层状介质中水力裂缝的垂向扩展

应用岩石力学的理论与方法，建立了层状介质中水力裂缝垂向扩展的数值模型，分析了地应力剖面，地层断裂韧性，压裂液密度及作业参数对缝高剖面形态的影响。研究结果表明，地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围和扩展方向的主要因素，岩层断裂韧性对垂向扩展有明显的止裂作用，压裂液沿缝高方向的流动压降对裂缝高度有较大影响     

多裂缝储层水力裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统,对多裂缝储层水力裂缝与多裂缝干扰后影响水力裂缝走向的各种因素进行了研究,并分析了压力曲线特征。试验结果表明：水平主应力差和逼近角是决定水力裂缝走向的主要因素,高水平应力差和高逼近角有利于水力裂缝穿过多裂缝,水平主应力差越大,水力裂缝形态越平直;天然裂缝带发育程度和天然裂缝面摩擦系数也是影响裂缝走向的主要因素,天然多裂缝越发育,越易造成压裂液大量滤失进而产生多水力裂缝,摩擦系数越小,水力裂缝越易沿天然裂缝转向;天然多裂缝带的存在,会造成水力裂缝形态的非对称性;水力裂缝的扩展具有非稳态特性。     

致密薄互层水力压裂裂缝垂面扩展施工因素数值模拟

中国具有丰富的致密油气藏储量,必将成为中国接替的油气资源。致密油藏开发主要依靠水力压裂技术,对于致密薄互层,施工因素作为可控因素,对于现场施工具有重要意义。因此,本文研究针对鄂尔多斯盆地致密储层,低孔低渗、储层厚度薄等特点,以该地区L井F12地层为例,采用Abaqus有限元软件进行了模拟计算,研究了施工过程中的排量以及压裂液黏度对裂缝垂面扩展规律的影响,并且根据实际情况对模型进行验证,确定了模型和模拟方法的准确性。研究结果表明：压裂液的排量对于裂缝的扩展具有重大影响,排量越大,裂缝的扩展速度越快,裂缝的缝高和缝宽越大;压裂液黏度对裂缝的扩展行为影响微乎其微。并进一步分析发现,针对致密薄互层,仅仅只改变压裂液排量和黏度并不能将裂缝控制在储层内,采用变排量控缝高技术辅以其他控缝高手段能够更好地将裂缝控制在储层内,为现场压裂施工提供了基础。     

裂缝性基岩地层中水力裂缝扩展规律

为研究裂缝性基岩地层水力压裂时水力裂缝遇天然裂缝后的裂缝扩展行为,基于二维线弹性理论计算了天然裂缝打开所需条件,利用ABAQUS建立了有限元数值模型,模拟水力裂缝遇天然裂缝后的扩展规律。结果表明,天然裂缝能否打开不仅受到水平应力差和水力裂缝、天然裂缝夹角的影响,还受到基质抗拉强度和施工排量的影响。两缝夹角达到临界值后,水平应力差越小,天然裂缝越容易打开;水平应力差越大,水力裂缝越趋向于沿原方向继续扩展。水平应力差不变时,两缝夹角越小,天然裂缝越容易打开;两缝夹角越大,水力裂缝越趋向于沿原方向继续扩展。岩石基质抗拉强度越大,天然裂缝越容易打开。排量越大,缝内流体压力越大,天然裂缝越容易打开,符合体积压裂大排量造复杂缝网的理念。     

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学和有限差分法的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。     

地层塑性对水力压裂裂缝扩展的影响

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、粘性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索了塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液粘度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液粘度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

径向井引导水力压裂裂缝定向扩展技术研究

目前,利用径向井压裂改造技术开发低渗透油层、薄油层、裂缝性油气层、注水后“死油区”等受到越来越多地关注,但国内外尚未对此进行系统的研究。受地应力控制和储层非均质性影响,水力压裂裂缝很可能无法顺利沿径向井方向延伸沟通目标区域,导致储层增产效果不理想。基于多径向孔压裂裂缝起裂压力分析和塑性区理论,推导出多口径向井在地应力条件下引导压裂裂缝定向扩展准则。满足该条件时,多径向井会在储层中产生连续塑性区,裂缝在塑性区内扩展不受地应力影响而保持定向扩展,这保证了压裂施工时各径向井间裂缝相互贯通,形成沿径向井轴心面方向的的主裂缝。兼顾经济性优化出了径向井间的最大间距,为径向井水力压裂技术的有效实施提供了可靠的科学依据。     

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验，得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明，玄武岩中天然裂缝发育程度较低，抗拉强度较高，裂缝起裂会导致明显的压降，压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育，裂缝起裂不会导致明显的压降，高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝，裂缝扩展摩阻很大，裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低，部分发育有天然裂缝，破裂压力较低，裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。     

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验,得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律.研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低,抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当.     

