定向射孔体积压裂复杂裂缝扩展机理试验研究

基于线弹性岩石力学和定向射孔增产理论,提出了利用定向射孔诱导地层形成复杂体积裂缝的增产设计思路。通过大型真三轴水力压裂物理模拟实验对其压裂机理进行了研究,分析了射孔方位、水平地应力差、射孔深度等对破裂压力以及裂缝扩展形态的影响。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差对破裂压力的影响最为明显;并且控制着裂缝转向半径。随着射孔方位角的增大,破裂压力逐渐升高;随着射孔深度的增加,破裂压力逐渐降低;同时存在一个最佳射孔方位角范围,在此范围内可以诱导地层产生"S"型、"X"型等复杂裂缝形态。研究成果可为定向射孔压裂施工参数优选提供理论支撑。     

基于扩展有限元的页岩水平井压裂裂缝扩展模拟

考虑裂缝内流体流动和岩石受力变形,建立页岩水平井水力压裂裂缝扩展数学模型,采用扩展有限元方法求解该模型。分析水平主应力、岩石力学特征参数及注入速度对裂缝扩展长度的影响,并研究多条裂缝的扩展及转向规律。结果表明:岩石弹性模量越大,泊松比越小,形成的裂缝越长;最小主应力越小,压裂液注入速度越大,裂缝扩展长度越长。同时扩展的2条裂缝之间存在应力干扰使裂缝向外转,裂缝间距越近,转向越明显。3条裂缝同时扩展,中间裂缝受到左右两边裂缝的制约作用,起裂较晚,扩展受到限制;随着压裂时间的延长,中间裂缝会摆脱两边裂缝的影响,冲出应力干扰区。     

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。     

水力压裂近井区裂缝转向扩展机理

针对水力压裂条件下煤层气井初始压裂缝转向问题,首先基于断裂力学原理与最大周向应力准则,分析了储层原始地应力场和压裂液渗透场时空演化规律,建立了裂缝转向起始模型,并考虑转向裂缝面复杂的应力边界条件,利用位移不连续法建立了裂缝转向扩展模型;其次着重考虑了射孔角度、地应力差及施工排量对压裂缝转向扩展的影响,结合焦作恩村矿区现场施工参数,分别计算了裂缝起偏角度和偏转距离。计算结果表明：水力压裂条件下,射孔角度与地应力差对近井区压裂缝转向影响较大,而压裂液排量则影响较小;当射孔角度或地应力差较小,压裂缝偏转距 离较大,形成的压裂缝曲率也较小;反之亦然。最后运用XFEM软件模拟裂缝转向扩展机制,经与计算结果对比,发现二者较为吻合,从而验证了理论模型的正确性,研究成果可为定向射孔水力压裂现场控制提供理论指导。     

水平井压裂多裂缝同步扩展数值模拟

采用有限单元法对水平井压裂多裂缝同步扩展问题进行数值分析。考虑压裂过程中高压流体、岩层变形/破裂与裂缝扩展之间的多物理场耦合响应,建立多裂缝同步扩展力学模型;采用裂缝单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径。应用有限元方法求解耦合模型并编制计算程序,模拟水平井多裂缝同步起裂、扩展和转向过程。研究结果表明:水平井多裂缝同步压裂,起裂压力相差较小;延伸压力受缝间应力干扰影响,中间裂缝处压力高于两侧裂缝;随裂缝扩展,多裂缝之间应力干扰效应提高,主应力方向偏转范围增大,促使复杂裂缝的形成;通过优化射孔簇间距与数量可增强裂缝间应力干扰效应,增加水平井多裂缝扩展的复杂性。     

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。     

水力喷砂射孔孔道裂缝起裂机理研究

与传统射孔工艺相比,水力喷砂射孔方法产生的地层孔具有孔径大、孔道长和孔数少特点。针对射孔孔道影 响压裂裂缝形态问题,开展孔道周围应力分布及起裂机理的研究工作。研究中采用三维有限元数值模拟结合室内实 验验证的方法,分别从布孔方式、射孔方位和水平井筒方位方面,揭示了水平井近井筒区域喷砂射孔孔道产生的3 种 裂缝形态。研究表明,压裂裂缝倾向于从射孔孔道根部位置起裂;水平井筒与最小水平主应力夹角小于30°,两层布孔 可在近井筒区域产生一条横向裂缝,螺旋布孔和对称布孔产生多条横向裂缝;纵向裂缝比横向裂缝更易于产生,形成 纵向裂缝与横向裂缝相结合的扭曲裂缝;水平井筒与最小水平主应力夹角大于80°,产生一条纵向裂缝,与喷砂射孔参 数无关。该研究可为水平井水力喷砂射孔及压裂合理施工提供理论指导。     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

