页岩储层水力压裂体积改造实现方法研究

大型水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,该技术使页岩储层形成复杂的网状裂缝,达到改造体积的目的。从我国页岩储层特征出发,在对国内页岩气压裂井施工技术等方面进行调研的基础上,结合现场施工实践经验,提出页岩气压裂施工中需要解决的关键难点。从断裂动力学角度对页岩气压裂缝网形成机理进行分析,并在此基础上,提出解决压裂施工过程中问题的方法,即适合于我国页岩气压裂施工设计的一般性原则。根据国内某口页岩气压裂井相关资料,结合研究内容,设计合理施工泵序,并利用专业页岩气压裂设计软件进行验证。     

中国页岩气藏压裂的关键科学问题

水力压裂技术的提高是保障页岩气高效环保开发的重要途径.本文概述了中美页岩气藏在工程地质、作业环境和技术需求方面的差异.分析表明,中国页岩气藏埋深普遍偏大、闭合压力高、地貌复杂、建井成本高以及水资源匮乏,与美国存在较大差异.针对这些特殊的压裂条件,提出了我国页岩气藏压裂亟待解决的4个关键前沿科学问题:(1)井工厂模式下页岩缝网非平面、非线性动态扩展机理;(2)复杂缝网扩展过程中支撑剂的空间运移和沉降机理;(3)热-流-固三场非线性耦合作用下的页岩气藏重复造缝机理;(4)无水压裂介质流变调控机制与造缝机理.针对各关键科学问题综述了其研究进展和发展方向,对研发原创性的页岩气压裂技术具有重要的理论指导意义.     

页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键。试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响。通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态。实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性。试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝。另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝。     

鄂尔多斯盆地陆相页岩气压裂技术现状

鄂尔多斯盆地三叠系延长组陆相油页岩是延长组页岩气的生、储层位.延长陆相页岩具有埋藏深度浅、分布稳定,厚度较大,孔隙度、基质渗透率极低,岩性脆等特点.延长油田结合自身陆相页岩气储层的特点,通过对页岩气储层改造方式、增产机理、区域层位选择等论证优化后,经过三年多时间的室内实验研究及现场试验,优化出了适合陆相页岩储层的压裂液体系,并首次将CO2压裂工艺技术应用于陆相页岩气压裂,逐步形成了一套适合延长组陆相页岩气储层压裂改造工艺技术,并在延长油田多口页岩气井现场应用,取得了陆相页岩气储层改造的技术突破.     

页岩气钻采技术现状及展望

作为发展迅速的非常规能源,页岩气已成为全球能源界的焦点。页岩气钻采技术不同于普通油气井。本文回顾了页岩气钻井发展过程,介绍了页岩气开发中的水平井技术。组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井、机械式组合完井是页岩气井完井的主要方式。页岩气开发的核心技术之一是压裂技术,主要包括水平井多级压裂、重复压裂、清水压裂、水力喷射压裂、同步压裂等。最后本文对页岩气的水平井钻井技术和压裂技术的发展方向进行了展望。     

页岩气试井技术在分段压裂水平井中的应用

目前已掀起页岩气勘探开发的热潮,针对页岩气的研究主要集中在地质及钻完井,而针对页岩气试井动态方面的研究几乎是空白,研究具一定的先导性。建立了页岩气藏无限导流分段压裂水平井评价模型,讨论了扩散、吸附等参数对压力动态的影响,分析了均质页岩气藏中无限导流分段压裂水平井的压力动态特征,解决了无法确定页岩气藏分段压裂水平井动态参数的难题,形成了均质页岩气藏分段压裂水平井的典型曲线。研究成果可为页岩气藏分段压裂水平井的合理高效开发提供技术支持。     

页岩气压裂增产技术的研究与探讨

页岩气是商业价值巨大的非常规天然气,国外对其的开发技术已非常成熟,而我国对页岩气的开采技术还处于起步阶段。页岩气的储藏特性及地质环境决定了只有采取储层改造措施才能实现增产。目前的增产主要以压裂技术为主,根据不同的地质环境采取不同的压裂技术。本文阐述了我国页岩气开发的前景,对现有的增产措施即水平井分段压裂技术、重复压裂技术、同步压裂技术、清水压裂技术和新型压裂技术进行分析总结,对我国的页岩气勘探开发有一定的指导作用。     

压裂泵高压排出管汇的振动特性分析及测试

为了防止压裂泵高压排出管汇在工作状态下出现剧烈振动,对其进行了有限元仿真。计算发现,高压管汇的固有频率接近压裂泵的工作频率,存在共振的危险。因此根据仿真计算得到的振型改进其约束方式,经有限元仿真分析得到改进后的结果,分析表明改进约束方式后的高压管汇,其固有频率远大于压裂泵的工作频率,有效地避开了压裂泵工作频率范围。最后通过对高压管汇的试验模态分析验证了有限元仿真计算结果,为高压管汇的防振及应用提供了依据。     

