基于裂缝干涉模型的非常规油气井压裂优化设计软件的开发与应用

基于复合断裂力学解析方法和能量平衡原理,考虑非常规油气储层岩石高脆性和低渗透性特点,研究水平井分段压裂诱导裂缝间应力相互干扰条件下裂缝扩展的力学机制和缝内变密度支撑剂运移规律。根据水力压裂裂缝扩展的拟三维模型和考虑缝内流体沿缝长、缝高二维流动的全三维模型,分别考虑水平井单井缝网压裂和双井同步压裂形成网状裂缝状态,建立考虑缝间应力干扰的诱导网状裂缝体积压裂优化设计模型,采用Visual Studio 2012开发平台,研制设计软件3D-UGMulti-Fracture。根据断裂力学和渗流力学原理研究水力压裂过程中不同密度支撑剂在网状裂缝内的运移过程。利用微地震技术对同步压裂井实施裂缝监测,检测结果与软件计算结果具有很好的一致性。按照压裂工艺设计要求,优化排液量和砂比等参数,增加裂缝有效支撑长度,提高裂缝导流能力。     

基于PKN模型的压裂裂缝延展参数计算及分析

油田现场水力压裂前期设计常采用直观快捷的PKN模型,该模型假设裂缝空间分布为一均匀的椭球体。基于PKN模型理论公式,将研究区实际压裂参数作为输入,建立压裂缝长的迭代计算方法,并针对两口现场井的典型均质层和非均质层,实现压裂缝长的预测计算。通过构建岩层渗透率非均质参数,利用微地震实测压裂缝长数据,研究储层非均质性对裂缝两翼缝长的影响关系,指出岩层的非均质系数越大,裂缝两翼延展的不对称性越强。研究发现,由岩层非均质参数可以估算实际压裂缝长与预测裂缝长之间的最大偏差,该结果可以很好地修正实际压裂前期设计中PKN模型的预测结果,有效地提升压裂施工工艺的成功率。     

水压裂缝缝内流场的理论研究

水力压裂过程就是地层在受到压裂液作用后裂缝向前延伸扩展的过程。水力压裂过程中,缝内流体的流动特征对裂缝的延伸和形态具有很大的影响。要确定水力压裂过程中的缝宽变化,首先应根据流体力学理论,找出缝内流体压力的分布规律,得出它与裂缝宽度的关系,再根据岩石力学和断裂力学理论,寻求二者在裂缝宽度或压力方向的流固耦合,从而最终确定出裂缝的几何形态。通过缝内流场的理论研究,推导出了一个新的描述缝内流场的理论模型,为求解全三维裂缝几何形态打下了理论基础。     

全三维水力压裂过程中裂缝及近缝地层的温度计算模型

根据全三维水力压裂模型 ,建立了水力压裂施工过程中裂缝、盖层、底层以及裂缝附近地层中三维温度分布的数学模型。在该模型中 ,考虑了裂缝内的液体沿缝长和缝高方向作二维流动及裂缝向上、向下延伸到盖层和底层中的情况。计算实例表明 ,液体沿裂缝长度和高度方向同时流动时 ,在其长度和高度方向上都存在温度梯度。并且在沿裂缝高度方向上 ,由于滤失带对地层传热的影响 ,使得油层范围内的温度变化较小 ;而在油层范围以外 ,温度变化则较大     

基于应力隔夹层划分的特低渗储层剩余油挖潜——以鄂尔多斯盆地白于山地区延长组储层为例

基于鄂尔多斯盆地白于山地区延长组长4+5特低渗储层压裂缝分布规律性不强、预测难度大的问题, 采用传统工程地质方法与特殊测井、常规测井、沉积微相研究相结合的方法, 通过建立油藏三维空间展布的地层岩石力学模型, 开展随井间储层和应力场变化的全缝长压裂数值模拟, 得到较精确的压裂缝全缝长几何形态参数, 据此认为应力隔夹层将作为一种新的开发地质属性对压裂缝纵向延伸和水驱波及范围起主导控制作用, 并提出开发调整措施。研究结果可为提高低渗储层的开发决策效率、提高剩余油采出程度提供科学依据。     

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。     

全三维水力压裂过程中裂缝及近缝地层的温度计算模型

根据全三维水力压裂模型,建立了水力压裂施工过程中裂缝,盖层、底层以及裂缝附近地层中三维温度分布的数学模型。在该模型中,考虑了裂缝内的液体沿缝长和缝高方向作二维流动及裂缝向上,向下延伸到盖层和底层中的情况,计算实例表明,液体沿裂缝长度和高度方向同时流动时,在其长度和高度方向上都存在温度梯度。并且在沿裂缝高度方向上,由于滤失带对地层传热的影响,使得油层范围内的温度变化较小;而在油层范围以外,温度变化则较大。     

