页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力研究现状与展望

水平井分段压裂形成复杂体积缝网是页岩气有效开采的关键技术之一,复杂体积缝网依靠支撑剂支撑并成为页岩气渗流的重要通道。支撑裂缝长期导流能力是影响页岩气压后产能的重要因素,而关于页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力的研究尚未形成统一认识。通过分析国内外最新研究动态,阐述了支撑剂支撑裂缝长期导流能力研究的重要性;分析了目前国内外关于支撑剂长期导流能力的实验测试与理论预测方面的研究成果;剖析了非达西渗流效应、多相渗流效应、地层水性质等特殊因素对长期导流能力的影响程度;提出了页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力研究方向的着重点。     

页岩气井体积压裂自支撑裂缝对开发效果的影响

为明确页岩气井体积压裂后不同类型水力裂缝对于开发效果的影响,将复杂缝网划分为有效支撑裂缝和自支撑裂缝开展研究,通过实验评价了受压条件下自支撑裂缝导流能力变化规律,根据页岩压裂微地震解释数据还原了裂缝形态并建立了分区渗流模型,在产量拟合基础上进一步分析了自支撑裂缝等效导流能力及其对开发效果的作用。结果表明:受压条件下自支撑裂缝仍存在一定的导流能力,能够为气体流动提供有效通道。基于24口页岩气压裂水平井产量拟合结果,得到压裂形成的有效支撑裂缝区等效导流能力为3～7μm~2·cm,自支撑裂缝区等效导流能力为0.8～1.2μm~2·cm,且两者存在一定程度的正相关性。页岩气井体积压裂形成的大量自支撑裂缝对于压后效果有积极贡献。     

大庆火山岩孔隙结构及气水渗流特征

利用CT成像、恒速压汞、核磁共振、铸体薄片等实验技术,对大庆火山岩岩石的孔隙结构和气水渗流特征进行了分类研究。研究表明：大庆火山岩孔隙结构复杂,喉道细小,孔隙易被喉道控制,喉道大小决定储层的渗透性,储集空间可以分为孔隙型、裂缝型、致密型三种类型,不同孔隙类型岩样的储集空间、气水渗流特征明显。大庆火山岩残余水饱和度较高,气水渗流显著特征是裂缝型岩样两相渗流区间小,但在高含水饱和度下,气相仍具备一定的渗流能力,表明裂缝具有较好的导流能力,孔隙型岩样两相渗流区间较大,在残余水饱和度下,气相相对渗透率较高,储渗物性较好;随含水饱和度的增加,两种类型的岩样气相相对渗透率下降均比较快。     

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。     

非均布导流下页岩气藏压裂水平井产量模拟

现有的页岩气压裂井产能预测模型假设导流能力在缝长方向均匀分布,导致预测结果存在较大偏差。为提高压裂气井的产量预测精度,基于源汇思想和势的叠加原理,考虑压裂裂缝缝内导流能力的非均匀分布特征,建立了气井水力压裂后的非稳态产量预测模型,并通过数值方法对压裂水平井的产量进行了模拟。研究表明,与常规导流均匀分布的模型相比,缝内导流的非均匀分布对产量产生较大影响;在无因次导流能力较小时,强化近井地带裂缝导流能力的凹型分布等布局方式,有利于提高压后产量;随着无因次导流能力的增加,产量增幅逐渐降低;由于气层的供给能力有限,在无因次导流能力较高时,导流能力出现“过剩”,不同的导流能力分布方式下的产量接近。     

压敏性特低渗透油藏压裂水平井产能计算

基于考虑启动压力梯度和压敏效应综合影响的广义达西定律,以椭圆渗流理论和平均质量守恒定律为基础,通过当量井径原理,推导压裂水平井产能计算公式。分析启动压力梯度、压敏效应、压裂缝条数、裂缝长度、裂缝导流能力、均一性和变形系数对压裂水平井产能的影响。结果表明:启动压力梯度越大,对产量的影响越大,当油藏渗透率很低时,应该考虑启动压力梯度的影响;变形系数越大,对产量的影响越明显,并且变形系数对产量的影响与生产压差有关;在算例条件下,最佳压裂缝条数为3～4,压裂缝长度以200～280 m为宜,压裂缝导流能力为5～50μm2.cm,即长裂缝、低导流、压裂缝非均匀分布、非等长裂缝有利于均匀采油。     