不同沉积环境页岩气富集地质条件分析——以巴彦浩特盆地石炭系为例

沉积环境对页岩气资源的富集地质条件起着控制作用。通过野外露头观察,运用室内分析化验、扫描电镜等技术,以实际资料为依托,对巴彦浩特盆地北部三角洲沉积环境页岩和南部障壁海岸沉积环境页岩的有机地化特征和储层物性特征进行了对比,分析了不同沉积环境页岩气富集地质条件的差异性。研究结果显示,三角洲环境页岩有机碳含量较高,干酪根类型以Ⅲ型为主,其生气条件优于障壁海岸沉积环境页岩;而障壁海岸环境页岩脆性矿物含量高,内部孔隙隙结构多样,孔渗性较好,更有利于页岩气资源的储集及后期开发过程中的压裂作业。     

不同沉积环境页岩气富集地质条件分析

沉积环境对页岩气资源的富集地质条件起着控制作用。通过野外露头观察,运用室内分析化验、扫描电镜等技术,以实际资料为依托,对巴彦浩特盆地北部三角洲沉积环境页岩和南部障壁海岸沉积环境页岩的有机地化特征和储层物性特征进行了对比,分析了不同沉积环境页岩气富集地质条件的差异性。研究结果显示,三角洲环境页岩有机碳含量较高,干酪根类型以Ⅲ型为主,其生气条件优于障壁海岸沉积环境页岩;而障壁海岸环境页岩脆性矿物含量高,内部孔隙隙结构多样,孔渗性较好,更有利于页岩气资源的储集及后期开发过程中的压裂作业。     

页岩气水平井重复压裂关键技术进展及启示

由于页岩气水平井初始增产措施的种种不利因素，产量达不到预期，加之目前低迷的油价背景，页岩气水平井重复压裂技术越来越受到页岩气资源开发的关注。随着压裂技术的不断发展，许多页岩气区块已经成功实施了这一技术，以提高生产率，并增加页岩气井的最终采收率。综述了页岩气水平井重复压裂优化选井的程序，并讨论了关键工艺技术和监测分析技术，最后，结合目前不同技术的研究现状，对今后页岩气水平井重复压裂技术的研究方向进行了展望，提出了结合“大数据”技术选井、套损变形井柔性修复、基于损伤力学的裂缝监测以及新型材料的压裂液和支撑剂等技术攻关的建议。中国页岩气资源潜力巨大，加速形成适合中国页岩气水平井重复压裂配套技术，会对未来中国页岩气商业开发起到促进作用。     

基于多尺度排列熵和正则化RVFL的高压隔膜泵单向阀故障诊断

高压隔膜泵单向阀运行工况复杂,运行时产生的振动信号具有非线性、非平稳特性,导致信号特征提取困难,故障状态难以识别.为了提取单向阀运行状态的非线性动力学特征,提升故障诊断模型的识别精度和泛化能力,提出了一种基于多尺度排列熵（Multi-scale Permutation Entropy,MPE）和正则化随机向量函数链接（Random Vector Functional Link,RVFL）网络的单向阀故障诊断方法.首先,对工况下采集的单向阀振动信号进行变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）获得既定的若干本征模态函数（Intrinsic Mode Function,IMF）分量;然后,计算IMF分量的多尺度排列熵,构建表征单向阀运行状态的特征值向量;最后,基于运行状态的特征值向量,建立正则化随机RVFL的故障诊断模型,并应用于单向阀的运行状态监测与识别.实验结果表明,构建的故障诊断模型能够精确地识别单向阀的故障类型,准确率达到98.89%.     

二维曲线相似与统计学原理在旋转设备故障识别中的应用

在机械设备状态检修中使用振动故障诊断已经相当普及。目前普遍采用设置阈值或数值的变化趋势实现故障预警,再通过大量的故障诊断算法实现故障识别。提出一种新的基于几何相似和统计学原理的故障频谱相似度算法,可以简单有效快速的实现故障识别。     

基于无限学生t混合模型聚类的机械故障预警方法

往复式压缩机、柴油机等复杂机械的振动信号往往呈现较强的非平稳特性，导致传统单特征门限报警法的报警准确率较低。针对该问题，提出一种基于无限学生t混合模型（infinite student's t-mixture model，iSMM）聚类的机械故障预警方法：首先，通过提取机械振动信号特征构建高维特征空间，并采用iSMM对其进行建模，以描述机械设备的状态；其次，利用基于匹配的KL散度近似算法计算机械设备在历史正常状态和观测状态下的模型间距离；最后，将该距离与基于3σ准则自学习出的报警阈值进行比较，实现故障预警。利用往复式压缩机故障案例对所提方法进行验证，结果表明本文方法较单特征门限报警法报警准确率高且时效性好，可有效地对复杂机械进行故障预警。     

