油气层爆燃压裂裂缝动态延伸模型

基于油气层爆燃压裂造缝加载模型,建立地层破裂和止裂压力、爆燃气体渗滤、裂缝延伸长度和宽度以及爆燃气体的质量守恒与能量守恒计算模型,并耦合求解,分析爆燃压裂过程中井筒压力、裂缝几何形态变化。结果表明:火药爆燃后,井筒中的压力、温度迅速上升,达到地层破裂压力时起裂,裂缝开始延伸;在火药爆燃、气体渗滤作用下,爆燃气体的压力先增加后减小,最后降至地层初始压力;在爆燃加载条件相同的情况下,随裂缝条数的增加峰值压力和裂缝长度均减小;裂缝延伸过程中裂缝宽度先增大后减小,裂缝条数越少,裂缝宽度最大值和最终值越大。     

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。     

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。     

爆炸载荷对水泥试样损伤破坏规律研究

从实验和数值模拟两方面对爆炸载荷对水泥试样的损伤破坏进行了研究。首先，在水中利用爆炸产生的爆炸冲击波对水泥试样进行损伤破坏，模拟“层内爆炸”采油技术中激波使岩石损伤开裂的现象；然后，利用波动力学理论，对激波在实验条件下对水泥试样的损伤破坏进行了数值模拟。结果表明，在冲击载荷作用下，水泥试样的损伤破坏可分为压实破坏、压实损伤、拉伸损伤、拉伸破坏4个区域，在压实损伤区水泥试样也具有较好的渗透性。数值模拟可以用来确定各种裂纹形成的应力条件，并可通过预制剖面上的裂纹分布来预测水泥试样内部裂纹分布的基本规律。     

含砾砂岩储层重复压裂新方法及机理分析

重复压裂技术广泛应用于老油田开发过程,尤其适用于致密砂岩、页岩等典型储层,而含砾砂岩储层中重复压裂方法的有效性还有待研究。针对重复压裂含砾砂岩储层产生复杂裂缝网络的压裂方法问题,基于动态载荷促进裂缝分叉、易渗透压裂液明显降低岩石有效应力的作用机理,本文提出“变排量、分阶段多压裂液组合”的重复压裂方法。为验证该方法的合理性,本文以人工预制的含砾砂岩试件为实验对象,通过变排量、分阶段注入不同性质压裂液进行了室内真三轴压裂模拟实验,总结了压裂机理。研究表明：变排量压裂方式产生的裂缝条数至少是定排量压裂方式产生裂缝条数的3倍;分阶段多压裂液组合压裂方法产生水力裂缝的条数是单一类型压裂液压裂产生裂缝条数的3倍。变排量、分阶段多压裂液组合的压裂方法将对含砾砂岩储层进行重复压裂产生复杂裂缝具有一定的借鉴意义。     

定面射孔对压裂初始裂缝形态的影响研究

定面射孔是致密油水力压裂改造的一种新型完井措施。利用大尺寸真三轴水力压裂实验系统开展了300 mm×300mm×300 mm立方体试样定面射孔压裂物模试验,结合有限元三维应力分析,研究了定面射孔相位角对水力压裂初始裂缝形态的影响机制。研究结果表明:定面射孔各射孔道之间的应力干扰改变了近井筒应力分布格局,导致沿定面射孔方向水力裂缝呈倾斜状及迂曲状扩展,背离射孔方向裂缝形态为近垂直状形态。随射孔相位角减小,孔道间应力干扰增大、裂缝起裂压力提高,各射孔均产生破裂进而形成横向倾斜压裂平面。利用定面射孔技术可控制压裂初始裂缝呈非对称、非规则扩展形态,增加近井筒水力裂缝的复杂性。     

煤层气井真三轴压裂实验

 为进一步认识煤层气井压裂裂缝起裂和扩展机制,利用真三轴大尺寸水力压裂实验系统,采用取自矿区原煤煤块制作的试样,通过真三轴压裂实验,研究了不同围压组合条件下煤层压裂裂缝的起裂和扩展特征.研究表明:地应力状态和煤层中发育的天然裂隙对压裂裂缝的起裂和扩展有着直接影响.小规模天然裂隙的存在使得裂缝扩展压力出现频繁小幅波动,压裂裂缝在扩展过程中多见路径转向,压裂过程中煤层天然裂隙的大量开启造成压裂液大量滤失直接损耗压裂时的水力载荷,不利于压裂形成高导流能力的水力裂缝.当三向主应力差较小时,煤层压裂产生的裂缝宏观形态更为复杂,可能会同时产生垂直缝和水平缝.     

爆炸载荷对水泥试样损伤破坏规律研究

从实验和数值模拟两方面对爆炸载荷对水泥试样的损伤破坏进行了研究.首先,在水中利用爆炸产生的爆炸冲击波对水泥试样进行损伤破坏,模拟"层内爆炸"采油技术中激波使岩石损伤开裂的现象;然后,利用波动力学理论,对激波在实验条件下对水泥试样的损伤破坏进行了数值模拟.结果表明,在冲击载荷作用下,水泥试样的损伤破坏可分为压实破坏、压实损伤、拉伸损伤、拉伸破坏4个区域,在压实损伤区水泥试样也具有较好的渗透性.数值模拟可以用来确定各种裂纹形成的应力条件,并可通过预制剖面上的裂纹分布来预测水泥试样内部裂纹分布的基本规律.     

