水平井压裂楔形缝内支撑剂输运特征数值模拟

为使研究结果更符合真实储层中支撑剂运移铺置情况,考虑水平井压裂注入特征和压裂裂缝实际形态特征,突破矩形窄缝数值模型的限制,基于计算流体力学方法建立了工程尺度单孔眼楔形裂缝模型。利用支撑剂输运数值模拟分析了支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度、施工排量和砂比对支撑剂在楔形裂缝中沉降运移的影响。根据数值模拟结果,以在楔形缝内形成具有充分高度和长度且不会带来砂堵风险的砂堤为目标,建议现场压裂施工排量在2.5 m³/min以上,携砂液黏度小于20 mPa·s,砂比控制在10%～20%,并采用粒径为70/140目的支撑剂进行支撑剂充填作业。与常规矩形长板裂缝模型的支撑剂输运模拟结果相比,楔形裂缝模拟中砂堤形态存在明显差异,为现场压裂施工参数提供新的参考。     

通道压裂支撑剂运移规律试验

基于通道压裂的特点,设计具有粗糙裂缝壁面、不同角度分支缝组合并考虑地层滤失、缝宽可变的大型支撑剂运移模拟装置。利用大型支撑剂运移模拟装置分别对直缝和直缝与分支缝组合两种情况下施工排量、支撑剂粒径、压裂液黏度、纤维比例等因素对支撑剂铺置的影响进行试验研究。结果表明:压裂液黏度显著影响支撑剂团块在裂缝长度方向上的分布;纤维比例的增加能够增加团块的数量,团块中支撑剂的含量和纤维与支撑剂的比例有关;适当增大排量有利于通道之间的相互连通;支撑剂质量浓度对支撑剂团块在裂缝高度方向上的分布影响较大;随着支撑剂粒径的增加其与纤维结合形成团块的能力越差;分支缝通道率明显低于主缝,结合分支缝的分流作用影响,其对试验变量的敏感性要低于主缝;随着分支缝角度的增加,纤维越容易在裂缝入口处滞留堵塞,堵塞分支缝入口。     

复杂裂缝内支撑剂铺置规律及有效支撑面积

复杂裂缝内支撑剂的铺置规律比较复杂,目前大多数研究都是基于数值模拟方法,存在耗时费力的情况,为了实现支撑面积的快速预测,利用数值模拟方法,在研究注入速度、流体黏度、砂比、粒径及密度等因素对铺置效果影响的基础上,运用神经网络、实验数据,建立了裂缝内支撑剂有效支撑面积神经网络预测模型。结果表明：不同因素都有合理的取值范围,取值超过该范围都会导致铺置效果变差,各级裂缝随影响因素的变化规律不相同,且主次缝的支撑剂铺置是相互影响的,分支前主缝砂堤高度超过一定高度后,砂堤高度越高,次级缝的砂堤面积越小,主次缝最大砂堤面积不会同时出现;基于反向传播(back propagation, BP)神经网络的裂缝内有效支撑面积预测模型,模型预测结果与数值计算结果误差在3.42%～6.46%,该模型能够准确、快速的预测支撑剂在裂缝中运移后形成的砂堤面积。研究结果可以为非常规资源的压裂开发提供理论帮助。     

通道压裂支撑剂缝内分布规律研究

通道压裂是低渗透致密油气藏高效、低成本开发的关键技术,通过采用非连续簇团铺砂的方式,使裂缝中形成具有高导流能力的通道,但目前关于通道压裂的理论研究仍然处于起步阶段.因此,基于计算流体力学建立欧拉-欧拉固液两相流模型,对通道压裂过程中支撑剂的分布状态进行模拟,通过与实验结果进行对比,证明了所建立模型的有效性,并系统研究了不同中顶压裂液(纯压裂液脉冲段)黏度、支撑剂密度、泵注排量对通道压裂通道率的影响.结果表明,中顶压裂液的黏度从1 mPa·s增加到20 mPa·s,通道内平均通道率增加5%;支撑剂密度从1400 kg/m³增加到2000 kg/m³时,缝内通道率减小了7%;排量由3 m³/min增加到7 m³/min时,通道率由28%增加到33.5%后减小到31%.现场应用过程中应使用较高黏度中顶压裂液、较低密度支撑剂和合理的泵注排量以保证裂缝中形成有效支撑通道.     

