页岩气储层水力压裂机理研究

水平井分段压裂技术是现阶段页岩气成功开发的关键技术,并逐渐形成了一系列以实现"体积改造"为目的的页岩气压裂技术,其"体积改造"的理念颠覆了经典水力压裂理论,是现代非常规储层压裂理论发展的基础。到目前为止,页岩气储层水力压裂缝网形成与扩展机理等基础理论还不完善;通过室内大型真三轴水力压裂物理模拟实验,在室内模拟出含裂缝的页岩地层,研究了裂缝性地层水力压裂过程中天然裂缝对水力裂缝扩展的影响;并分析了水力裂缝在该类型地层中的扩展模式及其影响因素。     

水力裂缝高度关键影响因素不确定性分析

为揭示压裂施工中水力裂缝在层状地层中的穿层规律,根据测井资料建立平面应变模型,针对压裂过程中裂缝高度的动态变化,通过飓风分析筛选出控制裂缝高度的关键参数,利用Box-Behnken试验设计结合响应面分析法建立统计预测模型,并揭示了各关键参数的统计显著性.研究结果表明:隔层与产层的应力差和弹性模量差是控制裂缝高度的关键影响因素,高地应力、低弹性模量的上覆泥岩层会使得裂缝高度减小,将裂缝有效的遮挡在储层内.研究结论可根据缝高预测模型开展缝高优化设计,预测理想缝高对应的参数组合,指导压裂设计.     

预制裂缝角度对页岩水力压裂效果影响分析

水力压裂是页岩气储层增透开采核心技术,预制裂缝是提高水力压裂效果的主要手段.为了分析不同预制裂缝角度对水力压裂效果影响规律,建立页岩气水平井预制裂缝二维力学模型,考虑水力压裂压强、气藏埋深及侧压比因素,提出了最佳预制裂缝角度区间概念.以水力压裂有效影响面积为指标,确定了最佳预制裂缝角度区间.结果表明:水力压裂压强、侧压比、不同气藏深度下水力压裂有效影响面积均随预制裂缝角度而变化,且变化规律具有一致性.最佳预制裂缝角度区间为55°~65°,水力压裂效果最好;预制裂缝角度为90°时,水力压裂效果次之;预制裂缝角度40°、70°时,对压裂效果影响面积最小,水力压裂效果最差.随水力压裂压强增大,有效压裂影响面积增大,但压裂影响的增加幅度逐渐减小.     

压裂液对油页岩裂缝扩展影响的数值模拟

压裂液在油页岩水力压裂裂缝扩展过程中扮演着重要的角色,因此获得压裂液对油页岩水力压裂裂缝扩展的影响规律对油页岩水力压裂技术的发展有着巨大的推动作用。文章选取羟丙基胍胶稠化剂配制成了不同含量的压裂液基液,并测量了其粘度。然后,基于XFEM裂缝扩展分析方法和压裂液对油页岩裂缝扩展的影响模型,采用Abaqus数值模拟软件,对吉林省汪清地区的油页岩进行了不同粘度和不同排量压裂液条件下的裂缝扩展仿真模拟。分析模拟结果发现,水力压裂裂缝在油页岩中扩展时,压裂液排量是影响裂缝扩展的主要因素,而压裂液粘度对油页岩裂缝扩展的影响很小;随着压裂液排量的增加,裂缝的长度和宽度迅速增大,其扩展速率亦随排量增加而增大;到水力压裂后期,裂缝长度和宽度逐渐趋于常值,即压裂液对裂缝扩展的影响逐渐变小。     

页岩储层水平井分段压裂裂缝间距设计方法及影响因素分析

水平井分段压裂技术在页岩储层中广泛应用。多级裂缝间的相互作用对裂缝周围的应力转向有很大的影响,如何优化裂缝间距是一个亟待解决的关键问题。以KGD水力裂缝模型为基础,建立了水力裂缝周围诱导应力场的计算模型和分段压裂裂缝周围复合应力场的计算模型。以水平最大主应力的偏转角、分段压裂段数极限、压裂井段总长度为判断依据,形成了水平井分段压裂裂缝间距设计方法。实例计算表明:裂缝间距与裂缝半长、原水平主应力差、裂缝内压有一定关系;在顺序分段压裂中,后压裂的裂缝间距应大于之前的裂缝间距。     

