页岩气储层压后返排特征及意义

为制定科学的页岩气储层压后返排策略,基于威远地区龙马溪组36口页岩气井压后返排数据,分析压后关井对产量的影响以及返排过程两相流阶段性特征,同时进行页岩气储层液相支撑验证实验。结果表明:压裂液在主压裂结束后一定时间内仍然发挥造缝作用,一定时间的关井有利于提升气井累积产气量期望值;页岩气储层压后返排气液两相流阶段出现气增液降特征点是高产气井的共同特征,根据两相流阶段特征可初步评估气井产气能力;滞留压裂液在页岩储层微细裂缝网络中具有液相支撑作用,使气相渗透率不是含水饱和度的单调函数,存在最优返排率使气相渗透率最大化;可以采用以追求气相渗透率最大化为目标,以控压、控速为原则的页岩气储层压后返排策略。     

考虑氧化作用的富有机质页岩吸附水量

页岩气井大型水力压裂后压裂液返排率普遍较低,滞留压裂液可能诱发页岩产生裂缝,但在水力裂缝与天然裂缝中占据有效气体传输通道,影响压裂效果。选取四川盆地龙马溪组典型富有机质页岩,采用填砂管与粒状页岩模拟体积改造的页岩气层,开展了蒸馏水与氧化液体积改造后页岩气层吸附水量的对比实验,明确了氧化对压裂液渗吸分散到裂缝附近基块孔隙的作用与机理。结果表明,与蒸馏水相比,氧化作用可以增强页岩渗吸分散水相作用,降低页岩孔隙空间内的自由水量,增加页岩吸附水量;富有机质页岩氧化作用消耗有机质,分解有机黏土复合体,裂缝与孔喉壁面更多的黏土矿物接触压裂液,增加黏土矿物吸附水量,降低裂缝面及基块孔隙含水饱和度,释放渗流空间。建议根据具体工程地质特征,优选氧化性流体的加入时间及用量,充分发挥滞留氧化性压裂液的造缝能力,促进压裂液渗吸分散,实现压裂液少返排或零返排,增大气体在裂缝中有效渗流通道。     

考虑非达西和气水相渗的页岩气支撑裂缝缝内气相导流能力研究

水平井分段压裂是页岩气有效开采的关键技术之一,压后支撑裂缝成为页岩气渗流的重要通道。页岩气压后产量大,并伴有压裂返排液或地层水的产出,缝内呈现非达西气水两相渗流状态。本文通过修正支撑裂缝导流能力的测试行业标准,建立了气测非达西渗流支撑裂缝导流能力计算模型,通过实验数据证实了考虑非达西效应后导流能力下降幅度约为50%;同时本文基于支撑裂缝气水两相渗流相渗计算公式预测了不同含水饱和度和束缚水饱和度下气相导流能力均呈现不同程度的下降趋势;研究认为页岩气压裂施工设计时不宜采用传统行业标准进行优化,应确定支撑裂缝导流能力的真实值。     

页岩气井体积压裂自支撑裂缝对开发效果的影响

为明确页岩气井体积压裂后不同类型水力裂缝对于开发效果的影响,将复杂缝网划分为有效支撑裂缝和自支撑裂缝开展研究,通过实验评价了受压条件下自支撑裂缝导流能力变化规律,根据页岩压裂微地震解释数据还原了裂缝形态并建立了分区渗流模型,在产量拟合基础上进一步分析了自支撑裂缝等效导流能力及其对开发效果的作用。结果表明:受压条件下自支撑裂缝仍存在一定的导流能力,能够为气体流动提供有效通道。基于24口页岩气压裂水平井产量拟合结果,得到压裂形成的有效支撑裂缝区等效导流能力为3～7μm~2·cm,自支撑裂缝区等效导流能力为0.8～1.2μm~2·cm,且两者存在一定程度的正相关性。页岩气井体积压裂形成的大量自支撑裂缝对于压后效果有积极贡献。     

页岩自吸实验及其在返排分析中的应用

人工复杂缝网壁面压裂液自发吸入页岩基质是导致页岩储层压裂返排率普遍较低的一个重要原因,目前尚未发现有效的评价压裂液返排率的方法。针对渝东南下志留龙马溪组页岩开展自发渗吸实验,深入分析页岩层理、KCL溶液和阳离子表面活性剂对自吸速率和能力的影响,并提出了一种基于自吸速率预测页岩储层压裂液返排率的方法。结果显示,页岩平行于层理方向的自吸速率明显高于垂直于层理方向的自吸速率;质量分数为10%的KCL溶液对粘土有较好的抑制性,能够降低自吸速率和自吸能力;阳离子表面活性剂通过改变溶液的表面张力和润湿性,从而降低自吸速率和自吸能力。此外,页岩气井闷井期间的压裂液吸收主要与压裂液性质、人工缝网表面积和闷井时间有关。压裂液的吸入量随着闷井时间增加而增加,初期20 d压裂液吸收速度较快,后期慢慢变平缓;压裂过程中形成的人工缝网表面积越大,则闷井期间的压裂液吸入量越高,返排率越低。该项研究对于页岩气井产能预测、压裂液选型以及返排措施制订具有重要意义。     