通道压裂裂缝导流能力影响因素研究

为了研究高速通道压裂裂缝内的支撑规律及裂缝导流能力,利用FCES-100导流仪对砂岩岩板进行室内导流能力测试。对比通道压裂铺砂与连续铺砂裂缝导游能力的差异,分析了纤维浓度、铺砂方式和支撑剂类型对通道压裂裂缝导流能力的影响。实验结果表明:低闭合压力下,通道压裂裂缝比连续铺砂裂缝导流能力大,随着闭合压力增加,通道压裂裂缝导流能力下降速度更快;纤维缠绕支撑剂形成网状结构,增加支撑剂团的稳定性,压裂液中最佳纤维质量分数为0.5%;支撑剂团的面积变化系数越大,通道压裂裂缝导流能力越低;支撑剂团块总面积大有利于增大通道压裂裂缝承压能力,但总面积过大裂缝导流能力反而会降低;对比通道压裂中3种支撑剂,覆膜砂的效果最好,其次是陶粒,石英砂效果最差。     

通道压裂支撑剂团块形成过程及影响因素

通道压裂中支撑剂与纤维团块的分布决定了裂缝的支撑与通道的形态,明确团块的形成过程和机理是研究通道压裂的关键,采用考虑了裂缝壁面粗糙和滤失的大型复杂裂缝颗粒运移铺置模拟装置进行实验,分析了团块的形成过程及特点,研究了施工排量、纤维比例、压裂液黏度和分支缝对于团块形成过程的影响.实验证明:第一个纤维脉冲形成的纤维团的位置和...     

压裂液黏度及注入速率对裂缝网络形态的影响

根据现场监测与岩芯观察结果,天然裂缝对水力压裂效果影响显著,压裂后易形成复杂缝网。通过数值计算对裂缝性储层压裂效果进行预测,可以实现对压裂参数(如压裂液黏度、注入速率等)的优化。本研究采用位移不连续方法计算压裂裂缝与天然裂缝的法向与切向位移,裂缝内流动方程采用有限体积法计算。压裂裂缝的扩展基于F能量判据,天然裂缝根据受力状态的不同存在闭合、滑移及开启3种形式。通过将裂缝变形方程与流动方程耦合求解,可以获得压裂裂缝在天然裂缝网络中的生长情况。由于压裂施工参数可以进行人为调整,因此了解不同施工参数对压裂效果的影响至关重要。现场及室内试验结果表明,高速注入高黏度流体更容易获得较为集中的裂缝分布。对比不同压裂液黏度及注入速率条件下天然裂缝壁面次级裂隙的生长行为,结果表明,高黏度、高注入速率的压裂方式更有助于次级裂隙的生长,从而抑制流体沿大尺度天然裂缝的流动,使压裂后裂缝分布更为集中。同时,计算结果还表明,高黏度、高速率的压裂方式获得的裂缝开度较大,总长较短,接触天然裂缝面积较小;低黏度、低速率注入的方式有助于激发天然裂缝网络,诱导天然裂缝发生明显的剪切滑移。     

高速通道压裂过程中支撑剂运移规律研究

高速通道压裂是近年在非常规致密油气资源开采中出现的新技术.为了研究高速通道压裂过程中支撑剂运移规律，基于CFD-DEM方法，建立高速通道压裂三维模型，首先对纤维柱的有无、纤维柱的排列方式和纤维柱尺寸对高速通道形成的影响，并进一步研究压裂液黏度、支撑剂密度对支撑剂运移规律的影响.结果表明：随着纤维加入压裂液中，支撑剂颗粒流速出现差异性变化；由并行排列变为交错排列，支撑颗粒的流速由快变慢，流速较快的颗粒出现在裂缝底部的数目减少；采取纤维柱交错排列方式且纤维柱半径较小，有利于快速形成支撑柱，获得较高的裂缝导流能力；随着压裂液黏度的增大，纤维吸附颗粒数目在不断减少；当压裂液密度为1000 kg/m³时，支撑柱颗粒数目随支撑剂密度的增大而缩减少，而压裂液密度增大为2000 kg/m³时，支撑柱颗粒数目则呈现增大趋势.研究成果丰富了高速通道压裂技术的研究.     

垂直裂缝内液体二氧化碳携砂规律研究

二氧化碳干法压裂以液态二氧化碳为压裂液,相较于传统的水力压裂,具有无水相、无残渣、低伤害、增加地层能量等优势,因此应用前景广阔。液体二氧化碳的密度和黏度很小,其携砂能力的大小成为决定压裂成败的关键因素。建立垂直裂缝模型,基于计算流体力学方法建立了液体二氧化碳流体和支撑剂的两相流动规律,并利用有限体积法进行数值模拟研究。结果表明：液体二氧化碳流体的携砂能力要弱于滑溜水。支撑剂在液体二氧化碳流体和滑溜水中的分布特征相似;通过降低支撑剂密度、减小支撑剂粒径和砂比或提高泵注排量可以提高液体二氧化碳流体对支撑剂的携带作用。研究结果可为液体二氧化碳压裂工艺参数设计提供依据。     

