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。     

斜井压裂大型真三轴模拟试验研究

通过大型真三轴模拟试验,研究了井斜角,井眼方位角、射孔方式对斜井压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝延伸规律的影响,得到了不同参数条件下裂缝起裂和延伸的直观认识。探索通过定向射孔形成一条平整大裂缝的途径,从而降低水力压裂地层的破裂压力,改善裂缝形态,提高压裂成功率,为优化斜井地层射孔方案及水力压裂设计提供依据。实验结果对于提高斜井水力压裂技术水平,改善压裂增产效果具有重要作用。     

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。     

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。     

水力喷砂射孔孔道裂缝起裂机理研究

与传统射孔工艺相比,水力喷砂射孔方法产生的地层孔具有孔径大、孔道长和孔数少特点。针对射孔孔道影 响压裂裂缝形态问题,开展孔道周围应力分布及起裂机理的研究工作。研究中采用三维有限元数值模拟结合室内实 验验证的方法,分别从布孔方式、射孔方位和水平井筒方位方面,揭示了水平井近井筒区域喷砂射孔孔道产生的3 种 裂缝形态。研究表明,压裂裂缝倾向于从射孔孔道根部位置起裂;水平井筒与最小水平主应力夹角小于30°,两层布孔 可在近井筒区域产生一条横向裂缝,螺旋布孔和对称布孔产生多条横向裂缝;纵向裂缝比横向裂缝更易于产生,形成 纵向裂缝与横向裂缝相结合的扭曲裂缝;水平井筒与最小水平主应力夹角大于80°,产生一条纵向裂缝,与喷砂射孔参 数无关。该研究可为水平井水力喷砂射孔及压裂合理施工提供理论指导。     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

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。     

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。     

大斜度井水压裂缝起裂研究

应用多孔弹性理论，导出了斜井井壁周围的应力表达式，并提出了新的斜井水力压裂裂缝起裂判据。它不但考虑了垂井裂缝井裂缝产生的机理，而且还考虑了水平缝产生的机理，新的斜井水力压裂起裂判据比以往的斜井水力压裂裂判据更具合理性。     

螺旋射孔条件下地层破裂压力的数值模拟研究

水力压裂技术已经在低渗地层的石油天然气开采中得到广泛的应用,螺旋射孔是该技术中的常用措施,在此条件下地层的破裂压力是影响施工成功率和效果的重要因素之一.采用三维有限元方法对螺旋射孔条件下地层的破裂压力进行了研究,建立了套管完井(考虑水泥环及套管的存在)情况下井筒及地层的三维计算模型,首先计算和分析了定向射孔时不同的射孔密度和射孔方向角对地层的破裂压力的影响,与前人的实验结论进行了比较,在此基础上,进行了螺旋射孔条件下不同射孔方位角、相位角以及射孔密度对地层破裂压力的影响的研究,通过数值模拟的结果,给出了螺旋射孔对地层破裂压力的影响规律,可作为进一步研究螺旋射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,同时对压裂设计和实际压裂施工中螺旋射孔参数的选取给出了具体的建议.     

砂泥交互储层定向井压裂裂缝穿层扩展真三轴实验研究

对于低渗透砂泥互层储层,为沟通更多砂岩层并增加泄油面积,通常采用斜井结合水力压裂技术进行开发。与直井和水平井相比,斜井中水力裂缝的起裂、转向形态复杂,而近井区域的裂缝复杂程度决定了压裂效果。针对储层中砂泥互层的情况,利用物理模拟实验,研究了砂泥互层中不同钻完井参数及地应力条件下水力裂缝起裂、转向和垂向扩展形态。研究结果表明:方位角和水平应力差对裂缝扩展能力有很大影响,当方位角较大,水平应力差较小时,近井区域裂缝扭曲程度大,数量多,不利于裂缝垂向扩展和施工后期加砂;泥岩层会阻碍裂缝垂向扩展,砂岩层与泥岩层之间应力差越高,阻碍作用越大,裂缝越不容易从砂岩层进入泥岩层。根据实验所得结论,提出了组合及分层压裂的判断依据。     

水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律研究

水平井压裂可以有效提高低渗透油气藏水平井的采油速度和最终采收率,裂缝起裂和裂缝延伸规律是水平井压裂的关键问题之一.建立了水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,通过分析求解模型可以得出:井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0°时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂;对比分析了现有裂缝延伸模型,得出全三维裂缝延伸模型适合水平井压裂裂缝延伸模拟;分析了产层和盖层的应力差对裂缝缝高的影响,计算结果表明,当隔层与产层的应力差大于5MPa时,裂缝被限制在产层内.     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

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.     

基于孔隙弹性力学理论的致密油气藏储层改造体积预测方法

储层改造体积预测对于致密油气藏体积压裂改造效果评估和施工参数优化设计具有重要意义。基于孔隙弹性力学理论和半解析的三维位移不连续法，综合考虑水力裂缝诱导应力，压裂液滤失引起的地层孔隙压力变化及其诱发的孔隙弹性应力的耦合效应，建立水力裂缝干扰模型下的地应力场预测模型，采用最大张应力强度准则和莫尔-库伦强度准则表征天然裂缝的张开与剪切破裂行为，将天然裂缝张开、剪切破裂波及体视为储层改造体，提出了一种预测致密油气藏直井体积压裂储层改造体积的半解析方法。研究结果表明：水力裂缝诱导应力和压裂液滤失引起的孔隙压力和孔隙弹性应力变化导致水力裂缝附近区域内的原始三向地应力发生改变，变化区域呈现椭球状；岩石本体破裂行为仅发生在水力裂缝边缘处的小范围区域内，天然裂缝的张开、剪切破裂才是形成储层改造体积的关键；实际储层改造体积形状近似于椭球体，现阶段现场常用的长方体等效方法并不合理；实例井研究验证了本方法的准确性与工程应用价值，可为致密油气藏体积压裂施工参数优化设计和压后产量预测提供有利的参考。     

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.     

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倍于井筒直径的范围内。     

低渗油藏径向水力射流压裂裂缝延伸规律

基于扩展有限元法基本理论,建立水力径向射流压裂裂缝延伸三维有限元模型,结合岩石的抗拉破坏准则,研究径向钻孔参数包括钻孔孔径、钻孔方位角及钻孔深度对地层破裂压力的影响。结果表明:随着孔眼直径的增加,起裂压力呈明显的线性降低趋势;地层破裂压力随着射孔方位角的增加而增大,40°为获得地层低破裂压力所允许的临界射孔方位角,优化钻孔与最大水平地应力的最佳夹角不超过40°;不同射孔角度下压裂裂缝扩展规律亦不同。