岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

 斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

水力裂缝的缝高控制参数影响数值模拟研究

水力压裂是低渗油藏增产的重要手段,在工程中有着广泛的应用.以ABAQUS软件为平台,采用平面应变模型模拟油藏的流固耦合力学行为,用基于损伤力学方法的粘性单元模拟裂缝沿高度方向的起裂和扩展过程.对大庆油田某水平井的压裂过程进行数值模拟,得到的井口泵压曲线与现场施工测得的泵压曲线吻合良好,验证了模型的正确性和合理性.采用该模型研究了隔层与产层之间的地应力差、抗拉强度差与弹性模量差之间的耦合作用对裂缝高度的影响.结果表明,隔层的高应力、高强度和低模量能够较好地控制裂缝高度,这些结果对压裂工程设计有很好的参考价值.     

水力压裂拟三维模型数值求解新方法

水力压裂裂缝垂向不对称延伸的拟三维模型比较复杂,需要多重迭代,循环耦合,仅依靠增加迭代运算的层数,不仅运算量过大,过程迭代甚至可能出现发散。对此,将控制缝高的方程组变换为超越方程,引入Steffensen加速收敛求解缝高,大大提高了收敛速度,避免了常规算法中缝高求解的反复试算。此外,裂缝内压力在靠近尖端时急剧下降,整体加密缝长方向上的计算步长程序复杂度大大提高。采用变步长的龙格库塔方法求解压降控制方程,使得计算步长随着压裂液流动的摩阻大小自动调整,不仅降低了程序复杂度,而且步长疏密度还可以直观展示压裂液流动的沿程摩阻变化趋势。运算结果证明,新的计算思路降低了压裂裂缝拟三维模型数值求解的复杂度,有一定的理论研究价值。     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟,较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下,压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动,裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹,而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

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。     

基于有限元方法的水力压裂全三维全耦合数值模型及其物理实验验证

以有限元方法为基础,采用2套方程描述水力压裂过程中岩石变形、裂缝扩展、裂缝内流体流动和滤失等关键力学问题。通过同步求解2套耦合有限元方程,建立水力压裂全三维全耦合数值模拟模型。通过数值模型和经典的水力压裂物理实验对比,在流体净压力、裂缝宽度、裂缝长度及裂缝扩展模态等方面数值实验结果和物理实验结果具有良好的一致性。模型得到经典物理实验验证,同时表明裂缝宽度即使在微米级别水力压裂理论中的立方体定律仍然适用。     

水力喷射压裂用喷嘴结构分析

为提高水力压裂用喷嘴在喷砂压裂过程中的喷射性能，利用计算流体力学软件建立了喷嘴流场模型，分析了喷嘴直圆柱段长度、收缩角和喷嘴全长对水力喷射特性的影响。结果表明，随着喷嘴直圆柱段长度的增加，喷射流体速度增加，能量损失减小；收缩角较小的喷嘴喷射动能较大且能量损失较小；喷嘴总长越长，流体速度保持越好。在井底空间条件限制下，通过分析3种结构参数的变化对水力性能的影响，最终确定了最优喷嘴结构参数。     

煤层气井压裂引起的渗透率损伤研究

由于煤层的应力敏感性,在煤层气井的压裂过程中,随着高压流体的持续注入,压裂裂缝的产生势必会对附近的煤层渗透率产生影响。针对煤层气井压裂引起的渗透率损伤问题,通过理论计算的方法,建立了压裂引起的诱导应力与渗透率之间的关系式,通过计算实例,分析了压裂引起的渗透率的损伤特征。研究认为:压裂产生的诱导应力和引起的渗透率损伤均在裂缝两侧呈对称性分布;压裂对裂缝附近煤层渗透率会产生直接的影响,渗透率损伤现象明显;压裂引起的渗透率损伤可能是某些已压裂的煤层气井增产效果不明显的原因之一。     

