水平井压裂楔形缝内支撑剂输运特征数值模拟

为使研究结果更符合真实储层中支撑剂运移铺置情况,考虑水平井压裂注入特征和压裂裂缝实际形态特征,突破矩形窄缝数值模型的限制,基于计算流体力学方法建立了工程尺度单孔眼楔形裂缝模型。利用支撑剂输运数值模拟分析了支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度、施工排量和砂比对支撑剂在楔形裂缝中沉降运移的影响。根据数值模拟结果,以在楔形缝内形成具有充分高度和长度且不会带来砂堵风险的砂堤为目标,建议现场压裂施工排量在2.5 m³/min以上,携砂液黏度小于20 mPa·s,砂比控制在10%～20%,并采用粒径为70/140目的支撑剂进行支撑剂充填作业。与常规矩形长板裂缝模型的支撑剂输运模拟结果相比,楔形裂缝模拟中砂堤形态存在明显差异,为现场压裂施工参数提供新的参考。     

水平裂缝压裂设计数值方法的研究

压裂设计是改进压裂工艺、优选压裂方案和指导压裂施工的一项重要工作。本文对水平裂缝压裂设计中裂缝几何尺寸和裂缝中流体流速的计算、裂缝中支撑剂分布的确定以及压裂产率比的预测等主要环节进行了研究,提出了一套水平裂缝压裂设计的数值计算方法,并编制成程序。这一套设计计算方法适用于以变排量注入两种幂律液体和使用两种支撑剂的情况,并考虑了水平裂缝中压裂液滤失有界的特点及近井地层污染的因素,对砂堆砂沟区支撑剂分布的确定方法也做了改进,从而扩大了前人方法只限于常排量注入一种牛顿液体,地层为无限厚和地层无污染的局限性。本文利用设计程序影响压裂效果的几个主要参数进行了计算、分析和优选。提出了在不同地质情况下进行水平裂缝压裂应当采取的施工方案。     

控缝高水力压裂中支撑剂和隔离剂输送规律

研究了水力压裂缝高控制中人工隔层产生的机理,支撑剂和隔离剂输送规律．由全三维裂缝扩展模型得出裂缝几何尺寸、压裂液压力、温度、粘度、流速等参数,在此基础上建立了支撑剂和隔离剂输送模型,对支撑剂浓度控制方程在特征流线上进行分析,给出求解方案．由于施工过程实际上是在不同时间区段注入不同性质、不同浓度的液体和支撑剂或隔离剂,计算中把裂缝面划分成网格,记录在不同时刻、不同网格节点的液体和支撑剂或隔离剂的注入时间区段,可以给出液体的流动轨迹和支撑剂或隔离剂的输送规律．沉积与流固（支撑剂、隔离剂）两相滑移速度相关,而滑移速度可统一由裂缝三维压裂延伸程序求解．经过计算机仿真证实可以比较精确地描述支撑剂和隔离剂在裂缝中输送及最终的分布规律．     

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。     

考虑支撑剂变形的压后支撑缝宽预测新模型

支撑剂嵌入裂缝壁面会降低人工裂缝的导流能力,加快产能递减,使前期的压裂增产施工效率降低,甚至无效化。因此,在生产实践中,多采用多层铺置的模式增加裂缝导流能力,降低支撑剂嵌入及变形的负面影响。但是,现有支撑剂嵌入模型大多建立在支撑剂正方形排列单层铺置的基础上,模型太过理想化,对嵌入后导流能力的模拟并不准确。为使模型计算结果更接近实际,充分考虑支撑剂菱形排列多层铺置对压后支撑缝宽的影响,基于弹性力学和Hertz接触理论对支撑剂在原地应力作用下的应变进行分析,建立了压后支撑缝宽变化的数学模型,并结合实验数据与模型计算结果,对闭合压力、粒径、支撑剂铺置层数等参数进行了敏感性分析,认为适当增加支撑剂铺置层数和选用较大粒径支撑剂有利于降低压后缝宽变化幅度;最后分析了不同储层弹性模量下支撑剂变形量与嵌入量的相对大小,给出了根据云图图版优选不同弹性模量支撑剂的方法。该研究对加砂压裂施工中的砂比优化和支撑剂类型优选具有一定指导意义。     

