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。     

低渗油藏径向水力射流压裂裂缝延伸规律

基于扩展有限元法基本理论,建立水力径向射流压裂裂缝延伸三维有限元模型,结合岩石的抗拉破坏准则,研究径向钻孔参数包括钻孔孔径、钻孔方位角及钻孔深度对地层破裂压力的影响。结果表明:随着孔眼直径的增加,起裂压力呈明显的线性降低趋势;地层破裂压力随着射孔方位角的增加而增大,40°为获得地层低破裂压力所允许的临界射孔方位角,优化钻孔与最大水平地应力的最佳夹角不超过40°;不同射孔角度下压裂裂缝扩展规律亦不同。     

射孔方式对压裂压力及裂缝形态的影响

利用大型真三轴压裂模拟试验系统,通过模拟地层条件,监测压裂过程及其压力情况,观察裂缝的起裂及其延伸形态,进行射孔方式对压裂压力及裂缝形态的影响研究。研究结果表明,在地应力的大小和分布确定的情况下,破裂压力随着射孔角度的增大而升高,随着射孔排数的增加而降低。为有效降低地层破裂压力、提高压裂成功率及效果,射孔方位应选择0°方向,射孔密度在套管强度容许的前提下越大越好;单排射孔形成的裂缝形态较为简单,多排射孔形成的裂缝形态较为复杂,裂缝条数增加且形态各异。     

斜井压裂大型真三轴模拟试验研究

通过大型真三轴模拟试验,研究了井斜角,井眼方位角、射孔方式对斜井压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝延伸规律的影响,得到了不同参数条件下裂缝起裂和延伸的直观认识。探索通过定向射孔形成一条平整大裂缝的途径,从而降低水力压裂地层的破裂压力,改善裂缝形态,提高压裂成功率,为优化斜井地层射孔方案及水力压裂设计提供依据。实验结果对于提高斜井水力压裂技术水平,改善压裂增产效果具有重要作用。     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

水力射孔对地层破裂压力的影响研究

水力射孔辅助定向压裂可有效提高低渗透油田压裂效率,明显改善压裂效果.建立了包含地层水泥环套管的水力射孔井的三维力学模型,运用有限元数值模拟方法结合弹性力学理论和岩石的破裂机理,分析了水力射孔参数对地层破裂压力的影响.研究结果表明,沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为4 m-1、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力.研究结果可为水力射孔辅助定向压裂工艺提供参数优选的依据.     

水力射孔对地层破裂压力的影响研究

水力射孔辅助定向压裂可有效提高低渗透油田压裂效率，明显改善压裂效果。建立了包含地层-水泥环-套管的水力射孔井的三维力学模型，运用有限元数值模拟方法结合弹性力学理论和岩石的破裂机理，分析了水力射孔参数对地层破裂压力的影响。研究结果表明，沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为4m^-1、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力。研究结果可为水力射孔辅助定向压裂工艺提供参数优选的依据。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

 斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

高温高压碳酸盐岩地层酸蚀裂缝长期导流能力实验研究

酸蚀裂缝导流能力是评价酸化压裂效果的重要因素;而酸蚀裂缝在高闭合压力下闭合严重,导流能力很低,并且短期导流能力并不能代表生产时的导流能力,所以需要进行裂缝长期导流能力研究。结合托甫台奥陶系高温高压碳酸盐岩油藏的特征,运用高温高压酸化流动仪、FCES—100裂缝导流仪,进行了酸蚀裂缝、加砂水力裂缝、加砂酸蚀裂缝长期导流能力实验,考察了不同闭合压力下三种裂缝的长期导流能力的变化规律。实验所用酸液类型、酸岩接触时间、支撑剂尺寸和铺砂浓度都是通过前期实验优选得到,分别为稠化酸、60 min、40/70目陶粒及3.0 kg/m2。对实验数据进行分析对比,发现在高闭合压力下酸蚀加砂裂缝比酸蚀裂缝导流能力高,水力加砂裂缝比酸蚀加砂裂缝略高。     

大理岩II型断裂规律试验及数值模拟分析

通过对预制裂纹的大理石矩形板的剪切试验,分析了加载方式和预制裂纹的几何参量a/w对岩板产生II型断裂模式的影响.当a/w<0.30时,岩板在2种加载方式下均能沿预制裂纹尖端连线发生II型剪切断裂;当a/w>0.30时,岩板的断裂模式以I型张拉裂纹为主.通过有限元计算所得岩板内部状态参量的分布规律,利用最小二乘法对计算所得的KII因子进行多项式拟合,建立相应边界条件下几何修正函数,并通过试验计算断裂韧度KIIC.最后,利用辅助劈裂试验,验证了a/w对岩板II型断裂的影响的实质是由于岩板的预制裂纹外部的岩石优先开始发生劈裂.     

基于古应力场模拟的多期区域构造裂缝分布预测评价技术—以中国泌阳凹陷安棚油田为例*

天然裂缝是地层中常见的地质构造现象,系统研究目标区储集层裂缝的分布及发育规律,这对于提高井区产能和调整开发方案具有重要的理论和实际意义。以安棚油田深层系为例,介绍基于古应力场模拟的多期次区域构造裂缝分布预测技术。根据各类岩心资料对裂缝的组系特征、力学性质进行解释和评价,结合研究区构造演化特征,进行岩石破裂力学机理分析,明确了研究区裂缝成因类型主要为区域构造裂缝,为本次裂缝的分布预测技术奠定了基础。结合野外岩心裂缝特征、裂缝充填物次生方解石稳定同位素测定及储层岩石声发射实验结果,确定储层岩石的破裂期次。参考研究区的地质、构造、沉积相展布资料,以岩石力学和构造力学理论为基础,对研究区建立地质模型、力学模型,并分期次进行古应力场模拟研究。结合摩尔-库伦岩石强度理论,通过裂缝发育指数和岩石受力破裂程度多元拟合对研究区裂缝进行预测及评价。     

