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。     

压裂裂缝网络不稳态流动半解析模型

与压裂单条缝及多条缝的流动模式不同,包含相互交错裂缝的压裂裂缝网络流动会在裂缝交汇处产生流向重定向和流量重分配的过程。通过引入星三角变换法,并结合有限差分方法对这一特殊流动过程进行描述,推导裂缝网络内部流动数值解。基于Laplace空间源函数及叠加原理建立油藏流动解析解。耦合该两部分流动,给出一个压裂裂缝网络不稳态流动半解析模型,并利用现场实例验证模型的实用性。结果表明:该模型可以处理裂缝空间位置和导流能力任意分布的裂缝网络,能够预测生产井的压力、产量动态及不同生产阶段的油藏压力分布;在上下封闭无界储层中,压裂缝网存在裂缝内部线性流、裂缝与地层双线性流、地层线性流、过渡流以及拟径向流;受井筒存储效应的影响,观测不到裂缝内部线性流;渗透率为1×10-7μm2级别的储层在生产早、中期流体流动主要集中在密度大及导流能力高的裂缝附近,但最终(生产30~50 a)的泄流区域都局限在压裂改造范围内,改造区外的储层流体很少流动。     

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。     

低渗透油藏长压裂缝井网注水开发渗流特征研究

综合运用渗流力学、油藏工程及数值模拟的方法对长缝压裂注水开发的渗流问题进行研究,建立了长缝压裂复合流动渗流模型,并运用数值方法进行求解,得到了不同井网形式下的渗流规律及试井曲线。研究结果表明:相同穿透比下交错井网压力波及面积大于正对井网;正对井网和交错井网2种井网形式下,井底流体流动形态主要分为井筒存储、早期线性流、径向流、地层双线性流动、边界影响等5个阶段;与正对井网相比,油井穿透比对交错井网线性流持续时间影响较大。研究成果对低渗油藏长缝压裂注水开发技术应用具有理论指导作用。     

基于地应力场的复压造新缝力学条件

重复压裂裂缝的延伸轨迹主要受地层应力场的控制,对于重复压裂地层当前应力场是决定裂缝起裂和延伸的关键条件.本文建立了原始地应力场、初次裂缝诱导应力场、孔隙压力诱导应力场模型,并运用叠加原理,建立重复压裂应力场,给出了裂缝转向的力学条件,通过对实际井的计算得出裂缝的周围应力场分布和裂缝的延伸轨迹.     

基于砂泵压力控制的重复压裂缝宽计算

重复压裂过程中混砂车砂泵的排出压力控制裂缝宽度.重复压裂过程新裂缝周围应力控制复杂,重复压裂的缝宽计算结果与初次压裂的相比存在差别.本文建立了基于复杂压力控制的重复压裂裂缝宽度的计算模型,计算结果与实际结果误差小于7%.     

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.     

基于EDFM的致密油藏分段压裂水平井数值模拟

为了解决致密油藏分段压裂水平井由于裂缝模型建立难度大导致的产量评价困难的问题,通过引入嵌入式离散裂缝模型（Embedded Discrete Fracture Model,EDFM）,采用矩形网格,建立了考虑重力和应力敏感效应的三维致密油藏分段压裂水平井模型。首先,用Saphir对该模型的准确性进行了检验;然后,利用该模型进行了三维致密油藏、天然裂缝性致密油藏以及裂缝分布形态影响的数值模拟研究。结果表明,嵌入式离散裂缝模型能较好反映流体在天然裂缝和压裂缝网内的流动特征;压裂施工位置应选择天然裂缝发育的区域;分段压裂水平井的裂缝分布形态对产能影响显著,缝网与基质接触面积越大,油井产能越大,因此,最优化的裂缝分布可作为体积压裂施工目标。     

裂缝性地层中水平井压裂裂缝起裂新模型

对裂缝性地层中的水平井进行水力压裂时,井筒附近的天然裂缝会对压裂产生影响。现有压裂裂缝起裂压力计算模型所考虑的影响因素各有侧重,且尚未考虑井筒附近天然裂缝产生的诱导应力场对起裂压力造成的影响。本文基于弹性力学及岩石力学理论,综合考虑了井筒周围天然裂缝的诱导应力、压裂液渗滤效应、岩石温度变化、封隔器影响等因素,建立了一个适用于裂缝性地层中的水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,且计算简便便于推广。本文根据实例计算分析了天然裂缝影响起裂压力的各个因素,并进行了对比。计算结果表明,一定条件下井筒周围天然裂缝对起裂压力影响明显,采用以前的起裂压力计算模型误差较大。     

西区油田志丹区块二次压裂工艺技术研究

西区油田属于特低渗透、低压、低产油藏,压裂改造技术是低渗油田开发的关键技术。综合国内外二次压裂方面理论分析、油田实践、室内实验等方面的调研研究意以及前期二次压裂资料分析,认为储层厚度大于8 m、初期产能低于3.5~4 t/d、目前单井产能低于0.8~1.0 t/d、长期注水不受效的低产井适合转向压裂,而单井产能低的其它类型井可采取简单的重复压裂或者多级充填压裂。针对井网,优化出了不同井网位置处油井的二次压裂的裂缝缝长、加砂规模、砂比、排量等参数。2口改进工艺试验井取得了理想的效果。     