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。     

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。     

三维弯曲水压裂缝力学模型及计算方法

大多数水力压裂裂缝是弯曲的，但以往的水力压裂模型都不能同时模拟裂缝的弯曲和止裂，文中建立了一种新的三维水力压裂模型，它可以计算模拟裂缝的弯曲和止裂。同时建立了与三维水力压裂模型相对应的计算方法，在给定压力分布条件下，利用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式的性质简化积分方程的求解，并计算裂缝宽度。     

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。     

矩形双重介质油藏中垂直裂缝方位的确定

在考虑井储效应和裂缝的表皮效应的情况下，建立了有限导流能力垂直裂缝井在封闭矩形双重介质油藏中的数学模型，并对模型进行了求解。利用此模型可在干扰试井中确定垂直裂缝的方位。     

井储效应对确定垂直裂缝方位的影响

给出考虑井储效应的均匀流量在垂直裂缝井中产生的压力在Ｌａｐｌａｃｅ空间中的解析解，利用此解通过干扰试井压力分析可以确定裂缝方位。结果表明，井储效应对压力特征有很大影响，确定裂缝方位时应考虑井储效应的影响。     

水力压裂优化设计方法研究

综合根据施工规模预测压裂效果和根据增产要求设计施工规模的两种设计思想体系,将裂缝三维延伸模拟技术应用于压裂施工设计,提出了从地层条件出发、以最佳的压裂效果为目标的水力压裂优化设计方法,通过不断地自动调整各段压裂液体积、地面加砂浓度、支撑剂类型和粒径等施工参数,设计出最优的施工方案,并在此基础上,采用Visual Basic语言研制了一套Windows环境下的三维压裂优化设计软件,在现场应用中取得了令人满意的施工效果。     

致密薄互层缝高扩展影响因素试验研究

依据岩心观测以及岩石力学性质试验发现,陇东地区致密薄互层油藏具有岩性、力学性质变化频次高,变化范围尺度小的特点。结合现场压裂数据,推断薄互层油藏压裂后产能低的主要原因是：压裂过程中,由于弱胶结面的存在,水力裂缝在层间的多次错动,导致水力裂缝缝高扩展受到抑制;压裂结束后,由于地应力作用,层间错动面闭合,有效水力裂缝面积减小。针对该推断,制备薄互层物理模拟试样,进行压裂物理模拟试验。通过物理模拟试验结果发现：层间高弹性模量差异,对于水力裂缝垂向扩展的抑制作用并不明显。在破裂压力后,增加排量仅对增大水力裂缝的体积有促进作用,对水力裂缝穿入其他岩层的作用较小或是没有。     

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。     

水力压裂的能量平衡与断裂韧度

通过对常用水力压裂模型中忽略岩石断裂韧度效应这一现象的讨论,给出了全面考虑水力压裂中各种影响因素的能量平衡方程,并由此建立了通过水力压裂实验直接确定岩石视在K_(1c)值的方法。最后通过对影响岩石视在断裂韧度因素的讨论,论证了水力压裂法确定的岩石视在K_(1c)值大大地大于标准3点弯曲实验值的必然性。     

压力容器接管区弹塑性断裂模拟试验研究

本文提出了一种带孔高应变梯度异形试板,试验结果表明,该试板能较好地模拟压力容器按管区应变场,具有类似于接管拐角裂纹的断裂机理及特征。采用多试件法标定出J参量曲线,并进一步通过计算机进行分析处理,求得了J参量计算公式。用显微摄影法求得了三种定义下的CTOD δ_1线,进而求得了关系式J=mσ_yδ_t及m的变化规律。还将试验结果推广到容器接管拐角裂纹问题,讨论了接管断裂安全工程评定及J参量控制裂纹扩展问题。