垂直裂缝内液体二氧化碳携砂性能的数值模拟

二氧化碳干法压裂以液态二氧化碳为压裂液,相较于传统的水力压裂,具有无水相、无残渣、低伤害、增加地层能量等优势,因此应用前景广阔。液体二氧化碳的密度和黏度很小,其携砂能力的大小成为决定压裂成败的关键因素。建立垂直裂缝模型,基于计算流体力学方法建立了液体二氧化碳流体和支撑剂的两相流动规律,并利用有限体积法进行数值模拟研究。结果表明:液体二氧化碳流体的携砂能力要弱于滑溜水。支撑剂在液体二氧化碳流体和滑溜水中的分布特征相似;通过降低支撑剂密度、减小支撑剂粒径和砂比或提高泵注排量可以提高液体二氧化碳流体对支撑剂的携带作用。研究结果可为液体二氧化碳压裂工艺参数设计提供依据。     

水平裂缝压裂设计数值方法的研究

压裂设计是改进压裂工艺、优选压裂方案和指导压裂施工的一项重要工作。本文对水平裂缝压裂设计中裂缝几何尺寸和裂缝中流体流速的计算、裂缝中支撑剂分布的确定以及压裂产率比的预测等主要环节进行了研究,提出了一套水平裂缝压裂设计的数值计算方法,并编制成程序。这一套设计计算方法适用于以变排量注入两种幂律液体和使用两种支撑剂的情况,并考虑了水平裂缝中压裂液滤失有界的特点及近井地层污染的因素,对砂堆砂沟区支撑剂分布的确定方法也做了改进,从而扩大了前人方法只限于常排量注入一种牛顿液体,地层为无限厚和地层无污染的局限性。本文利用设计程序影响压裂效果的几个主要参数进行了计算、分析和优选。提出了在不同地质情况下进行水平裂缝压裂应当采取的施工方案。     

压裂气井支撑剂回流及出砂控制研究及其应用

加砂压裂是低渗气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施,然而经过大量的现场施工发现,如果压裂后气井排液控制不当或生产过程中配产不合理,将导致支撑剂回流或出砂,引起气井产能严重下降,从而影响最终的压裂效果.分析了支撑剂回流机理,建立了压裂液返排过程中临界返排流量、支撑剂返排速度和沉降速度计算模型,提出了控制支撑剂回流的放喷油嘴选择原则.在考虑气井生产过程中既要返排注入地层中的压裂液,同时又不将地层砂(包括支撑剂)带入井筒的前提下,推导出了压裂气井的临界产量计算公式.结合实际的压裂施工资料进行了实例计算分析,为指导压裂液返排和确定气井合理产能提供依据.     

基于Cross本构方程的裂缝内清洁压裂液支撑剂铺置行为数值模拟

支撑剂在裂缝中的铺置行为直接决定着压裂增产效果。以提高支撑剂在裂缝中的携砂能力为目的,采用流变仪研究了黏弹性表面活性剂清洁压裂液的流变特性,运用Cross非牛顿流体本构方程拟合得到了清洁压裂液的流变参数,基于Eular-granular颗粒动力学方法研究了支撑剂在清洁压裂液中的运移特性。模拟结果表明,Eular-granular颗粒动力学方法模拟结果与室内实验吻合较好,能够描述裂缝内砂堤铺置行为。对清洁压裂液而言,零剪切黏度越高,剪切稀化性越低,结构松弛时间越小,其携砂性能越好;采用低密度、小粒径的支撑剂可以有效降低缝内砂堤平衡高度,延长支撑剂的铺置距离,减少裂缝内近井段支撑剂的堆积,防止返排时产生回流。     

滑溜水压裂支撑剂在水平井筒内沉降规律研究

为了研究支撑剂在水平井水平段内沉降规律,自主设计了实验装置及实验方法,分别研究了水平井直径、排量、砂比、压裂液黏度等参数对临界沉降速度和临界再悬浮速度的影响。实验结果表明:支撑剂的临界沉降速度和临界再悬浮速度随着砂比、水平井直径的增大而增大,随着压裂液黏度的增大而减小;临界速度受水平井筒直径、压裂液黏度影响较大,受砂比影响较小;在相同条件下,临界再悬浮速度比临界沉降速度大。基于实验数据,通过多元非线性拟合,建立了临界速度计算模型,该模型考虑了支撑剂、压裂液、水平井直径、砂比等影响因素,能较准确预测临界沉降速度和临界再悬浮速度。     