低渗透油气藏水平井压裂优化设计

介绍了水平井压裂裂缝的形态、压裂水平井的渗流特征、压后产能预测;探讨了裂缝条数、裂缝长度和裂缝导流能力的优化以及不同的裂缝布局和不同位置的裂缝对压后产量的影响.通过X井水加喷砂压裂位置测井数据进行压裂裂缝模拟,优化设计与现场施工的加砂量和排量比较一致.     

一种新的多因素压裂水平井产能评价方法

水平井压裂是致密砂岩气井重要的开发手段,且裂缝之间存在干扰,渗流规律复杂,因此准确的产能预测尤为重要。本文研究在充分考虑气-水两相流在地层和裂缝中不同渗流规律及裂缝间相互干扰,并同时考虑在滑脱效应、启动压力梯度、应力敏感和高速非达西等因素条件下,建立了强适用性的压裂水平井气-水同产产能预测模型。此外,还对气-水两相流中地层应力敏感、气体滑脱因子、启动压力梯度、裂缝各项参数及水气比等因素进行了分析,结果表明：水气比、裂缝导流能力和裂缝半长与产能呈正相关;裂缝应力敏感与产能呈负相关;地层压力敏感、气体滑脱效应和启动压力梯度对产能影响相对较小。研究结果为致密砂岩压裂水平井产能评价提供了理论依据。     

页岩气水两相物质平衡方程及其生产预测

为了得到一种便于矿场应用的页岩生产动态预测分析方法,通过积分水相和气相连续性方程,得到平均含水饱和度方程和气水两相物质平衡方程,结合有限差分法,给出了计算步骤,依次分析了无量纲导流能力、裂缝半长、Langmuir体积和Langmuir常数对垂直裂缝井日产气量的影响,与数值模拟结果对比,验证了该方法的正确性.研究结果表明,无量纲导流能力和裂缝半长只影响产量最大值,而Langmuir体积和Langmuir常数对产量最大值和递减开始时间都有影响.研究结果提供了建立页岩气物质平衡方程的新思路,为页岩气藏生产潜力和压裂施工方案的评价奠定了基础.     

川南深层页岩气藏支撑与自支撑裂缝导流能力对比

为研究页岩储层压裂后所形成裂缝的导流能力变化规律,对两种类型(剪切自支撑型、单层支撑型)页岩压裂裂缝导流能力进行测试,并对比分析了二者差异,结果表明:①研究区储层裂缝滑移量在4 mm以内,随着滑移量的增大,自支撑裂缝的导流能力逐渐增大;②自支撑裂缝与单层支撑裂缝导流能力数值上在同一个数量级,高闭合应力下,自支撑裂缝仍可为产能做出一定贡献;③剪切自支撑、单层支撑型裂缝导流能力和压力的关系均与Walsh理论存在着一定的偏差,该偏差反映了自支撑点破碎、支撑剂嵌入和破碎等的影响,且剪切自支撑的变化相对较小。研究结果对于页岩气压裂工艺优选、参数优化以及页岩气产能的预测方面具有一定理论指导意义。     

压裂液侵入对页岩储层导流能力伤害

大规模水力分段压裂是页岩气等非常规资源高效开发的关键技术。页岩气井返排率一般较低,大量的压裂液长期滞留地层对储层岩石、支撑剂强度等造成一定的伤害,影响页岩储层压裂改造长期效果。针对该问题,通过室内试验模拟研究现场压裂前后气测导流的变化规律,对压裂液伤害程度进行表征。结果表明:压裂液侵入降低了支撑剂、页岩岩石强度,导致支撑剂破碎率、岩石嵌入程度加剧,导流能力伤害达到60%以上;使用大粒径支撑剂、较高铺砂浓度,优选破胶性能好、低残渣、防膨性强的压裂液,能有效提高导流能力,降低压裂液伤害程度。研究结果对页岩地层压裂设计,降低压裂液伤害提高产量提供参考。     

