基于PHF-LSM模型岩石分段水力压裂应力阴影效应

采用PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture-level set method)水力压裂数值计算模型,模拟并分析了均质与分层岩石材料中分段压裂过程引起的应力阴影效应.通过与单一裂缝诱发应力理论解的对比,验证了PHF-LSM考虑应力阴影效应的可行性.以此模型为基础分析了单一裂缝发展过程中,岩石材料参数与初始应力条件对诱发应力场的影响,以及均质与分层岩石材料的多裂缝起裂过程中不同压裂间距与压裂顺序产生的应力阴影效应.数值计算结果表明:泊松比、抗拉强度与孔隙率的增加会增大裂缝引起的诱发应力与净压力比值的峰值,而弹性模量和水平主应力差的增大会减小该峰值;裂缝间距的扩大可以减弱裂缝间应力阴影效应;两步压裂与顺序压裂的裂缝总面积均大于同时压裂时的面积,但顺序压裂与两步压裂会带来更高的起裂压力;产层厚度与压裂间距的减小会增大应力阴影效应.     

基于PHF-LSM法非均质岩石水力裂缝等效几何特征计算方法

基于渗透率修正和水平集法的水力压裂数值计算模型(permeability-based hydraulic fracture-level set method, PHF-LSM)是以Biot固结理论为基础建立一种弥散裂缝模型.模型是通过弱化开裂及损伤区域岩石材料性质来模拟裂缝的发展过程,因此求解过程中无法给出水力裂缝的几何特征.依据水力裂缝传播过程中的平均有效应力场分布建立PHF-LSM方法的水力裂缝的等效路径和等效高度;依据等效传播路径周围位移场计算水力裂缝的等效开度,并通过与KGD理论模型对比进行验证所提方法的有效性.计算了均质和非均质岩石材料中裂缝等效几何特征的动态发展特性.结果表明,所提出的等效计算方法弥补了PHF-LSM无法得到水力裂缝几何特征的不足.     

基于EPHF模型均质多孔岩石材料水力压裂特性

基于流固耦合理论,在基于渗透率的水力压裂(PHF) 模型基础上建立了扩展渗透率的水力压裂(extended permeability-based hydraulic fracture,EPHF) 模型.该模型假设岩石材料在开裂过程中渗透率的改变为平均有效应力的函数,采用多孔介质弹性本构关系和Drucker-Prager塑性模型描述岩石材料开裂前后的力学行为,孔隙流体采用达西定律描述.引入LET模型和混合黏滞系数考虑等效开裂区域内由压裂液与原液体混合引起的渗透率修正.分析了抗拉强度对关键位置的水压力和应力路径发展过程的影响,以及等效开裂区域和裂缝高度随注水时间的变化过程.结果表明:裂缝路径上的点(不含注水点) 的水压力先降低后增加至传播压力;当有效应力差和初始水压力同时保持不变时或当总应力不变时,起裂压力随有效应力比的增加而降低.     

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟. 在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性. 最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径. 模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.     

节理粗糙度对应力-渗流耦合特性影响试验研究

通过对3种不同粗糙度的人造节理试件进行压剪条件下的应力-渗流耦合特性试验,分析了剪切应力、法向位移、节理水力开度及透过率在剪切过程中随剪切位移变化的趋势和规律,获得了节理粗糙度对应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理表面粗糙度是节理特性中对岩体力学和水力学性质有重要影响的指标之一,当节理面在开始产生较小的剪切位移时,节理的应力、位移和水力开度及透过率等特性会产生较大变化,而节理表面粗糙度越大,对节理应力-渗流耦合特性影响越明显。     

复杂裂缝性致密油藏注水吞吐数值模拟及机制分析

为了研究复杂裂缝性致密油藏注水吞吐机制和开发规律,基于嵌入式离散裂缝模型,建立考虑应力敏感和启动压力梯度效应的油水两相渗流模型及数值模拟方法,并分析应力敏感、启动压力梯度及注水吞吐参数对开发的影响。结果表明:应力敏感和启动压力梯度效应会降低致密油藏的开发效果;随吞吐轮次的增加,开发效果变差;焖井时间的增加会使相同吞吐轮次下的产油量增加,但平均采油速度降低;注入速度的增加对提高吞吐开发的效果最为显著;提出的模型和计算方法可用于计算复杂裂缝形态下致密油藏开发,提供更加准确的指导。     