压裂裂缝拟三维延伸的数值模拟

为了使压裂设计更符合实际情况,近年来倾向于使用裂缝三维延伸的数学模型。本文以I D Palmer缝高模型为基础,应用线弹性断裂理论,建立了适合层状分布油气层压裂时裂缝拟三维延伸动态尺寸计算的数学模型,模拟了裂缝三维延伸过程中裂缝尺寸随时间的变化关系。     

基于三维模型的低渗透非均质储层单砂体全缝长压裂改造与剩余油挖潜

考虑到对陆相非均质储层压裂缝扩展规律及储层改造程度认识不足,首先通过测井曲线对鄂尔多斯盆地王窑区块目标层段进行单砂体细分,采用常规测井、特殊测井与沉积微相特征结合开展油藏三维物性与岩石力学场建模,其次进行随井间储层和应力场变化的全缝长压裂数值模拟,最后通过裂缝的展布情况与油田动态数据结合,对非均质储层动用程度进行分析。研究认为三角洲前缘多期河道侧向叠置砂体储层单砂体在垂向差异大,侧向变化快,因此须突破传统的压裂数值模拟方法,基于实际三维模型的单砂体全缝长压裂模拟更为合适。所提方法在鄂尔多斯盆地实施后增产效果明显,实施井次成功率高达90%以上,平均日增油2 t以上,说明该方法可应用于低渗非均质储层开发中后期的剩余油挖潜。     

吉木萨尔二叠系致密油岩石力学特性参数分析与压裂对策

致密油岩石力学特性是影响压裂裂缝形态和压后效果的重要影响因素,围绕吉木萨尔二叠系致密油压裂水平井裂缝缝网是否形成,缝高是否受限等问题,开展了三轴应力实验与岩石力学特性参数分析,同时结合微地震裂缝监测,从高力学强度层、岩石脆性、两向应力差、天然裂缝发育等方面分析了裂缝扩张形态及影响因素,在此基础上,进一步提出了针对性的致密油压裂对策。     

用于预测水力裂缝缝高的新拟三维流场模型

针对原有拟三维流场模型在控层较差时预测缝高过大的问题 ,根据水力压裂裂缝延伸机理 ,基于原拟三维数值模型生成的初始裂缝几何形态 ,采用从假定虚源发出的呈放射状径向流动的近似二维流场 ,对原拟三维模型的一维流场进行了修正 ,建立了新的拟三维流场模型。实例计算表明 ,由于考虑了压裂液在缝高方向上的流动 ,在控层较差的情况下 ,新模型对缝高的预测精度可达到全三维的计算精度 ,这对水力压裂施工和设计有实用意义。     

致密油水平井分段多簇优化设计方法

为提高致密油水平井段分段多簇设计的针对性,建立一种新的水平井分段多簇优化设计方法。采用岩心试验和垂向非均质平面均质(VTI)应力模型评价水平井水平段的应力与脆性指数剖面,并结合测井解释的储层品质参数及水力裂缝优化结果,采用模糊模式识别模型优选水平井段的射孔簇位置。试验结果表明:可采用岩石力学参数方法建立连续的脆性指数剖面,可根据水平井导眼井校正后的模型参数计算水平段的VTI应力剖面;模糊模式识别模型优选的射孔簇储层品质与脆性较好,宜作为裂缝布置的的位置;现场试验效果较好。     

页岩气储层压裂水平井非线性渗流模型

水平井+体积压裂技术已经成为目前高效高速开发页岩气藏的主要技术手段。针对页岩储层存在的吸附扩散效应和应力敏感效应以及流体的滑脱效应和高速紊流效应,建立了水平井多级压裂复合渗流模型,并获得了其在Laplace空间的解析解;通过Stefest数值反演和Duhamel原理,得到了考虑井筒储集效应和表皮效应影响下的实空间无因次产量模型,从而绘制了无因次产能模型图版并进行了产能影响因素敏感性分析。根据实践应用结果显示,模型能够预测水平井产量并具有更高的预测精度。研究结果表明:页岩气藏压裂水平井产能可划分为三个渗流区域和五个流动阶段,前期由裂缝线性流占主导地位,产量高但递减速度快;中期由天然裂缝供气,是处于基质和裂缝供气的过渡阶段;后期由基质线性流占主导地位,产量低但递减缓慢。启动压力梯度对水平井前期产量影响较大,而储层应力敏感性对后期产量影响较大。模型为认识体积压裂水平井复杂渗流规律、预测页岩气藏压裂水平井产能、评价压裂效果以及优化水平井压裂参数提供了有效的科学依据和理论支撑。     

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.     