射孔水压裂缝在层状页岩的扩展机制

为明确射孔水压裂缝遇页岩层理面的扩展机制,基于弹性力学和断裂力学相关理论,建立射孔水压裂缝在层状页岩扩展的应力分析模型,并对裂缝偏转角、偏转裂缝在页岩和层理面扩展的临界水压进行分析,进而结合数值模拟,研究偏转裂缝遇页岩层理面的扩展机制的影响因素。结果表明:偏转裂缝遇页岩层理面的扩展机制主要取决于水平主应力差、射孔角度、层理面角度、页岩力学性质及层理面黏聚力等因素;若最大水平主应力方向与层理面夹角不大,偏转裂缝随水平主应力差的增大,由直接穿过层理面逐渐转化为沿层理面扩展;随着射孔角度、层理面角度和层理面黏聚力的增大,偏转裂缝的扩展模式则会发生相反变化;射孔段与层理面夹角越接近90°,偏转裂缝同时穿过层理面和沿层理面扩展的倾向性越大,越易形成网状裂缝。     

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。     

页岩气储层水力裂缝转向扩展机制

从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸。分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算。结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄;压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大;水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向;水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄;裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小;水力裂缝转向能扩展为2~3种裂缝模式的复合。     

定面射孔对压裂初始裂缝形态的影响研究

定面射孔是致密油水力压裂改造的一种新型完井措施。利用大尺寸真三轴水力压裂实验系统开展了300 mm×300mm×300 mm立方体试样定面射孔压裂物模试验,结合有限元三维应力分析,研究了定面射孔相位角对水力压裂初始裂缝形态的影响机制。研究结果表明:定面射孔各射孔道之间的应力干扰改变了近井筒应力分布格局,导致沿定面射孔方向水力裂缝呈倾斜状及迂曲状扩展,背离射孔方向裂缝形态为近垂直状形态。随射孔相位角减小,孔道间应力干扰增大、裂缝起裂压力提高,各射孔均产生破裂进而形成横向倾斜压裂平面。利用定面射孔技术可控制压裂初始裂缝呈非对称、非规则扩展形态,增加近井筒水力裂缝的复杂性。     

射孔角度对水力压裂裂纹扩展影响数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20渗流版本,从细观力学角度出发,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,通过创建渗流-应力-损伤耦合模型,模拟分析了不同射孔角度条件下的非均质岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程.模拟分析结果表明,无论射孔角度如何变化,裂纹的发展方向始终趋向最大主应力方向;随着射孔角度的增加,逐渐形成双翼型转向裂纹,射孔方位角越大,裂纹的转向越明显,转向距离越大;0°~30°为最佳射孔方位角.数值模拟结果与实验结果相一致.     

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。     

天然裂缝对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

煤层井下水力压裂过程中,天然裂缝会对水压裂缝的扩展产生重要影响,通过建立水压压裂裂缝遇天然裂缝二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对裂缝扩展规律及天然裂缝破坏机理进行研究.研究表明:扩展中主裂缝与天然裂缝的相交角度、水平主应力差及天然裂缝的发育程度是影响扩展方向的主要因素.在低主应力差、低相交角的条件下,压裂裂缝趋于沿天然裂缝发生剪切破坏扩展;在高应力差和高相交角情况下,压裂裂缝易直接穿过天然裂缝扩展.当天然裂缝尺寸较长,压裂裂缝易沿天然裂缝扩展,而小尺寸的天然裂缝对裂缝扩展影响不大.     

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析

为了更好地处理天然裂缝影响下水力裂缝的扩展模拟问题,提出了区域置换与破损单元的概念和方法,在此基础上建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程,运用图形建模数值方法,分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响:天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式;位于水力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝,因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力,造成水力裂缝内有效驱动压力耗散,影响了水力裂缝的扩展。裂缝监测报告与数值分析结果一致,验证了数值分析的方法和结果。     

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。