基于孔隙弹性力学理论的致密油气藏储层改造体积预测方法

储层改造体积预测对于致密油气藏体积压裂改造效果评估和施工参数优化设计具有重要意义。基于孔隙弹性力学理论和半解析的三维位移不连续法,综合考虑水力裂缝诱导应力,压裂液滤失引起的地层孔隙压力变化及其诱发的孔隙弹性应力的耦合效应,建立水力裂缝干扰模型下的地应力场预测模型,采用最大张应力强度准则和莫尔-库伦强度准则表征天然裂缝的张开与剪切破裂行为,将天然裂缝张开、剪切破裂波及体视为储层改造体,提出了一种预测致密油气藏直井体积压裂储层改造体积的半解析方法。研究结果表明：水力裂缝诱导应力和压裂液滤失引起的孔隙压力和孔隙弹性应力变化导致水力裂缝附近区域内的原始三向地应力发生改变,变化区域呈现椭球状;岩石本体破裂行为仅发生在水力裂缝边缘处的小范围区域内,天然裂缝的张开、剪切破裂才是形成储层改造体积的关键;实际储层改造体积形状近似于椭球体,现阶段现场常用的长方体等效方法并不合理;实例井研究验证了本方法的准确性与工程应用价值,可为致密油气藏体积压裂施工参数优化设计和压后产量预测提供有利的参考。     

水力裂缝扩展对天然断层活动性的影响

为揭示水力压裂对天然断层活动性的影响,根据实际工程地质资料建立应力-渗流耦合数值模型,模拟水力压裂诱发断层活动.分析水力裂缝与天然断层的相互作用,研究压裂过程中断层滑移、孔隙压力分布以及震级的演化规律.研究结果表明:水力裂缝可能扩展至上覆断层,裂缝尖端的张应力将导致断层与裂缝交叉附近出现接触应力和剪切应力集中,导致断层...     

缝洞型油藏裂缝内油水两相流动特征研究

基于缝洞型油藏裂缝的多尺度性,设计制作不同开度的裂缝模型,开展裂缝内水驱油可视化实验,分析重力分异、注水流速、驱替方向、裂缝开度等因素对油水流动形态与驱油效果的影响。研究结果表明:裂缝开度和注水流速会影响油水流动特征。水平方向驱替过程中,较低流速时注入水主要波及裂缝底部,存在最优注入流速使得水驱波及效果最优。垂直方向驱替过程中,随着注水流速的增加,水驱前缘由活塞式向非活塞式过渡,并逐渐出现前缘舌进现象。基于实验结果,建立垂直驱替时裂缝中油水两相流动形态识别图版,可用于预测不同裂缝开度和注水流速条件下裂缝内水驱油流动形态。     

考虑应力敏感和水力裂缝方位角的页岩产能模型

产能预测对页岩气的高效合理开发有着重要的作用，而目前国内外对于页岩气分段压裂水平井产能的研究没有同时考虑到天然裂缝应力敏感和水力裂缝形态及渗流特征对产能的影响。为此，根据双重介质渗流理论，综合考虑了页岩储层的吸附解吸、扩散运移、天然裂缝的应力敏感效应，建立了页岩储层渗流模型；同时考虑水力裂缝的有限导流能力、裂缝方位角等因素，利用点源函数方法将裂缝离散，之后叠加建立水力裂缝模型，最后将两种模型耦合得到页岩气藏压力水平井不稳定渗流模型和产能模型。根据已建立的页岩气压裂水平井产能模型，编程计算出产能特征曲线；通过对比模拟结果分析出，与实例类似的页岩气压裂水平井的最优水力裂缝导流能为15~18 D·cm，最优缝长分布方式为外高内低的U型，最优水力裂缝间距分布为等间距分布；模拟结果与页岩气井的现场数据的对比，也验证了该模型的准确性。该研究对页岩气开发有着重要的指导意义。     

高压水载荷下煤体裂缝的起裂判据及延展规律

为对水力压裂煤体裂缝的起裂判据作定量计算,根据弹性力学理论,分析了注水钻孔周围的应力状态,给出了水平和垂直裂缝产生时注水压力的计算模型;探讨了裂缝扩展的方向以及其扩展所需要的泵注压力;采用自制的高水载荷下煤体裂隙生成及延展模拟装置在实验室模拟了不同围压和轴压加载下条件下煤体起裂的临界注水压力及裂隙生成和延展的方向.实验研究表明:泵注压力克服最小主应力与煤体的抗拉强度之和时,煤体开始破裂;裂隙总是沿着最大主应力的方向发展.实验模拟结果和理论分析相吻合.     