页岩储层水平井分段压裂裂缝间距设计及影响因素分析

水平井分段压裂技术在页岩储层中广泛应用。多级裂缝间的相互作用对裂缝周围的应力转向有很大的影响,如何优化裂缝间距是一个亟待解决的关键问题。以KGD水力裂缝模型为基础,建立了水力裂缝周围诱导应力场的计算模型和分段压裂裂缝周围复合应力场的计算模型。以水平最大主应力的偏转角、分段压裂段数极限、压裂井段总长度为判断依据,形成了水平井分段压裂裂缝间距设计方法。实例计算表明：裂缝间距与裂缝半长、原水平主应力差、裂缝内压有一定关系;在顺序分段压裂中,后压裂的裂缝间距应大于之前的裂缝间距。     

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。     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。     

注水井压裂调剖设计方法研究

对对低渗透油田,主要通过水力压裂提高油水井的增产增注能力,区块经过整体压裂改造后,水力裂缝参数将对油不井的产量起决定性作用。对于多油层非均质油藏,层间差异会导致吸水剖面不均匀,影响水驱效率。对需要经过压裂再投注的注水井,建立了压裂后预测注水井注入量的数值模拟,分析了各层注入量与地层物性、裂缝参数和注水压力的关系。研究结果表明,通过合理地设计裂缝参数,可以缓层间矛盾,改善吸水剖面。现场试验８口井,其     

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。     

利用测井资料预测判断水力压裂裂缝高度

水力压裂裂缝的高度与压裂施工时采用的方案密切相关,是对储层酸化压裂效果评价的重要参数。以前对此的预测和评价都没有较好的量化方法,只能根据施工后的参数进行定性评估。经过研究,利用阵列声波资料、过套管交叉偶极横波测井资料,可准确地预测和检测水力压裂裂缝的缝高,从而可以定量地对压裂施工作业进行指导和评估。应用实例表明,该方法可以有效地预测水力压裂裂缝延伸高度。     

裸眼水平井压裂裂缝高度确定方法

通过分析不同压裂裂缝监测方法对裸眼水平井压裂缝高的确定作用,将套管完井的直井井温测井数据和裸眼水平井压裂地面微地震监测数据相结合,提出了裸眼水平井压裂裂缝高度计算模型,并给出了模型有效性的验证方法。最后,通过现场实例对该模型进行了验证。实例表明,该模型可以较为准确地对裸眼水平井压裂缝高进行预测,对裸眼水平井压裂优化设计具有实际的指导作用。     

对压裂裂缝监测结果的质疑及井网参数的改进

作为人工压裂缝监测的一种有效手段,微地震监测技术能够定量表征压裂裂缝的方位、缝高、缝长、缝宽,为水平井的井网参数设计和分段压裂参数的设计提供了有力的技术支撑。但是在实际应用过程中,存在着大量微地震解释结果与矿场分析结果相矛盾的情况,本文从矿场压裂施工曲线特征、压裂施工井口返液情况、重复压裂效果、水平井注采反应特征等方面与微地震定量解释结果进行对比分析,指出了缝高、缝长、缝宽等参数量化解释结果存在明显偏大的倾向,讨论了量化结果偏大产生的原因,提出了进一步对水平井井网和分段压裂参数进行优化的方向,优化后的实践结果验证了优化方向的正确性。     