复杂裂缝内支撑剂铺置规律及有效支撑面积

复杂裂缝内支撑剂的铺置规律比较复杂,目前大多数研究都是基于数值模拟方法,存在耗时费力的情况,为了实现支撑面积的快速预测,利用数值模拟方法,在研究注入速度、流体黏度、砂比、粒径及密度等因素对铺置效果影响的基础上,运用神经网络、实验数据,建立了裂缝内支撑剂有效支撑面积神经网络预测模型。结果表明：不同因素都有合理的取值范围,取值超过该范围都会导致铺置效果变差,各级裂缝随影响因素的变化规律不相同,且主次缝的支撑剂铺置是相互影响的,分支前主缝砂堤高度超过一定高度后,砂堤高度越高,次级缝的砂堤面积越小,主次缝最大砂堤面积不会同时出现;基于反向传播(back propagation, BP)神经网络的裂缝内有效支撑面积预测模型,模型预测结果与数值计算结果误差在3.42%～6.46%,该模型能够准确、快速的预测支撑剂在裂缝中运移后形成的砂堤面积。研究结果可以为非常规资源的压裂开发提供理论帮助。     

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。     

支撑剂嵌入岩石定量计算模型研究

裂缝闭合后存在支撑剂嵌入现象,在高闭合压力、软地层中尤为显著,支撑剂嵌入导致裂缝缝宽减小、导流能力降低、压后增产效果差。通过微元受力分析确定裂缝岩石面在支撑剂作用下的变形量,各微元弹性变形弹力之和即单颗粒支撑剂在闭合压力下承受的压力,叠加微元变形弹力建立支撑剂嵌入深度定量计算模型,为定量分析支撑剂嵌入程度提供了理论依据。计算并分析了闭合压力、支撑剂粒径、岩石杨氏模量对支撑剂嵌入的影响,对于优化压裂设计、提高压裂改造效果具有十分重要的意义。     

高阶煤支撑剂嵌入模型

 支撑剂嵌入煤层会损害压裂支撑裂缝导流能力。目前关于煤岩支撑剂嵌入的研究主要为实验研究,缺乏相应的理论数值计算模型。为此,对沁水盆地端氏、曲堤和候村高阶煤层的支撑剂进行嵌入实验,分析了闭合压力和煤岩坚固性系数对支撑剂嵌入的影响;根据Langmuir 定律,推导出二维多层支撑剂嵌入煤岩的缝宽模型和压嵌模型,利用实验数据对模型进行了验证。结果表明：支撑剂嵌入煤岩时,存在临界嵌入压力,煤岩坚固性系数越小,临界嵌入压力越小,支撑剂越易嵌入煤岩;在闭合压力小于30 MPa 时,支撑剂嵌入煤岩程度小于支撑剂粒径的1/2 时,模型计算结果与实验测试结果相似程度较高,推导出的缝宽模型和压嵌模型能有效指导沁水盆地高阶煤层的水力压裂施工设计。     

通道压裂支撑剂运移规律试验

基于通道压裂的特点,设计具有粗糙裂缝壁面、不同角度分支缝组合并考虑地层滤失、缝宽可变的大型支撑剂运移模拟装置。利用大型支撑剂运移模拟装置分别对直缝和直缝与分支缝组合两种情况下施工排量、支撑剂粒径、压裂液黏度、纤维比例等因素对支撑剂铺置的影响进行试验研究。结果表明:压裂液黏度显著影响支撑剂团块在裂缝长度方向上的分布;纤维比例的增加能够增加团块的数量,团块中支撑剂的含量和纤维与支撑剂的比例有关;适当增大排量有利于通道之间的相互连通;支撑剂质量浓度对支撑剂团块在裂缝高度方向上的分布影响较大;随着支撑剂粒径的增加其与纤维结合形成团块的能力越差;分支缝通道率明显低于主缝,结合分支缝的分流作用影响,其对试验变量的敏感性要低于主缝;随着分支缝角度的增加,纤维越容易在裂缝入口处滞留堵塞,堵塞分支缝入口。     

压裂水平井支撑剂运移及产量研究

根据压裂水平井实际情况,首先建立了支撑剂在三维裂缝的运移分布和水平井压后产能预测模型;结合裂缝三维延伸模型、温度场模型和压裂优化设计方法研制了压裂水平井设计软件。其中支撑剂运移模型通过引入支撑剂对流质量传递方程,考虑了支撑剂对流、温度分布、压裂液滤失等因素对支撑裂缝尺寸的影响;产能预测模型考虑了水平井压后形成的多裂缝间的相互干扰、裂缝条数、裂缝间距、裂缝导流能力、裂缝平面与水平井筒夹角等因素对水平井压后产能的影响。通过实例应用,模拟结果与实际情况吻合程度高,表明了模型的可靠性。     

