩气压裂选井选层和压裂设计方案优 化提供了依据。     

页岩气储层水力裂缝转向扩展机制

从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸。分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算。结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄;压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大;水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向;水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄;裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小;水力裂缝转向能扩展为2~3种裂缝模式的复合。     

水平多裂缝交错扩展及其诱导应力干扰研究

QA油田X储层埋深较浅,高角度天然裂缝发育,水力压裂后形成的水力裂缝形态较为复杂,压后效果时好时坏,给压裂设计及施工带来诸多困难,急需弄清该储层水力裂缝的形态,以确定合理的压裂施工方案。首先,采用三轴岩石力学测试系统对X储层岩石力学特征进行测试,观察天然裂缝形态。其次,建立砂泥岩相间的二维平面渗流-应力-损伤耦合有限元模型,采用二次应力起裂准则作为水力裂缝是否起裂的判断依据,以幂律流来表征流体在Cohesive单元内的流动。模拟了X储层水力压裂多裂缝交错延伸的裂缝形态,探究了水力裂缝几何形态及压裂液排量、地应力、压裂液黏度对缝间应力干扰的影响,揭示了复杂多裂缝交错扩展的干扰机理,发现该储层具有形成复杂裂缝的力学和工程地质条件,为该区域的压裂改造提供理论指导。     

天然裂缝性储层压裂液滤失研究

裂缝性储层压裂液滤失对裂缝的几何尺寸、支撑剂的分布都有较大的影响。现有裂缝性储层压裂液滤失模型都对天然裂缝进行了简化处理,认为天然裂缝对基质均匀切割,这与实际不符,不能准确反映裂缝分布的非均质性对压裂液滤失的影响。基于储层裂缝统计资料,应用概率统计、随机理论、Monte–Carlo 等方法,建立储层二维离散裂缝网络模型,并借助等效渗透率张量原理将裂缝性介质转化为均质各向异性连续介质,建立了基于渗透率张量的裂缝性储层压裂液滤失数学模型。计算结果表明,天然裂缝分布及其与水力裂缝的位置关系的不同使得沿裂缝长度方向,滤失速度变化较大,若天然裂缝与水力裂缝连通,则压裂液滤失主要发生在连通处,文中模拟了天然裂缝和人工裂缝存在三处连通的情况,这三处的滤失量占裂缝总滤失量的45% 以上,建议对天然裂缝进行封堵。     

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,...     

低渗透双重介质垂直裂缝井产能分析

针对低渗透双重介质地层进行水力压裂后形成的有限导流垂直裂缝,结合沃伦-鲁特模型,利用质量守恒和椭圆流法建立了低渗透双重介质油藏椭圆流数学模型,并应用拉普拉斯变换,求得了低渗透双重介质有限导流垂直裂缝井无因次产量表达式。运用Stefest数值反演,绘制了无因次产量随时间变化的双对数特征曲线图,对影响低渗透双重介质油藏有限导流垂直裂缝井井底压力动态的诸多影响因素进行了分析。分析结果表明,随着生产时间推移,启动压力梯度对产能影响越来越显著。     

大庆油田密井网水平裂缝参数的优选

根据三次加密后油层改造的实际需要，建立了五点和反九点井冈条件下三维两相带有水平裂缝的油藏数值模拟模型，研究了水平裂缝半径和导流能力对油井产量、无水期采收率和最终采收率等指标的影响，优化了水平裂缝参数。研究结果表明，合理的裂缝半径应为井距的２０％，导流能力为２０μm·ｃm。该结果为油井经三次加密后的水力压裂设计提供了理论依据。     

页岩油藏“密切割”体积改造产能影响因素分析

密切割"水平井体积改造是开发页岩油藏的有效手段，裂缝间距和井距是"密切割"水平井体积改造设计的关键环节。基于Comsol建立了离散裂缝网络数值模型，对"密切割"体积改造油藏进行仿真模拟，研究了裂缝间距、井距、裂缝复杂程度对增产效果的影响。结果表明，针对目标油藏，裂缝间距由30 m缩短至10 m，单井累计产量可提高到原来的1.63倍；布置加密井，将井距从400 m缩短至200 m，目标储层年产量可提高51.17%；生产初期，复杂缝单井比简单缝单井90 d累计产量高39.80%。鉴于人工裂缝呈现非均匀充填的特征，采用等效加密方法表征的裂缝无法反映这一特点，研究了远端无支撑裂缝对改造效果的影响，发现远端无支撑裂缝对单井年产量的影响可达4.38%。"密切割"水力压裂矿场试验显示，采用细分切割的方法缩小裂缝间距，能够有效地提高油井产能，单井年产油可提高79.70%。     

裂缝网络模型的建立及其在任丘潜山油藏中的应用

裂缝网络参数是潜山裂缝油藏开发和剩余油挖潜不可缺少的重要参数.针对潜山裂缝油藏依据油田区资料无法建立裂缝网络模型这一特点,提出了通过建立相似露头区裂缝网络模型来实现这一目的的思路和方法,并应用到任丘潜山油藏中.结果与开发动态资料吻合得非常好,说明利用相似露头是建立潜山裂缝油藏裂缝网络模型的有效手段.