构造裂缝多参数定量计算模型

以裂缝在古应力场中产生、在现今应力场被改造为研究路线,以应变能、表面能理论为基础,选用库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据,建立造缝期古应力场及现今应力场三向挤压应力状态及有张应力存在情况下裂缝参数计算模型,并用此模型进行实例分析计算.结果表明:现今应力场中难以产生裂缝,裂缝体积密度、线密度与古裂缝相同,现今裂缝开度及渗流性能受作用在裂缝面上的正应力及剪应力影响,相比古裂缝参数有明显变化;石港油田阜二段断层附近为储层裂缝发育密集区,裂缝开度、孔隙度及渗透率等参数高值区主要位于靠近断层的构造高部位.     

三维应力下岩石节理面的渗流特性

基于渗流场与应力场的耦合关系,从侧向应力引起的侧向变形入手,经过合理的理论推导,给出能够反映节理面在三维应力作用下渗流特性的等效水力张开度-应力公式;根据室内物理试验数据拟合理论公式得到水力张开度的表征经验公式,给出理论公式应用于实际工程的方法,并利用数值试验佐证该公式的合理性;采用3DEC程序进行三维应力作用下节理面渗流数值试验,为利用3DEC进行类似研究提供有益借鉴。     

体积压裂致密油藏注水吞吐产能影响因素

致密油藏储层致密,地层压力系数一般较低,开发非常困难,而注水吞吐对补充油层压力和实现稳产具有明显优势.针对体积压裂致密油藏,采用嵌入式离散裂缝模型描述复杂体积压裂缝网,建立考虑应力敏感和启动压力梯度的致密油藏油水两相渗流模型,并采用有限体积法建立相应的数值求解方法.通过数值模拟方法模拟了12个吞吐轮次下单个压裂段致密油藏的开采过程,分析了基质和裂缝性质对致密油藏注水吞吐开发产能的影响.研究结果表明:当基质渗透率、微裂缝渗透率和微裂缝密度升高时,基质中含水饱和度波及范围变大,累积采油量显著升高;水力裂缝渗透率升高对基质含水饱和度分布影响不大,但累积采油量明显上升,而当水力裂缝上升到一定程度时,累积采油量上升幅度变小.可见基质和裂缝性质对致密油藏注水吞吐开发效果均有显著的影响.     

考虑天然裂缝影响的低渗透气藏产能分析

低渗透气藏可能存在一定的天然裂缝发育区,同时它所体现出的非达西渗流效应也会影响其流入动态,导致其产能特征与常规气藏大相径庭,从而影响气井产能的合理评价,因此亟需建立一套适用性广且能准确描述气藏真实情况的流入动态模型。本文从低渗透气藏非达西渗流机理出发,将地层划分为3个流动区域,并基于稳定渗流及连续介质理论,利用水电相似原理及等值渗流阻力法,通过对天然裂缝系统的简化,建立了考虑天然裂缝、启动压力梯度、应力敏感效应等影响下的低渗透气藏天然裂缝的等效渗流模型。通过模型对各影响因素分析的结果表明:应力敏感效应对产能的影响远远大于启动压力梯度;裂缝距井筒越近,产能的增加幅度越大;开发中后期天然裂缝闭合导致的产能下降不容小觑。     

非贯通节理岩体等效强度及破坏特性

应用PFC2D数值模拟软件,选取适当的细观力学参数,建立非贯通节理岩体试样数值模型并进行双轴试验,设置监控圆监测岩体压缩过程非贯通节理面上不同位置应力及其变化情况。以莫尔-库仑强度准则为基础,对非贯通节理的等效强度参数进行推导,提出含非贯通节理的岩体等效强度公式。建立等效岩石试样和节理岩体试样数值模型进行双轴压缩试验,对含非贯通节理岩体等效强度进行数值模拟。研究结果表明:双轴压缩过程岩桥上应力大于相同时刻节理面上的应力,且岩桥达到峰值强度时节理面并没有达到峰值强度。等效强度公式计算得到的非贯通节理岩体强度与数值模拟得到的强度比较接近,应力-应变曲线基本一致。     