支撑剂在复杂缝网中的沉降运移规律研究

为研究体积压裂过程中支撑剂在复杂缝网中的沉降运移规律,以离散化缝网模型为基础,应用复杂缝网模拟实验装置对6种结构缝网进行支撑剂沉降运移规律实验。结果表明:距井筒较近的节点,主裂缝砂堤形态垂直高度上出现"突变"现象,而较远节点,未出现"突变"现象;不同结构缝网,支撑剂在主裂缝中运移距离大小依次为:"一"型结构缝网、"T"型结构缝网、"H"型结构缝网、"TF"型结构缝网、"双T"型结构缝网、"十"型结构缝网;距离井筒较近的次生裂缝中,砂堤形成过程是携砂液携砂作用和支撑剂重力共同作用的结果,而距离较远的次生裂缝中砂堤形成过程中支撑剂的自身重力起主要作用。     

裂缝性地层水力裂缝非平面延伸模拟

受天然裂缝作用影响,裂缝性地层的水力裂缝可能延伸为多分支、非平面的复杂裂缝体系,这与均质地层压裂产生的对称双翼平面裂缝具有巨大的差异。由于常规水力裂缝延伸模型无法用于模拟裂缝性地层中水力裂缝非平面延伸的裂缝形态和裂缝几何,为此,基于水力裂缝相交天然裂缝转向延伸路径的等效平面裂缝思想,建立了水力裂缝非平面转向延伸的数学模型,并推导了相应的数值求解方法。模拟计算表明,当水力裂缝沿天然裂缝转向延伸时,水力裂缝缝宽在延伸路径上表现为非连续分布,在转向延伸段突变减小,受缝宽减小节流效应影响,井底流体压力升高。影响因素分析表明,水平地应力差和逼近角越大,转向延伸段缝宽越小,对支撑剂输送限制越大;施工排量和压裂液黏度越高,包括转向延伸段在内,整个延伸裂缝段的缝宽越大,支撑剂在裂缝内的运移越容易,压裂施工风险越低。研究为认识裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征提供了思路和方法,为裂缝性地层压裂设计提供了理论依据,具有重要的理论价值和现实意义。     

变导流能力压裂气井非达西产能研究

当前致密气藏开发中,压裂已成为一种重要的增产措施。大量室内实验及现场数据表明裂缝的导流能力并非定值,而是沿裂缝延伸方向逐渐减小。因此,引入裂缝导流能力与位置的关系函数,采用无因次采气指数的方法,建立了压裂气井变导流能力产能模型。同时,该模型也考虑了压裂过程中裂缝壁面储层污染效应;裂缝内气体高速流动引起的非达西效应。研究表明:与定导流能力相比,变导流能力时气井产量降低,且裂缝导流能力较低时影响严重。裂缝内气体的高速非达西流动,会降低支撑剂的有效渗透率。可采用雷诺数对支撑剂渗透率进行修正,进而计算产能;考虑非达西效应时,气井产量也将降低。水力裂缝不仅提供了气体流动通道,也减缓了裂缝内气体非达西效应。支撑剂渗透率和裂缝宽度对气井产量有显著影响,施工中应选用高渗透率支撑剂、造宽缝,提高裂缝导流能力。     

复杂裂缝中CO_2流体携砂规律的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了适用于模拟CO_2流体和支撑剂两相流动规律的固液两相流数学模型,并利用有限体积法进行求解,分析了泵注速度、砂比、支撑剂密度和粒径以及裂缝复杂程度对支撑剂在复杂裂缝中运移规律的影响。结果表明:支撑剂流入分支缝的方式主要包括主裂缝在分支缝缝口处形成砂堤后依靠重力作用滚入二级缝中,或是依靠携砂液的流速携带至分支缝内;泵注速度、支撑剂目数与平衡高度呈负相关,且泵注速度与平衡时间呈负相关、支撑剂目数与平衡时间呈正相关;砂比、支撑剂密度与平衡高度呈正相关,与平衡时间呈负相关;裂缝的级数越多,达到平衡所需要的时间越长,复杂裂缝中支撑剂在各分支缝节点处出现转向运移,且主要沉降在离主裂缝较近的二级缝中;由于三级缝较窄,进入三级缝深部的支撑剂量较少,且各分支缝中的砂堤高度小于主裂缝中的砂堤高度。     