复杂裂缝中CO_2流体携砂规律的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了适用于模拟CO_2流体和支撑剂两相流动规律的固液两相流数学模型,并利用有限体积法进行求解,分析了泵注速度、砂比、支撑剂密度和粒径以及裂缝复杂程度对支撑剂在复杂裂缝中运移规律的影响。结果表明:支撑剂流入分支缝的方式主要包括主裂缝在分支缝缝口处形成砂堤后依靠重力作用滚入二级缝中,或是依靠携砂液的流速携带至分支缝内;泵注速度、支撑剂目数与平衡高度呈负相关,且泵注速度与平衡时间呈负相关、支撑剂目数与平衡时间呈正相关;砂比、支撑剂密度与平衡高度呈正相关,与平衡时间呈负相关;裂缝的级数越多,达到平衡所需要的时间越长,复杂裂缝中支撑剂在各分支缝节点处出现转向运移,且主要沉降在离主裂缝较近的二级缝中;由于三级缝较窄,进入三级缝深部的支撑剂量较少,且各分支缝中的砂堤高度小于主裂缝中的砂堤高度。     

非牛顿压裂液中支撑剂聚集沉降规律实验研究

水力压裂中常用的交联冻胶压裂液属于非牛顿流体。针对支撑剂在非牛顿流体中是如何沉降的问题,利用垂直裂缝物理模型,分别采用不同液体、流速、支撑剂密度及砂浓度进行实验,研究支撑剂在流动的交联压裂液中颗粒沉降的规律。结果表明,在非牛顿流体中,液体流动越慢,支撑剂密度越大,砂比越高,颗粒的聚集沉降现象越明显。在现场施工中应该采取一定措施来减弱支撑剂颗粒聚集沉降的影响。     

地层塑性对水力压裂裂缝扩展影响的数值模拟

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、黏性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液黏度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液黏度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

高温深井压裂裂缝中温度及支撑剂分布的数值计算方法研究

本文改进了井筒温度的现行计算方法,建立了新的数值计算方法和计算程序,使其计算更加实用方便。与现场实测结果的比较表明,计算值与实测值吻合较好。文中还提出了高温深井垂直裂缝压裂设计的数值方法并由此编制了计算程序。对综合考虑裂缝温度、压裂液流变特性、裂缝几何尺寸及支撑剂运移沉降的相互作用和影响进行了尝试,并模拟了地面分段变粘度注液压裂工艺。可以计算不同时刻的裂缝长度、宽度、缝中液体温度分布以及不同时刻缝中支撑剂的悬浮和沉积剖面,能追踪各混合液段中支撑剂浓度随时间的变化,对是否会出现缝中支撑剂堵塞等提供参考预测,有助于寻求较好的压裂设计方案。计算结果符合理论分析。     

纤维压裂液携砂性能实验评价

 为了研究纤维对纤维加砂压裂的影响,设计了大型可视裂缝模拟系统及相应的实验方案,通过室内实验,研究了纤维加入方式、纤维浓度、温度等对纤维携砂能力的影响。实验结果表明:先加入纤维,再加入交联剂,最后加入支撑剂配置的压裂液携砂能力最好;在一定温度范围内,纤维质量浓度越高,纤维与支撑剂颗粒间摩擦系数越大,形成的网状结构越稳定,纤维的悬砂性越好,但温度大于80℃时,纤维携砂能力变差;增大纤维质量浓度,砂堤形态变平缓,堤峰向裂缝深部推移,支撑剂在裂缝深部的沉降量增加,有利于增加裂缝的有效长度。     

大佛寺井田煤层气井压裂参数优化方案

为有效优化彬长矿区大佛寺井田煤层气井压裂施工工艺,对井田内24口煤层气直井产气情况和压裂施工参数进行统计分析,研究了煤层气直井压裂施工对其产能的影响,并将产能效果较好的气井压裂施工参数进行了分析对比。研究发现,在煤储层地质因素一致的情况下,影响压裂效果的主要工程参数有施工排量、压裂液用量、加砂强度以及砂比等。大佛寺井田煤层气直井采用活性水压裂液,支撑剂为石英砂,压裂施工排量为5. 4～8. 5 m~3/min,压裂液用量616. 00～1 193. 25 m3,加砂强度为3. 26～13. 00 m~3/m,砂比为6. 9%～17. 1%.结合气井历史排采资料和相关地质资料,以日均产气量和稳定日产量1 000 m~3为压裂效果产能下限,得到适合大佛寺井田煤层气直井的压裂参数优化配置,建议压裂工艺优化方案设计如下:施工排量建议为8～10 m~3/min;细砂段塞1～2个;压裂液用量建议为950～1 100 m~3(前置液占25%～40%);加砂强度建议为5～7 m~3/m(煤厚 12 m)或8～9 m~3/m(煤厚12 m);砂比建议为10%～11%;支撑剂中中砂/粗砂比值建议为2～3.该方案可为井田后期煤层气井的压裂施工提供一定的工程依据。