基于PHF-LSM-MT的非均质岩石细观界面与水力压裂数值建模

基于PHF(permeability-based hydraulic fracture)模型，采用水平集方法(level set method，LSM)描述材料边界分布，并用多尺度方法MT模型，对材料有效参数进行均匀化，建立适用于考虑非均质岩石材料细观界面特征分布与水力裂缝动态发展过程的PHF-LSM-MT数值计算模型.该模型解决了已有PHF-LSM模型无法精确描述积分点作用范围内细观尺度材料分布特征的问题.通过比较包裹体几何分布和体积分数影响下的有效弹性参数，验证了采用MT模型均匀化细观特征的可行性;在此基础上，对非均质岩石水力裂缝发展过程进行研究，得到了考虑细观界面特征情况下的裂缝发展过程，探讨了等效开裂区域影响范围内关键位置的水压力变化特征和应力路径发展过程.     

裂缝性地层中水平井压裂裂缝起裂新模型

对裂缝性地层中的水平井进行水力压裂时,井筒附近的天然裂缝会对压裂产生影响。现有压裂裂缝起裂压力计算模型所考虑的影响因素各有侧重,且尚未考虑井筒附近天然裂缝产生的诱导应力场对起裂压力造成的影响。本文基于弹性力学及岩石力学理论,综合考虑了井筒周围天然裂缝的诱导应力、压裂液渗滤效应、岩石温度变化、封隔器影响等因素,建立了一个适用于裂缝性地层中的水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,且计算简便便于推广。本文根据实例计算分析了天然裂缝影响起裂压力的各个因素,并进行了对比。计算结果表明,一定条件下井筒周围天然裂缝对起裂压力影响明显,采用以前的起裂压力计算模型误差较大。     

断续节理岩体尺寸效应的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过统计宏观节理分布,建立包含随机节理的岩体模型。在不同尺寸的模型中,通过改变节理倾角、围压等,建立不同数值试样,试验研究岩体的节理倾角和应力水平对尺寸效应以及岩体力学参数的影响规律。结果表明:在随机节理岩体中,裂纹的萌生与贯通更容易发生在节理密集的薄弱面内,即优势破坏面;节理倾角对岩体的尺寸效应影响巨大,不同倾角下的节理岩体的特征尺寸与特征强度有很大差异,节理倾角β为60°、45°、30°时影响较为明显,β为75°、15°时影响较弱;模型尺寸为0.5 m×0.5 m时极限强度离散较大,随着尺寸的增加逐渐集中,整体的破坏模式由脆性破坏向渐进劣化转变,同时应力-应变曲线更加平缓;围压施加后,节理岩体仍然具有明显的尺寸效应,特征尺寸与特征强度均有所提高,降低主次优势破坏面之间的差异,会使更多裂纹在次优势破坏面中发育。     

压裂裂缝间距优化设计

在多裂缝压裂设计中,如何合理设置水力裂缝间距、最大限度形成缝网是储层改造过程中的关键问题.水力裂缝的形成会在裂缝周围产生诱导应力使得储层的应力差得到改善.根据单条水力裂缝诱导应力的解析解提出一种简便的裂缝间距设计方法,从而能最大限度促进复杂缝网形成.以平面二维水力裂缝的线弹性应力场为基础,采用应力叠加的方式来计算,通过调整水力裂缝间距将储层应力差缩小至能够形成缝网的范围以内,构建最佳的射孔簇间距.当单条水力裂缝净压力足以使原有水平主应力方向发生反转时,应力反转区的宽度即为最佳裂缝间距;当单条水力裂缝不足以使水平应力发生反转时,可通过两条裂缝间诱导应力的叠加协同效应,使得裂缝之间地层的水平地应力差降低至缝网形成的门限应力差以内,使中间新插入的裂缝能够形成网状裂缝,据此来进行缝间距优化;当进行多级压裂时,所有水力裂缝所产生的诱导应力可以依次相互叠加获得,然后进行裂缝间距优化;通过研究,提出储层改造的最佳裂缝距的计算方法,可为水平井多级压裂工艺参数的优化设计提供参考.