页岩支撑裂缝中渗透率变化规律实验研究

在页岩气藏的压裂开发中,支撑裂缝的渗透率是影响裂缝导流能力和压裂增产效果的重要因素。通过实验
手段,研究了吸附气体的溶胀作用和支撑剂的嵌入作用对Greenriver 页岩支撑裂缝渗透率的影响。采用Pulse test 实
验方法,测量并对比了非吸附气体和吸附气体的渗透率。以He 为代表性的非吸附性气体,实验测得其在花岗岩和页
岩中的渗透率曲线为线性,渗透率随着有效应力的减小而增加,且支撑剂的嵌入作用使页岩中的渗透率明显降低;以
CO2 为代表性的吸附性气体,实验测得其在页岩中的渗透率曲线呈典型的“U”型,这是由于CO2 溶胀作用和有效应力
共同作用的结果,从而说明在页岩支撑裂缝中,溶胀作用同样对渗透率有显著影响;与He 在页岩中的渗透率相比,相
同压力下的CO2 渗透率更低,且在Langmuir 压力值附近达到最小值。     

页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟技术

页岩气藏天然裂缝分布复杂,地层非均质性强,水平井压裂技术是开发的必要手段,建立页岩气藏压裂缝网扩展与流动一体化模拟方法对于制定生产方案及评价压裂措施具有重要的现实意义。采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态,在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）来定量表征页岩气藏有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制,从而实现页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟。基于该方法建立了200 m×200 m的地质模型进行缝网形态模拟以及流动表征,通过缝网扩展模拟方法得到裂缝网络分布规律,在此基础上基于嵌入式离散裂缝模型进行流动模拟,得到模型生产200 d后的含气饱和度分布以及产气量分布曲线。同时,基于本文模型分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液黏度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明,压裂液注入压力越高分形概率指数越小、压裂液黏度越小裂缝扩展范围越大、含气饱和度下降范围越大单井产量越高,裂缝模拟精度会显著影响产量误差。基于该页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模型可以大规模模拟页岩气藏缝网形态以及多重介质复杂流动,为评价页岩气藏压裂施工好坏以及产量预测提供了有效的帮助。     

页岩储层粘土矿物对裂缝导流能力伤害的影响

摘 要 页岩气的有效开发依赖于人工裂缝的产生,而要持续高效的进行页岩气开发,需要采用支撑剂保持人工裂缝的导流效果。目前,对于页岩储层支撑裂缝导流能力伤害的微观机理尚不清楚。本文以中国南方海相页岩为研究对象,开展岩板导流能力伤害实验,并与致密砂岩和常规砂岩进行对比,分析压裂液注入过程中导流能力变化规律。结果显示随着压裂液的持续注入,大量的支撑剂逐渐嵌入裂缝内,引起导流能力下降。初期导流能力下降较快,后期降速逐渐减缓。海相页岩支撑裂缝的导流能力伤害程度大幅度高于常规储层。常规储层支撑裂缝导流能力伤害率约为18%,而海相页岩的支撑裂缝导流能力伤害率约为47%~85%。导流能力伤害率与粘土矿物含量和类型关系密切。随着粘土矿物含量的提高,导流能力伤害率迅速升高,尤其是伊利石和伊蒙混层存在可以明显提高导流能力伤害率。粘土矿物具有极强的吸水膨胀能力,易引起支撑裂缝表面硬度软化、蠕变强化,导致支撑剂嵌入和导流能力下降。本文通过页岩导流能力实验,分析了压裂液注入过程中导流能力变化规律及粘土矿物含量对导流能力伤害率的影响,为优化压裂液配方、改进页岩气井排采制度和提高页岩气的产出具有重要意义。     