注液速率及压裂液黏度对煤层水力裂缝形态的影响

注液速率及压裂液黏度是煤层气井压裂设计中两个重要的可控参数,其不仅影响水力裂缝起裂压力及压裂施工压力,而且控制水力裂缝形态。采用鄂尔多斯盆地东南缘大宁-吉县地区天然煤岩,基于试验室物理模拟试验研究注液速率及压裂液黏度对水力裂缝形态及施工压力的影响。结果表明:注液速率及压裂液黏度较小时,主裂缝与分支缝连通形成沿最大水平主应力方向的复杂裂缝网络系统;随着注液速率及压裂液黏度的增加,水力裂缝复杂程度降低,形成平直单裂缝。提高注液速率或压裂液黏度会增大施工压力。对注液速率及压裂液黏度进行合理控制,可先在井筒附近生成平直裂缝,后在远离井筒处生成复杂裂缝网络,有利于增大煤层气单井排采体积。     

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。     

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。     

一种评价页岩储层压裂液吸收的新方法

压裂液在毛细管力作用下自发吸入地层是导致页岩储层体积压裂返排率普遍低于30%的主要原因之一,有效评价页岩储层对压裂液的吸收是体积压裂优化设计、返排制度建立以及水锁伤害程度评估的基础,目前国内外尚未发现有效的评价方法。针对渝东北下寒武统鲁家坪组典型页岩和三种不同的致密储层岩石开展自发渗吸对比实验,并对比研究了3种常用的渗吸表征方法,提出了评价页岩储层压裂液吸收的方法和参数。通过实验研究发现,无因次法和Olafuyi法可用于评价页岩储层压裂液吸收能力,在表征吸收速率和规律方面尚有不足;Makhanov法可用于表征压裂液吸收速率和规律,在评价储层吸收能力方面尚有不足。新方法采用自吸能力、初期自吸速率和后期自吸速率三参数对压裂液的吸收进行定量表征,很好地反映出压裂液吸收规律。压裂液吸收可分为三个阶段:初期渗吸段、过渡段和后期渗吸段,其中初期渗吸段是压裂液吸收的主要阶段;压裂液吸收的驱动力主要为毛细管力和黏土吸附力;黏土含量越高,压裂液自吸能力越强,伊蒙混层和蒙脱石的存在可以大大提高页岩自吸能力。新方法能够评价页岩压裂液吸收的快慢、总量和规律,可以用于不同地层之间的对比评价,且直观可靠,有利于在页岩气或致密气现场推广应用。     

低渗透薄层水平井压裂优化设计技术研究

为保证低渗透薄层水平井压裂改造效果,通过油藏数值模拟分析影响低渗透薄层压后产能的主控因素,包括裂缝半长、导流能力、裂缝间距等,研究发现在压长缝过程中保证导流能力是改造的关键。而实现这一目标的难点在于对缝高的有效控制,通过计算储隔层应力差、液量、隔层岩石力学性质、压裂液粘度等对缝高的影响,得出影响强弱排序,进而提出有针对性的低渗透薄层水平井压裂改造思路,形成完整的优化设计技术。     

页岩气藏水平井分段多簇压裂与流动数值模拟

为探究页岩气藏水平井压裂参数对产气量的影响,开展了分段多簇压裂与流动的数值模拟研究。裂缝扩展模型考虑应力阴影作用,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量。耦合井筒和裂缝中流体流动,并采用牛顿迭代法求解;考虑页岩气的黏性流、Knudsen扩散和吸附解吸,采用离散裂缝模型对压裂后页岩气的流动进行了求解。模拟结果表明:多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,两侧裂缝偏离最大水平主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;随着水平井压裂段数增加,累积产气量增加,但增加幅度逐步降低;至于压裂段,三簇压裂比两簇压裂累积产气量高;裂缝间距越大时,累积产气量越高。     