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。     

缝面位移控制压裂裂缝同步扩展数值模拟

分段多簇压裂是非常规油气藏有效动用的重要工艺,压裂裂缝的复杂程度是提高单井产量和控制储量的基础,储层裂缝的扩展形态受地层物性,压裂工艺参数影响较为复杂。因此,为探索压裂裂缝同步扩展的形态特征及影响因素,建立了分段压裂缝面位移参数控制裂缝扩展数学模型,通过典型井取心岩心力学实验和数值模拟,结果表明：分段压裂簇裂缝的同步扩展形态与井斜角密切相关。井斜角在90°减小至0°时,裂缝扩展形态特征由双翼对称向双翼非对称转变,90°时簇裂缝向外侧发生偏转,且在裂缝尖端和应力阴影区,最大、最小主应力方向均发生转向,更利于复杂缝网的形成;小于90°时,裂缝向内侧发生偏转。分段压裂簇间的应力干扰作用强度与压裂排量值正相关、与簇间距离值负相关。压裂排量大小对提高裂缝的缝长和缝宽的扩展距离作用明显,能有效提高单井控制储量范围,但缝宽的扩展存在上限;簇间距10 m时,每孔排量不低于0.12 m³/min才能有效形成簇间应力干扰;排量0.18 m³/min,簇间距离小于20 m时,裂缝间的应力干扰显著,最大与最小主应力方向均发生转向,更好形成复杂缝网,簇间距离大于20 ...     

碳酸盐岩构造裂缝特征与形成期次分析： 以阿姆河盆地右岸东部为例

碳酸盐岩裂缝对石油和天然气勘探开发具有重要意义,但碳酸盐岩构造裂缝特征描述、形成和影响因素一直是油气储层研究的重点。本文在岩心资料的基础上,综合利用测井解释和分析测试等资料,对阿姆河盆地右岸东部地区侏罗系卡洛夫-牛津阶碳酸盐岩储层内构造裂缝特征进行研究,划分构造裂缝类型及发育期次,明确影响构造裂缝发育的影响因素,分析多期次裂缝对天然气聚集的影响。结果表明：（1）构造裂缝是阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶储层中发育的主要裂缝类型,按照产状分为水平缝、低角度缝、高角度缝和垂直缝;卡洛夫-牛津阶储层构造裂缝总体上走向以NW-SE向为主,但不同裂缝的走向差异性较大,反映了裂缝具有多期发育的特点,不同类型的构造裂缝在产状、密度和规模存在差异,中下侏罗统的XVa1层中最发育,平均裂缝密度为1.48 条/m;构造裂缝的规模普遍较大,在上侏罗统的XVhp层裂缝宽度和裂缝高度最大,平均裂缝宽度约0.08 mm、平均裂缝高度67.1 cm,构造裂缝的倾角多介于40-70°之间;（2）阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶储层构造裂缝的发育程度存在较大的差异,这是由于裂缝的发育不仅受到岩性的控制,还受到多期构造运动的影响,亮晶砂屑灰岩和生物礁灰岩为构造裂缝发育的优势岩性;新近纪的挤压作用强烈,在侏罗系卡洛夫-牛津阶岩心中形成相互交错的网状裂缝,为裂缝期次划分提供有利证据;（3）阿姆河盆地右岸东部侏罗系卡洛夫-牛津阶中构造裂缝形成于燕山晚期到喜山中期,其中晚期裂缝的形成不仅改善了储层物性,也促进天然气聚集和成藏。     

高速铁路基床掺胶粉水泥稳定碎石动力学特性分析

为明确掺胶粉水泥稳定碎石在高铁列车循环荷载作用下的力学变形特征和能量损耗规律,将胶粉以等体积方式部分替换掉原集料中1.7 mm以下的细颗粒,形成胶粉改性水泥稳定碎石材料。通过对300×300 mm圆柱形试样进行105次的循环加载试验,在5 Hz加载频率下研究了不同动应力幅值、胶粉掺量对试样动力学变形及能量耗散的影响规律,给出了基于实际服役水平状态下胶粉改性水泥稳定碎石的累积塑性变形计算模型和阻尼比的演化规律。试验结果表明：1）从变形角度,C5P0.1R30材料的累积塑性变形最小,表现出较好的抗动力学变形特征;2）橡胶粉的掺入增加了水泥稳定碎石材料的韧性,降低了应力幅值增加对累积塑性变形增加的敏感性;3）结合累积塑性变形计算模型,并从参数分析的角度看,C5P0.1R30可作为基床表层结构推荐材料;4）从阻尼比角度看,胶粉替换水平为30%时,阻尼比数值较大,路基结构受高铁列车动荷载激振后,能量衰减较快,具备一定的减振降噪潜力。因此,基于对胶粉改性水泥稳定碎石动力学特性分析,推荐1.7 mm以下胶粉等体积替换水平为30%,这对于改善高铁路基基床表层材料刚度,构建减震降噪型路基结构具有重要意义。     