致密储层低产井重复压裂技术研究

重复压裂技术是目前致密油藏低产井提高单井产量的主要措施之一。为了提高重复压裂的增产效果,有必要对重复压裂射孔方式及裂缝参数进行优化。文中以新疆昌吉致密油田为例,建立了重复压裂产能预测模型,利用数值模拟方法,研究了低产井在不同射孔方式、裂缝半长及导流能力条件下的产能指标。结果表明,相比于旧射孔压裂方式,在新射孔处压裂的增油效果更加显著,且二次压裂的新射孔段越多,增产效果越好;裂缝半长对新疆致密油重复压裂效果影响仅次于压裂级数,随着裂缝半长的增加,日产油量与累产油量均随之升高;而由于致密储层渗透率过低,裂缝的导流能力的变化对致密油藏的生产动态的影响相对有限。     

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。     

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验，得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明，玄武岩中天然裂缝发育程度较低，抗拉强度较高，裂缝起裂会导致明显的压降，压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育，裂缝起裂不会导致明显的压降，高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝，裂缝扩展摩阻很大，裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低，部分发育有天然裂缝，破裂压力较低，裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。     

裂隙性储层压裂缝延伸机理及防治水意义

针对由水力裂缝触发的裂隙性储层涌水、突水等地质问题，首先根据弹性力学原理和断裂力学强度准则，基于储层原生裂缝几何特性和压裂液渗流规律，建立了垂直井工况下的起裂压力计算模型;其次考虑煤储层的损伤本构关系，将Dougill损伤因子与起裂压力公式相结合，进一步建立了延伸压力的计算模型;应用经典的PKN模型以及裂缝内净压力的非线性压降规律，建立了改进的压裂缝扩展延伸模型.该模型揭示了裂缝性储层压裂长度L与压裂时间t之间的非线性关系，显示出压裂缝的延伸距离随时间的增加而增长，但前期增长较快，后期基本趋于稳定.豫北焦作恩村区块三口试验井的计算结果，与邻区位村区块微地震实测资料契合度较高，从而验证了理论模型的正确性，为现场压裂参数控制以及防治压裂缝突水提供了可靠的技术支撑.     

基于离散裂缝模型的复杂裂缝系统水平井动态分析

针对目前人工压裂裂缝存在倾斜、分支及不对称分布等情况,提出复杂裂缝系统下水平井渗流数值计算方法。首先对裂缝系统进行显式处理,分别建立基岩和复杂裂缝系统的数学模型,利用有限元方法对模型进行求解,并基于离散裂缝模型对裂缝系统进行显式降维处理,以减少数值计算量。与Odeh和Zerzar模型对比验证数值算法的正确性,并对复杂裂缝系统下的水平井进行计算。结果表明:压裂水平井除常见的4种流动形态(不包括外边界),早期还可能存在裂缝内的径向流动;定产量生产时早期裂缝内径向流动不再出现,且外部裂缝产量所占比例增大;水平井定井底流压生产时,裂缝分支增加了储层改造体积,能大幅度提高压裂水平井产量。     

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。     

裂缝性气藏气井产能计算新方法

裂缝性气藏储层中的裂缝是其气井产能的主要贡献者,裂缝的形态与位置对气井产能影响较大。传统裂缝性气藏气井产能模型多基于等效连续介质理论模型提出,未考虑储层裂缝的形态与位置。本文基于等值渗流阻力法,充分考虑裂缝性气藏裂缝形态与位置对气井产能的影响,利用裂缝微元段的径向渗透率表征裂缝对气井产能的贡献,推导了裂缝性气藏产能计算新方法。通过实例计算发现本文提出新方法能够较为准确预测气井产能。裂缝性气藏的裂缝长度对气井产能的影响较小,而裂缝偏转角度、裂缝与气井距离对气井产能影响较大,随着裂缝偏转角度、裂缝与气井距离的逐渐增大,气井无阻流量逐渐减小,且减小幅度不断减小。     

裂缝型碳酸盐岩储层酸压数值模拟

酸压是碳酸盐岩储层重要的大型增产改造措施,酸压中,准确预测酸液作用距离对酸压设计至关重要,其决定酸压改造范围、影响酸压目标缝长设定及酸压效果预测。裂缝型碳酸盐岩储层非均质性极强,基质较致密,天然裂缝所在区域渗透率很高,酸液滤失严重。目前各种酸压模型假设裂缝面上渗透率均匀分布,也不能考虑天然裂缝对滤失的影响,这些模型预测的酸液作用距离较长,酸压设计缺乏可靠的模拟模型。针对该问题,本文进行了裂缝型碳酸盐岩储层酸压数值模拟研究,首先基于地质统计规律建立人工裂缝面上渗透率分布模型、天然裂缝分布模型,并基于地质统计参数生成裂缝面上渗透率及天然裂缝分布;然后建立酸液流动、酸液滤失、酸岩反应数学、粗糙酸蚀裂缝表面形成过程模拟模型;再将以上模型耦合求解,形成酸压模拟模型。基于该模型,进行了广泛的数值模拟研究,分析了天然裂缝参数对酸液作用距离、酸蚀裂缝表面的影响。研究发现,天然裂缝对活酸作用距离和酸蚀裂缝表面影响显著,考虑天然裂缝时,其作用距离显著低于常规模型预测的距离,酸蚀裂缝表面更粗糙;裂缝型储层酸压设计中,天然裂缝是不可忽略的因素,新模型预测的酸液作用更合理。该研究为裂缝型碳酸盐岩储层酸压设计提供了更可靠模拟工具。