基于分步有限元法的多级压裂过程中套管应力敏感性分析

目前中国四川地区页岩气开发大多采用大排量分段压裂工艺技术,部分页岩气井在施工过程中出现套管变形的现象,导致后续施工改造无法顺利进行,严重影响了页岩气井的正常生产。因此准确了解压裂过程中套管应力的变化规律具有重要意义。区别于传统模型,基于分步有限元方法,考虑了钻井、完井、压裂整个施工过程,构建了页岩各向异性下套管-水泥环-地层组合体有限元分析模型,模拟多级压裂过程中组合体应力以及温度场随时间的变化特征。分析了两种模型下注液温度、套管内压、地应力变化、地层孔隙压力变化、水泥环弹性模量以及地层弹性模量等因素对套管受力状态的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,采用传统模型会低估套管应力的增大程度;(2)大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致套管应力明显升高;(3)地应力分均匀性以及孔隙压力的增大会导致套管应力有所增加;(4)页岩各向异性对套管应力的影响较小,其中地层性质的下降会导致套管损坏的几率增加。因此在今后的页岩气压裂改造过程中,有必要采用分步有限元模型,综合考虑这些影响因素,合理优化相关的压裂作业参数,从而确保后续压裂完井作业的正常进行。     

压裂车车架动态特性分析

为研究压裂车车架的动态特性,以避开其共振频率,达到延长寿命的目的。应用有限元法,基于SPRING和RIGID BEAM单元模拟悬架,建立SHELL单元为主的车架有限元模型,对车架进行前6阶模态分析并与模态实验结果对比,误差13%以内证明有限元模型准确性,并对振型及应变能云图进行评价。考虑作业过程中载荷特点,研究动载荷作用下车架的谐响应特性,获得特定位置的位移、加速度响应曲线。计算结果表明:压裂车车架的频率分布合理,避开了发动机的怠速频率,主车架前部结构相对薄弱;泵的激励对压裂车振动影响较大,泵在工作时注意避开2.5 Hz、3.6 Hz工作频率,该频率附近车架易引起共振。     

水力破裂作用及在板中北储气库评价中的应用

在调研大量国内外文献的基础上,对狭义和广义的水力破裂作用进行区分,详细阐述水力破裂的作用过程,划分水力破裂作用的类型,并且推导出发生不同类型水力破裂作用所需的差应力和孔隙流体压力条件,进而得到水力破裂作用的判别准则,分析水力破裂作用的影响因素,系统论述断层水力破裂作用风险性的定量评价方法,指出各种评价方法的优缺点以及适用条件,归纳出各种水力破裂作用定量评价方法的实质。综合考虑各种评价方法的适用条件,运用断层封闭性分析技术(FAST)对板中北储气库的控圈断层进行水力破裂风险性定量评价,确定出板中北储气库的风险部位为板桥断层的控圈高部位,该处发生水力破裂作用所需的孔隙流体压力增加量为2.99 MPa,为板中北储气库进行安全注采提供科学依据。希望本文系统的论述能够对流体运移、油气保存、油气田安全开采以及储气库安全运行等方面的研究起到一定的指导意义。     

基于振动特征估计的气体绝缘开关设备故障检测与定位

为了有效检测气体绝缘金属全封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear, GIS)故障,提出一种基于振动特征分析的GIS设备故障检测与定位方法。首先,选取GIS金属外壳多测点振动信号作为设备的状态变量。然后,构建多输出支持向量回归(Multi-Output Support Vector Regression, MOSVR)模型对GIS设备多测点振动特征进行回归估计,并利用多测点振动特征残差相对值计算故障预警指标。之后,利用指数移动加权平均方法计算自适应阈值来衡量故障预警指标的变化趋势以实现设备的故障检测。检测出故障后,利用箱形图分析多测点振动特征残差来定位设备故障。最后,利用现场实测信号验证了提出方法的有效性。     

基于PCA-BNN的页岩气压裂施工参数优化

国内外学者在已有大量国外页岩压裂样本数据的前提下,开展了基于机器学习的页岩气压裂有效期预测及压裂参数优化的研究。随着近年来中国F气田不断地规模开发,积累了大量的压裂施工、生产动态、解释成果数据。通过利用已有的200口井的压裂施工历史数据及储层物性参数建立贝叶斯神经网络模型来优化压裂施工参数。选取对压裂效果有影响的储层物性参数、完井参数、压裂施工参数,用皮尔逊相关系数法分析11个参数的相关性;用主成分分析法（PCA）进一步降维处理,以降维后的主成分作为贝叶斯神经网络模型的输入参数,以压裂效果评价指标（有效期）为输出参数,引入贝叶斯方法自适应调整正则化系数避免神经网络过拟合,生成三层贝叶斯神经网络预测模型。用200口井中90%的井数据作为训练集,10%的井数据作为测试集,对该模型进行训练,实验结果表明,训练后该模型预测测试集的相对误差均值在5%以内,可以用来优化压裂施工参数。     

基于大数据挖掘技术的页岩气井压裂液产出规律分析

为了准确分析页岩气井压裂液产出规律,通过大数据的筛选和分析对影响页岩气井生产的26个因素进行得分排序,得出影响页岩气气井压裂液产出率的主控因素为地质储量、平均单段砂量、孔隙度、A靶点和B靶点深度。通过主成分分析和多元线性回归建立气井压裂液产出规律预测数学模型,计算表明,压裂液产出率的预测值与实际生产数据相比,预测精确度在90%。