页岩水力裂缝网络形态及激活机制研究

针对页岩体积压裂后量化复杂裂缝网络构成及裂缝激活程度的问题,基于有限元、全局嵌入黏聚区域模型以及真实页岩露头,建立了预制结构弱面的复杂水力缝网模型。在考虑全耦合应力-流体影响下,研究了弱面逼近角、水平应力差、压裂液黏度以及排量对裂缝网络组成、几何形态以及SRV的影响,提出能够量化分析裂缝网络构成以及裂缝激活程度的裂缝相对激活程度概念。研究结果表明,页岩压后裂缝几何形态受力学性质最弱的弱面控制,分别呈轴对称与中心对称网络状分布;裂缝网络由主导游离气传输的弱面型裂缝与主导吸附气传输的基质型微裂缝共同构成;弱面逼近角、水平应力差以及压裂液黏度对SRV长轴的影响并非呈现单调性变化,逼近角的增加、水平应力差、压裂液黏度以及适当排量的降低会导致SRV短轴增加;水平应力差对裂缝相对激活程度的影响也并非呈现单调性变化,弱面逼近角、压裂液黏度以及排量的增加会引起基质型微裂缝相对激活程度、激活裂缝总长度的增加以及弱面型裂缝相对激活程度的降低。     

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。     

页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟技术

页岩气藏天然裂缝分布复杂,地层非均质性强,水平井压裂技术是开发的必要手段,建立页岩气藏压裂缝网扩展与流动一体化模拟方法对于制定生产方案及评价压裂措施具有重要的现实意义。采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态,在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）来定量表征页岩气藏有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制,从而实现页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟。基于该方法建立了200 m×200 m的地质模型进行缝网形态模拟以及流动表征,通过缝网扩展模拟方法得到裂缝网络分布规律,在此基础上基于嵌入式离散裂缝模型进行流动模拟,得到模型生产200 d后的含气饱和度分布以及产气量分布曲线。同时,基于本文模型分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液黏度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明,压裂液注入压力越高分形概率指数越小、压裂液黏度越小裂缝扩展范围越大、含气饱和度下降范围越大单井产量越高,裂缝模拟精度会显著影响产量误差。基于该页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模型可以大规模模拟页岩气藏缝网形态以及多重介质复杂流动,为评价页岩气藏压裂施工好坏以及产量预测提供了有效的帮助。     

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。     

威远区块页岩气水平井产量主控因素分析

四川盆地威远区块国家级页岩气示范区开发效果显著,但仍存在单井产量差异较大的问题,深入分析页岩气水平井高产的主控因素是目前研究的重点。利用威远示范区取芯井地质及测井资料明确龙马溪组龙一₁¹小层作为最优开发层系,开展储层精细评价研究,结合水平井压后评价建立了储层厚度、最优靶体位置、I类储层钻遇率与产量之间的关系,明确了天然裂缝发育程度对水平井产量的影响,定量计算了压裂液量、砂量和排量3项工程参数与缝网有效性的关系。结果表明：（1）龙一₁¹小层厚度与产量呈高度正相关;（2）距离龙一₁¹小层底部距离0~4 m是最优靶体位置;（3）I类储层钻遇率的高低直接影响着水平井高产与否;（4）天然裂缝发育有利于页岩气获得较高产量;（5）根据工程参数定义的缝网综合有效系数达到0.8以上时,可认为形成了有效的页岩气流动通道。     

三维压裂压力递减分析方法

在前人提出的拟三维压力递减分析模型基础上,建立了解释压裂后压力递减的三维模型,模型考虑了压裂液的续流影响。利用所建模型分析的压裂停泵后的压力递减数据,可计算裂缝几何参数(裂缝宽度、高度、长度)、压裂液滤失系数、地层应力强度因子、压裂液效率和裂缝延伸时间等,为调整大型压裂设计方案和新区整体压裂优化设计提供可靠的参数。研制了一套windows环境下的解释软件,运用该软件可获得有关评价参数。用计算实例说明了三维压裂压力递减分析方法的适用性和可靠性。     

基于裂缝形态和产能的水平井分段压裂优化研究

根据低渗透油藏的特点,基于固体应力平衡和多相流体流动,建立了水平井水力裂缝分段优化的模型.采用有限元模拟和油藏模拟研究了在避免复杂水力裂缝的前提下,水平井水力裂缝优化的影响因素.研究发现,水平井筒与最小水平地应力方位存在夹角时,分段水力裂缝出现弯曲转向,多个弯曲裂缝之间的相互干扰形成复杂的裂缝形态;当水平井筒与最小地应力方位的夹角过大时,尽量增加裂缝分段的距离,以避免相互干扰;油井累积产量随着裂缝间的距离增加而减小;油井累积产量随裂缝长度增加而增加.