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,...     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

煤层水力裂缝扩展判定模型建立及验证

针对煤层压裂裂缝扩展难以表征的问题,根据岩石强度破坏准则,建立了水力裂缝扩展路径判定模型,通过室内试验验证了模型可靠性,结合矿场应用分析了水力裂缝与弱面相交后的扩展行为。研究显示：水平主应力差、弱面方位角、弱面摩擦系数是影响水力裂缝扩展的重要因素,在高主应力比、高方位角、高弱面摩擦系数条件下水力裂缝易直接穿过弱面,在低主应力比、低方位角、低弱面摩擦系数条件下水力裂缝易发生转向,并沿弱面走向扩展。该研究对于认识煤层压裂裂缝形成机理,建立复杂裂缝表征模型,提供压裂设计新理念具有一定的指导意义。     

水力裂缝与天然裂缝相互作用与影响

在非常规油气藏中,复杂裂缝网络的形成在很大程度上受水力裂缝与天然裂缝相互作用的影响。基于断裂力学理论,建立了水力裂缝与天然裂缝相互作用力学模型,分析天然裂缝介质系统中水力裂缝遭遇天然裂缝后的扩展形态。对于水力裂缝穿越天然裂缝的情况,给出了穿越角度;对于未穿越情况,给出天然裂缝张开闭合形态判别方法。通过数值计算研究了水平主应力差、逼近角、界面摩擦系数和裂缝净压力等因素的影响。结果表明,在高水平主应力差、高逼近角和高界面摩擦的条件下,水力裂缝倾向于穿越天然裂缝;在低水平主应力差、低逼近角和低界面摩擦的条件下,水力裂缝则更容易被捕获。同时,在水力裂缝内净压力越高,天然裂缝越容易张开。该模型为分析水力裂缝与天然裂缝相互作用过程以及水力压裂工程设计提供了依据。     

压裂气藏裂缝扩展和裂缝干扰对水平井产能影响

基于非稳态渗流理论,应用椭圆渗流思想,在压裂气藏基质椭圆流和压裂裂缝高速非达西渗流耦合中,引入裂缝干扰,建立压裂水平井产能预测模型.利用数值求解方法分析椭圆长轴、短轴在气藏开采中的扩展规律,揭示了裂缝的扩展特征.算例计算结果表明:裂缝控制的椭圆长轴、短轴随生产时间逐渐扩展,短轴扩展速度要大于长轴,渗流区逐渐由椭圆转化为圆形;相邻裂缝控制的椭圆流在200 d左右开始相交,发生干扰,并且随着时间的增加,相交面积逐渐增加,干扰加剧,考虑裂缝干扰后,产量递减速度变大,此时,与裂缝导流能力相比,裂缝长度对产量影响更为显著.研究成果对气藏压裂水平井的设计提供了科学依据.     

多裂缝储层水力裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统,对多裂缝储层水力裂缝与多裂缝干扰后影响水力裂缝走向的各种因素进行了研究,并分析了压力曲线特征。试验结果表明：水平主应力差和逼近角是决定水力裂缝走向的主要因素,高水平应力差和高逼近角有利于水力裂缝穿过多裂缝,水平主应力差越大,水力裂缝形态越平直;天然裂缝带发育程度和天然裂缝面摩擦系数也是影响裂缝走向的主要因素,天然多裂缝越发育,越易造成压裂液大量滤失进而产生多水力裂缝,摩擦系数越小,水力裂缝越易沿天然裂缝转向;天然多裂缝带的存在,会造成水力裂缝形态的非对称性;水力裂缝的扩展具有非稳态特性。     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

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.     

裂缝性地层水力裂缝非平面延伸模拟

受天然裂缝作用影响,裂缝性地层的水力裂缝可能延伸为多分支、非平面的复杂裂缝体系,这与均质地层压裂产生的对称双翼平面裂缝具有巨大的差异。由于常规水力裂缝延伸模型无法用于模拟裂缝性地层中水力裂缝非平面延伸的裂缝形态和裂缝几何,为此,基于水力裂缝相交天然裂缝转向延伸路径的等效平面裂缝思想,建立了水力裂缝非平面转向延伸的数学模型,并推导了相应的数值求解方法。模拟计算表明,当水力裂缝沿天然裂缝转向延伸时,水力裂缝缝宽在延伸路径上表现为非连续分布,在转向延伸段突变减小,受缝宽减小节流效应影响,井底流体压力升高。影响因素分析表明,水平地应力差和逼近角越大,转向延伸段缝宽越小,对支撑剂输送限制越大;施工排量和压裂液黏度越高,包括转向延伸段在内,整个延伸裂缝段的缝宽越大,支撑剂在裂缝内的运移越容易,压裂施工风险越低。研究为认识裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征提供了思路和方法,为裂缝性地层压裂设计提供了理论依据,具有重要的理论价值和现实意义。     

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。     

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。     

定向射孔水力压裂多裂缝形态实验研究

采用大型(试件尺寸：300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。研究结果表明：定向射孔方位角和水平地应力差对定向射孔水力压裂人工水力裂缝的起裂和形态影响巨大。定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝;在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝。提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,改进压裂增产效果。     

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.     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.     

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。     

页岩压裂剪切裂缝形成条件及其导流能力研究

页岩气藏清水压裂形成的缝网中存在大量非支撑剂充填裂缝,粗糙裂缝面的剪切错位是其主要的导流机理。理论分析了剪切裂缝形成条件及裂缝错位程度,并通过实验研究了缝面错位程度和粗糙度对导流能力的影响。理论分析表明,水力裂缝诱导天然裂缝发生剪切滑移的条件是裂缝内净压力超过地层水平主应力差。高应力差、低杨氏模量和低泊松比地层中的天然裂缝易形成较大的错位程度。在压剪闭合状态下形成最大错位的有利天然裂缝角度是arccotKf/2。实验结果表明,页岩裂缝发生滑移错位,导流能力可提高2个数量级以上;但错位程度的影响存在随机性。粗糙度较大的裂缝更易形成高导流能力,但没有绝对的相关性,粗糙度对剪切裂缝导流能力仅在低闭合应力条件下影响显著。软页岩缝面凸起易破碎,粗糙度相近情况下软页岩错位裂缝的导流能力可比硬页岩的低一个数量级以上。     

裂缝性致密储层待破裂区影响的压裂物模实验研究

在水力压裂过程中,天然裂缝尖端附近会发育许多待破裂区,在宏观裂缝形成前产生微裂隙,最终影响水力裂缝的扩展规模。为有效增加裂缝性致密储层的缝网规模,针对待破裂区开展真三轴水力压裂模拟实验,探究待破裂区域的影响机制。选取致密灰岩露头,精细刻画了裂缝性致密储层露头压前压后裂缝形态,分析了天然裂缝形态、待破裂区域以及泵注参数对裂缝性致密储层改造效果的影响,结果表明:待破裂区,即断裂过程区,主要发育在井筒周围;声发射监测结果显示,在注入压力达到破裂压裂前,岩石内部已经发育大量待破区,决定了裂缝的起裂位置和初始扩展路径,压裂过程中排量的突然提高会使待破裂区迅速沟通形成裂缝,随后逐渐扩展。当水力裂缝延伸到层理面后,随排量阶梯式增加,泵压提高,会使层理面附近发育新的待破裂区,进而影响到水力裂缝的转向、分叉或是否穿透天然裂缝。