考虑孔洞沟通性的碳酸盐岩储层应力敏感性实验

油气井钻井过程中井筒液柱压力变化,作为主要漏失通道的裂缝发生应力敏感性,裂缝张开而使工作液固相颗粒粒径与裂缝宽度不匹配,导致井漏发生并恶化。孔洞存在及沟通性质影响裂缝的应力敏感程度,选用致密碳酸盐岩露头岩样,制取不同洞径、不同沟通情况的单一孔洞、双孔洞（不沟通）和双孔洞（沟通）6类裂缝岩样开展应力敏感性实验。实验结果表明,单孔洞（5 mm）、单孔洞（10 mm）、双孔洞（5 mm,不沟通）、双孔洞（5 mm,沟通）、双孔洞（10 mm,不沟通）、双孔洞（10 mm,沟通）6种缝洞类型岩样的平均应力敏感系数     

水平井分段多簇压裂缝间干扰研究

水平井分段多簇压裂在现场得到了广泛运用,其压裂过程中普遍存在缝间干扰现象。缝间干扰有助于形成复 杂裂缝网络以提高储层导流能力,但是也会导致起裂困难,甚至形成砂堵。因此有必要对分段多簇压裂的缝间干扰问 题进行研究。对此,基于弹性力学建立了分析多簇裂缝诱导应力的数学模型,从起裂压力、裂缝宽度、簇间距等多方面 研究了缝间干扰对水平井分段多簇压裂施工的影响。模拟结果显示,诱导应力会导致起裂压力升高、裂缝变窄,严重 时将造成压裂施工失败。通过进行分析,给出了起裂过程及延伸过程中缝间干扰的影响关系。分析认为,利用缝间干 扰提高改造体积时应当控制簇间距防止对压裂施工造成负面影响。研究结论对优化水平井分段多簇压裂设计具有指 导意义。     

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。     

再生细骨料中粉料对再生砂浆抗压强度的影响

从2种再生细骨料中筛选出粒径小于0.075mm的粉料作为掺合料,研究其对再生砂浆力学性能的影响.试验结果表明,当稠度保持在70~90mm,再生粉料替代部分水泥或粉煤灰时,再生砂浆的抗压强度基本大于基准再生砂浆;当再生粉料以11%和20%的掺量分别取代水泥和粉煤灰时,再生砂浆的抗压强度最大;采用再生粉料替代粉煤灰的再生砂浆的抗压强度略大于采用再生砂浆替代水泥的再生砂浆,再生粉料与再生细骨料交叉组合得到的再生砂浆的抗压强度增加最为明显.因此,再生粉料可改善再生砂浆中微细颗粒的级配,与水泥、粉煤灰及再生细骨料形成良好级配,从而提高了再生砂浆的抗压强度,发挥填充效应.     

油基钻井液环境下电成像仪器对裂缝响应的数值模拟

基于电磁场理论及三维有限元素法,提出一种用于模拟电成像仪器对裂缝响应的算法。该算法适用于电成像仪器在油基钻井液环境下对裂缝(包括水平裂缝、倾斜裂缝和交叉裂缝)响应的数值模拟。当裂缝张开度大于1 mm时,随着裂缝张开度的减小,裂缝处响应值也相应减小,算法对裂缝有较好的分辨效果;算法对裂缝的识别能力受背景地层与裂缝流体电阻率对比度的影响;仿真结果可以清晰地反映裂缝所处地层位置及方位角,对于倾斜裂缝,通过后续处理还可进一步获取裂缝倾角。     

裂缝型储层酸压暂堵材料实验研究

在裂缝型碳酸盐岩储层酸压中酸液滤失严重,导致酸蚀缝长较短,不能沟通远端储集体,以致达不到压后配产要求。控制酸液滤失是裂缝型储层酸压成功的一个关键因素,于是提出了在前置液、酸液中加入暂堵剂来实现暂堵降滤的方法。分别对100目粒径粉陶、粉砂、可降解纤维3种常用暂堵剂进行了室内实验评价,降滤失效果都较好。实验结果如下:加入粉陶后,岩心两端的压差能保持3~4 MPa压差约40 min,降滤失效果随着粉陶用量的增加而增加;覆膜粉砂能够维持在10 MPa差压以上约60 min,但是粉砂在高压下会封堵天然裂缝,对生产不利;10 mm纤维能保持2~4 MPa压差约40 min,驱替压差与粉陶较近,2 mm纤维能保持15 MPa压差约40 min,效果仅次于粉砂,纤维现场操作性较差。还对实验条件下的粉陶用量、纤维用量进行了优化,研究结果为裂缝型碳酸盐岩酸压中暂堵剂的选取提供理论依据,具有重要的现实意义。     

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。