多岩性储集层暂堵压裂缝高扩展特征试验研究

针对多岩性组合储集层的裂缝高度扩展问题,通过制备不同岩性的人工试样,并开展了室内压裂物理模拟试验,同时加入暂堵剂,分析不同岩性差异、射孔位置及排量下的水力压裂缝高扩展特征,创新了试样压后三维裂缝重构方法。结果表明：不同岩性组合试样下的主要缝高截止机制由岩石力学性质所决定,高杨氏模量岩层会阻挡缝高穿层。当层间力学性质差异较小时,裂缝发生转向扩展突破,缝高发生穿层;当层间力学性质差异较大时,裂缝扩展限制于同一岩层,缝高难以突破岩层界面。低排量下,缝高截止于应力区分界面,暂堵压裂后,裂高继续延伸突破高应力区;高排量下,裂缝沿最小主应力横向扩展,加入暂堵剂发生,裂缝转向形成新的裂缝。当射孔位置居上时,试样缝高倾向于向上扩展,暂堵压裂后形成新的起裂点;射孔位置居下,缝高扩展贯穿整个试样,暂堵压裂后形成相平行的新裂缝。研究结果为多岩性组合储集层现场压裂方案设计提供了室内试验指导。     

压裂水平井裂缝参数优化研究

裂缝是影响压裂水平井产能的主要因素,为了成功的压裂水平井,在压前的施工设计中要充分考虑裂缝参数的优化.利用电模拟实验研究了裂缝参数与压裂水平井产能的关系,所考虑的裂缝参数包括水平井筒与裂缝夹角、裂缝长度、水平井筒长度、裂缝数目、裂缝位置及裂缝间距等.研究表明产能随水平井筒与裂缝夹角的增大而增大,超过45°后产能增加的趋势变缓;产能随裂缝长度的增加而增加,但在具体的油藏地质条件下存在最优的裂缝长度和水平井筒长度的匹配;实验中压裂水平井的最优裂缝数为3~5条,其中外裂缝对产能的贡献最大;产能随裂缝间距的增大相应增加.裂缝参数的优化研究可为压裂水平井的施工设计提供理论性指导.     

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。     

基于流-固耦合的压裂裂缝形态影响因素分析

压裂裂缝形态易受储层物性、地应力、施工参数及压裂液黏度的影响.基于多孔介质流-固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用cohesive黏结单元模拟压裂过程中裂缝起裂、扩展造成的损伤,以此建立水力压裂垂直裂缝扩展的三维有限元模型.模型可以对垂直缝扩展进行动态模拟,定量描述压裂过程中裂缝长度、高度、宽度.通过模拟发现:①储隔层弹性模量差值较小、施工排量过大、储隔层最小水平主应力差值较小均可能造成泥岩穿层,裂缝长度急剧下降,严重影响压裂效率;②渗透率对裂缝长度的影响最大,高弹性模量、低渗透的储层容易造长缝,但是高弹性模量、高渗透或高滤失的储层裂缝长度较短;③弹性模量对裂缝宽度的影响最大.     

裂缝三维非对称延伸模型的建立及加砂程序的确定

油气层水力压裂时,所产生的裂缝将在长、宽、高三方向同时延伸。为了提高压裂设计的准确性和施工的成功率,本文建立了水力压裂裂缝三维非对称延伸的数学模型。该模型考虑了注液过程中的井筒温度变化和裂缝中的热交换对裂缝几何形态的影响。在此基础上,根据各段裂缝所需的导流能力,确定了各段裂缝填砂所应具有的面积浓度,以及相应的地面各注入段的砂比。     

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。     

基于最优支撑剂指数法优化低渗气藏裂缝参数

现行裂缝参数设计方法没有考虑以压后有效渗透率为设计参数,也没有考虑经济允许的最佳压裂规模,因此不能确保压裂效果的长效性与经济性。基于支撑剂指数法,以经济最大化为目标,考虑非达西流动效应与压裂液伤害对裂缝渗透率的影响,结合经济因素、油藏规模、压裂规模间相互关系得到最优支撑剂指数函数,压裂已知规模气藏时,通过该关系函数可确定唯一的最优支撑剂指数及最优缝长,通过迭代求解可得到非达西流动条件下最优裂缝参数。计算结果表明,非达西流动效应越严重,最优支撑剂指数越小,最优缝长越小,最优缝宽越大,降低裂缝内非达西流动效应的影响需要设计低穿透比和高导流能力的裂缝。