油藏水力压裂区域分解模拟算法

由于压裂裂缝能增加地层的非均质性,因此,选用适当的数学模型和算法是提高模拟效果和计算精度的关键。将区域分解算法与黑油模型相结合,对水力压裂后形成的裂缝油藏进行了精细的模拟计算,通过计算渗透率的大小来描述裂缝的几何尺寸和方向。同时考虑到生产过程中裂缝导流能力会发生变化,采用了指数递减的方法对裂缝导流能力进行综合处理。模拟计算表明,运用该算法能较好地描述裂缝。本方法可用于对水力压裂油藏进行长期生产动态的计算和预测。     

单层铺砂条件下煤岩裂缝导流能力实验研究

为了深入研究煤岩压裂裂缝导流能力,运用FCES-100裂缝导流仪测试了低铺砂浓度尤其是单层铺砂条件下煤岩裂缝导流能力,并考虑了嵌入作用、天然裂缝等因素的影响.实验结果表明:在较低闭合压力下单层铺砂能够支持煤岩裂缝,获得理想的导流能力;不同煤岩由于力学性质的不同,单层铺砂导流能力存在较为明显的差异,在高闭合压力下支撑剂嵌入对质软的煤岩裂缝导流能力伤害严重;时间和实验煤岩板上存在的天然裂缝对单层铺砂煤岩裂缝导流能力存在影响.     

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。     

水平井压裂裸眼井筒完整性分析

井筒完整性不仅关系到油气井安全生产,还影响着水平井水力压裂增产作业效果。水平井裸眼封隔器分段压裂过程中,在高内压和裂缝诱导应力的作用下,裸眼井筒可能发生破坏,造成封割器隔离层段失效和压裂液窜流,影响水平井分段压裂效果。为此,建立了考虑水力裂缝诱导应力作用下的水平井井筒剪切破坏宽度、拉伸裂缝深度的计算模型。利用所建模型分析了裂缝长度、裂缝距离对水平井井筒完整程度的影响规律。分析结果表明,水平井分段压裂过程中,正压裂段容易形成纵向拉伸裂缝,且在靠近裸眼封隔器处裂缝深度较大;已压裂段容易发生剪切破坏,且在靠近裸眼封隔器处剪切破坏程度最大。随着水力裂缝增长,剪切破坏程度和拉伸裂缝深度都逐渐增加。本文所建模型和分析结果可为水平井裸眼分段压裂设计提供理论指导,以提高裸眼封隔器的层段隔离性和分段压裂效果。     

水力裂缝内流场分布的有限元分析

用局部径向流场假设对原一维流场假设进行修正,建立了新的拟三维模型.用有限元方法对缝内的流场分布进行求解,得到了缝内的流线分布及流量沿缝高方向的分布情况,该分布情况与局部径向流场假设所得的分布情况一致.说明了建立的新模型比原拟三维模型有较大改进.新模型考虑了压裂液在缝高方向上的压力降,对于控层较差情况下的缝高预测,比原一维水平流场假设更接近于真实值.     

安塞致密砂岩油藏单砂体刻画与压裂改造

安塞油田多期河道叠加致密砂岩油藏开发中后期, 油井含水量升高, 油层有效动用不均, 整体压裂易出现水窜、水淹现象, 已不适应油田现今的生产状况。针对这一问题, 通过对油水井单砂体进行细分和对比, 建立岩体力学模型和三维应力场分布模型, 结合现场压裂施工参数, 开展单砂体全缝长压裂数值模拟。结果表明, 安塞油田多期河道叠加致密砂岩油藏侧向复合砂体内部单砂体间泥质、钙质物性夹层发育, 形成的应力夹层对压裂裂缝的展布有较好的封隔作用, 即使压裂施工过程中隔夹层产生裂缝, 但随着泵压的降低, 张开的裂缝会随之闭合, 支撑剂并没有进入隔夹层中产生有效裂缝, 油层单砂体间有效动用不均, 60%的层有效动用程度较低。由此提出针对小层内动用程度不高的11 口井的单砂体补孔、重复压裂、堵水、隔采等措施, 经过现场实施, 增产效果明显, 平均日增油1.2 t 以上, 最终形成多期河道叠加致密砂岩单砂体细分与压裂改造的技术方法体系, 对今后类似油藏的开发有借鉴意义。