致密气藏多尺度支撑机理研究与应用

致密砂岩气作为重要的非常规天然气资源,需经过压裂改造才能实现有效开发。选取四川盆地致密砂岩露头岩芯,雕刻制作粗糙裂缝面岩板开展多尺度裂缝导流能力和支撑剂回流实验,分析导流能力及支撑剂回流的影响规律。研究表明,为了获得较高且稳定的导流能力,近井主裂缝需要有足够的支撑剂以提供更大的剩余缝宽,远井剪切裂缝只加入少量小粒径支撑剂也能有效改善高闭合应力条件下的导流能力;对于支撑剂充填的主裂缝,裂缝导流能力随着闭合应力和支撑剂浓度的变化存在临界闭合应力及临界支撑剂浓度。在支撑剂充填层中加入纤维,临界出砂流速呈数量级增长,可以有效预防压后裂缝的支撑剂回流。致密气藏多尺度支撑理念在四川盆地川西拗陷致密气储层开展的压裂工程实践取得了显著的增产效果,为中国致密气藏经济高效开发提供了有效支撑和借鉴。     

盐间非砂岩地层支撑裂缝长期导流能力实验研究

盐间非砂岩地层是强度较低、塑性变形量大、流变性强的储层,如果支撑剂选择不当,支撑剂嵌入将很严重,支撑裂缝的长期导流能力将损失巨大.运用FCES-100裂缝导流仪,模拟盐间非砂岩地层的温度与闭合应力条件,采用3种支撑剂、2种铺砂浓度,进行了盐间非砂岩地层岩石的支撑裂缝长期导流能力实验.发现:盐间非砂岩地层的支撑剂嵌入问题较严重,有必要使用高铺砂浓度、优质以及大粒径的支撑剂,以获得更高的支撑裂缝长期导流能力.根据实验结果回归出了在70℃、20MPa闭合压力情况下,支撑裂缝导流能力随时间变化的关系式,可以用其来预测盐间非砂岩地层中支撑裂缝导流能力的衰减趋势,对现场压裂有一定指导意义.     

基于最优支撑剂指数法优化低渗气藏裂缝参数

现行裂缝参数设计方法没有考虑以压后有效渗透率为设计参数,也没有考虑经济允许的最佳压裂规模,因此不能确保压裂效果的长效性与经济性。基于支撑剂指数法,以经济最大化为目标,考虑非达西流动效应与压裂液伤害对裂缝渗透率的影响,结合经济因素、油藏规模、压裂规模间相互关系得到最优支撑剂指数函数,压裂已知规模气藏时,通过该关系函数可确定唯一的最优支撑剂指数及最优缝长,通过迭代求解可得到非达西流动条件下最优裂缝参数。计算结果表明,非达西流动效应越严重,最优支撑剂指数越小,最优缝长越小,最优缝宽越大,降低裂缝内非达西流动效应的影响需要设计低穿透比和高导流能力的裂缝。     

页岩气藏压裂井产能评价及分析

页岩气储存在自生自储的纳米级孔隙中，压裂成为页岩气开发的重要技术。在考虑了多尺度非达西渗流机理的基础上，建立了多种流态多尺度渗流模型，求出考虑有限裂缝流动的页岩气藏压裂井稳态产能方程，在该模型中充分考虑了孔隙尺寸对Knudsen扩散系数的影响，并探索了滑脱现象、Knudsen扩散系数D_K、渗透率K、裂缝半长L_f、裂缝穿透比L_f/R_e与裂缝流动能力K_f·W_f对压裂井产能的影响规律。研究结果表明，渗透率修正因子ξ对产能的影响较大，以多尺度渗流模型确定的页岩气压裂井产能与实际生产数据非常稳合。当井底流压<15 MPa时，滑脱效应对压裂井产能的影响开始增强，并且随着滑脱因子增加，压裂井的产能随之增加；岩芯渗透率越低，Knudsen扩散系数D_K和滑脱效应对产能影响越大。