致密油层体积压裂排量优化方法

在离散化缝网模型(DFN)基础上,结合油井及地层的相关参数,利用缝网模拟软件模拟了裂缝在地层主平面上的拟三维离散化扩展和支撑剂在缝网中的分布,数值求解了不同压裂排量改造后的缝网半长、带宽、次生裂缝条数和储层改造体积(SRV)等缝网几何形态参数,给出了简单高效的排量优化方法。以鄂尔多斯一口油井为例,模拟结果表明:压裂排量不是越大越利于复杂缝网形成,模拟的离散缝网几何形态参数会随压裂排量的增大先快速增大后趋于平缓,以SRV为评价改造效果的主要参数,综合其他参数变化特征,可以优选出致密油层体积压裂的施工排量。     

页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力研究现状与展望

水平井分段压裂形成复杂体积缝网是页岩气有效开采的关键技术之一,复杂体积缝网依靠支撑剂支撑并成为页岩气渗流的重要通道。支撑裂缝长期导流能力是影响页岩气压后产能的重要因素,而关于页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力的研究尚未形成统一认识。通过分析国内外最新研究动态,阐述了支撑剂支撑裂缝长期导流能力研究的重要性;分析了目前国内外关于支撑剂长期导流能力的实验测试与理论预测方面的研究成果;剖析了非达西渗流效应、多相渗流效应、地层水性质等特殊因素对长期导流能力的影响程度;提出了页岩气体积压裂支撑裂缝长期导流能力研究方向的着重点。     

基于Cross本构方程的裂缝内清洁压裂液支撑剂铺置行为数值模拟

支撑剂在裂缝中的铺置行为直接决定着压裂增产效果。以提高支撑剂在裂缝中的携砂能力为目的,采用流变仪研究了黏弹性表面活性剂清洁压裂液的流变特性,运用Cross非牛顿流体本构方程拟合得到了清洁压裂液的流变参数,基于Eular-granular颗粒动力学方法研究了支撑剂在清洁压裂液中的运移特性。模拟结果表明,Eular-granular颗粒动力学方法模拟结果与室内实验吻合较好,能够描述裂缝内砂堤铺置行为。对清洁压裂液而言,零剪切黏度越高,剪切稀化性越低,结构松弛时间越小,其携砂性能越好;采用低密度、小粒径的支撑剂可以有效降低缝内砂堤平衡高度,延长支撑剂的铺置距离,减少裂缝内近井段支撑剂的堆积,防止返排时产生回流。     

基于热中子探测评价裂缝的示踪剂特性研究

针对裂缝热中子示踪探测方法,从中子双组扩散理论入手结合蒙特卡洛数值模拟方法,分析压裂前后地层热中子分布影响因素,并模拟不同类型示踪剂及含量的热中子裂缝响应规律,筛选最佳示踪剂并给出其在支撑剂中含量的上、下限。结果表明:压裂前后热中子计数变化量主要受裂缝宽度和标记支撑剂中示踪剂含量的影响;钆对裂缝宽度变化反应最灵敏,钆元素是作为标记支撑剂的最佳示踪元素;随支撑剂中Gd 2O 3含量的增加,热中子计数率降低,热中子计数变化量D增加;示踪剂中氧化钆的上、下限值随裂缝宽度呈指数降低,且当裂缝宽度为1.0 cm时,Gd 2O 3的质量分数上限为0.68%,下限为0.03%。     

砂泥岩交互储层支撑剂导流能力实验及应用

在砂泥岩互层的压裂施工中,由于压裂层数多且薄,所造缝的缝宽较窄,且由于支撑剂的大量嵌入,导致支撑裂缝导流能力进一步变差。为使裂缝参数与地层参数相匹配,在对不同粒径、铺砂浓度和支撑剂嵌入等复杂条件下的导流能力进行评价的基础上,进行了组合粒径实验研究,结果表明:尽管在闭合压力较小时,20/40目与16/30目组合粒径导流能力均与16/30目支撑剂有较大差距,但随着闭合压力的升高,使用组合粒径(20/40:16/30=3:1)获得的裂缝导流能力已经接近单一粒径(16/30目)的导流能力。现场对Y34-38井优化得到了组合粒径的最佳比例,压裂施工后取得了显著效果。研究成果对胜利油田滩坝砂岩储层的压裂改造有重要的指导意义。