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。     

压裂液黏度对水力压裂破裂压力及破裂形态的影响

随着非常规油气开发需求的增加,水力压裂技术作为油气增产的关键技术受到广泛关注。根据现场压裂结果显示,压裂液黏度作为易于调整的工程参数会对储层改造效率造成重大影响。为了探究压裂液黏度对水力压裂效率的影响,系统开展了不同压裂液黏度作用下砂岩室内水力压裂试验,揭示了压裂液黏度对水力压裂破裂压力、破坏形态的影响及内在机理。试验结果表明：低黏度压裂液将产生两翼平直窄裂缝,高黏度压裂液将形成单翼宽裂缝或分支裂缝。随着压裂液黏度升高,水力压裂过程中由于滤失产生的孔隙压力减小,破裂压力升高。通过试验结果得到了考虑压裂液黏度的计算式,对水力压裂参数设计具有指导意义。     

应用断裂力学理论建立油气井压裂时岩石破裂压力计算模型

考虑地层岩石存在天然微裂隙这一客观事实,运用断裂力学理论建立了地应力与压裂液共同作用时地层裂隙的应力强度因子表达式;根据断裂判据,推得了地层破裂压力计算模型;并对某油田几口井进行了实算与电算对比.结果表明,运用断裂理论建立的破裂压力计算模型由于考虑了裂隙的存在,与地层的实际更为吻合,因而准确性更高,适用范围更广.其计算结果与现场实测值更为接近,从而也验证了模型的可靠性.     

页岩油气水力压裂的关键力学问题和数值计算方法

 论述了水力压裂过程中裂缝面内压力引起的岩石变形、裂缝的起裂和扩展、裂缝内流体的流动和流固耦合等关键力学问题,综述了用于模拟水力压裂的有限元法、扩展有限元法、边界元法、离散元法及其他相关数值计算方法的基本原理、研究进展和发展趋势,分析了各方法的优点及适用性。     

水力裂缝层内爆燃压裂油井产能模型电模拟实验评价

根据相似原理，建立了水力裂缝层内爆燃压裂油井流体渗流场分析的电模拟实验装置，并利用该装置测定和分析了不同水力裂缝和爆燃裂缝参数条件下的等压线和电流比，用电流比表征油井增产效果，与水力裂缝层内爆燃压裂油井产能模型的计算结果进行了对比。研究结果表明，水力裂缝和爆燃裂缝的存在，改善了流体在地层中的渗流状况，有利于油井产能的提高；实验模型产能测试结果与计算模型预测结果之间相对偏差为0．21％～7．72％，平均相对偏差为4．06％，证明电模拟实验具有较高精度。     

软土地区储罐群地基沉降的三维数值模拟

在软土地区修建储罐群的过程中,不均匀沉降成为工程的主要控制因素之一.由于沉降问题受到储罐间距、孔隙水压力变化等动态因素的影响,使得问题的解决趋于复杂.运用FLAC~(3D)数值模拟软件,建立三维非线性有限差分模型,综合各种变化因素的影响,研究软土地区不同净距的储罐群地基的变形及应力分布,模拟分析不同净距对储罐沉降和沉降差的影响.结果表明,在考虑地基土附加应力和超孔隙水压力共同作用时,储罐净距为0.6D(D为储罐直径)左右时比较合理.     

水平井多段分簇压裂裂缝扩展形态数值模拟

水平井多段分簇压裂技术已成为低渗透油气增产的关键技术,能够大幅度增加储层的泄油面积,最大限度地提高采收率,而射孔簇间的应力干扰是影响水平井多段分簇压裂的关键因素。为了提高储层改造体积,研究簇间裂缝扩展的规律,根据流-固耦合及岩石断裂力学理论,利用ABAQUS扩展有限元法建立水平井多段分簇水力压裂二维模型,并利用数值模拟结果对现场2口井的压裂参数进行优化。数值模拟结果表明:水力裂缝长度、簇间距、水平应力差、压裂次序对水力裂缝形态影响显著;裂缝诱导应力场对裂缝形态影响程度随裂缝长度增加逐渐增强,随簇间距和水平应力差的增大逐渐降低;水力压裂次序可以明显改变诱导应力场分布,合理利用能增加有效裂缝长度。现场压裂参数优化后的2口井产能得到明显提高,证明了数值模型的可行性。     

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。