大型刮板输送机哑铃销断裂检测系统设计

通过对中部槽建模仿真分析发现中部槽在推移时的主要变形集中在推移耳部位,哑铃销轨座部位的变形可以忽略不计;因此,哑铃销断裂的主要原因是由于横向推移距离过大。据此建立了一个刮板输送机哑铃销断裂检测的系统,检测哑铃销是否断裂及准确确定断裂哑铃销的位置;并通过支架控制器控制溜槽动作,能实现哑铃销断裂检测以及断裂保护。     

水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态的智能预测

水力压裂作为页岩气储层开采的核心技术,在压裂过程中水力裂缝的扩展会遇到天然裂缝,与天然裂缝相交后压裂缝的扩展特征对缝网的形成有明显影响,从而影响最终压裂改造效果。基于内聚力单元建立了基于断裂力学的页岩气储层渗流-应力-断裂耦合的水力裂缝与多个天然裂缝相交扩展模型,研究了不同天然裂缝倾角、天然裂缝尺寸、应力差、压裂液排量和黏度下水力裂缝与天然裂缝扩展形态规律。采用基于Bagging算法集成支持向量机(support vector machines, SVM)、决策树(decision tree classifier, DTC)、逻辑回归(logistic regression, LR)、K最邻近算法(K-nearest neighbor, KNN)的裂缝形态分类器对裂缝相交扩展形态进行预测,并将Bagging算法预测结果与SVM、DTC、LR、KNN预测结果进行比较。研究结果表明：基于Bagging集成算法对水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态预测准确率达到了92.58%,相较于单个算法,最高提升了17.95%,其中应力差越小、天然裂缝倾角、裂缝尺寸越大和压裂液排量、黏度越低越容易产生剪切缝,...     

老井开发对加密井水力压裂裂缝扩展的影响规律

随着页岩气的开发,对已有水平井井网加密将会是后期开发的关键。老井的持续开采会引起地层孔隙压力和地应力的重新分布,地应力的重新分布对裂缝扩展行为和路径造成显著影响。为了探究地应力的重新布对裂缝扩展行为的影响机制,本文基于块体离散元数值模拟方法,针对老井开采后地应力场变化对加密井水力裂缝扩展的影响特征开展研究。本研究综合考虑了注液速率,压裂液粘度、地应力梯度和初始地应力场等因素对水力裂缝扩展的影响。结果表明,老井引起的地应力降低会导致新井水力裂缝向老井偏移。提高注液速率,增大压裂液粘度可以有效降低地应力非均匀导致的水力裂缝偏移问题。地应力梯度越大、初始地应力越高,水力裂缝的偏移率越高。本研究对页岩气水平井加密方案制定具有一定的理论指导意义。     

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.     

剪切荷载作用下砂岩断裂面粗糙度三维统计分析

利用自主研发煤岩剪切-渗流耦合实验装置与三维立体扫描仪对剪切荷载作用下砂岩断裂面粗糙度三维统计信息进行了实验研究,从其断裂面扫描直观图、断裂面等高线分布图、断裂面剖面轮廓线等方面探讨了剪切荷载作用下砂岩断裂面三维粗糙度分布特性.结果表明:砂岩在剪切荷载作用下发生断裂破坏时,其变形特性曲线变化趋势一致,断裂面直观特征存在个体差异,但断裂面粗糙高度分布均近似于正态分布;沿剪切方向与垂直于剪切方向剖面轮廓线特征不同,不能反映断裂面整体特征;分析了粗糙度参数JRC,RL与RS之间关系,JRC值与RL值之间呈近似线性关系,RS值与JRC平均值线性拟合度相对于JRC与RL值线性拟合度更好,JRC平均值更能反映断裂面整体三维特征.     

复杂裂缝支撑剂转向规律研究

复杂裂缝技术是页岩等非常规油气藏成功开发的关键之一,目前研究大多针对如何提高缝网复杂度,对于复杂裂缝形成后支撑剂能否进入各级分支缝的问题仍不明晰,数值模拟、室内实验提供了部分定性认识,但缺乏归纳总结形成定量规律,特别是还没有工程可用的数学模型为支撑剂粒径、压裂液排量选取提供理论依据。基于此研究现状,本文针对多级、多尺度复杂裂缝系统,提出液量分配模型以及支撑剂转向输运条件,对支撑剂在复杂裂缝内的输运行为进行预测,并采用数值模拟对模型进行验证,结果显示相较于前人模型,本文模型的预测精度更高。同时澄清了分支裂缝夹角对于液量分配的影响本质是对于分支裂缝缝宽的影响。最后应用该模型定量研究了天然裂缝开启程度对于压裂液分配情况以及支撑剂输运效果的影响,为现场支撑剂粒径、压裂液排量选取提供理论依据。     

Al2O3陶瓷的激光辅助磨削机理

针对氧化铝陶瓷难加工、加工表面质量差等问题,进行了激光辅助热磨削加工的研究.根据氧化铝陶瓷的热物理性能参数,分析了激光辅助磨削热加工机理,搭建激光辅助磨削加工实验系统,进行激光辅助磨削与常规磨削加工实验.采用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦分析加工后的工件表面.结果表明:采用激光辅助磨削加工氧化铝陶瓷可改变材料的去除方式,使陶瓷的脆性去除变为塑性去除;与常规磨削加工相比,加工表面形貌脆性断裂减少,表面粗糙度值更低,表面质量更好,砂轮使用寿命延长.