页岩气储层水平井与压裂工程基础问题探讨

水平井钻井和压裂改造是页岩气高效开发的关键技术,我国页岩气储层水平井与压裂工程面临诸多工程与地质挑战:(1)钻头适应性差,破岩效率低,"一趟钻"难突破;(2)层理裂隙发育,井眼垮塌和井漏问题突出,坍塌周期明显;(3)压裂缝网形成机制仍需深入认识,复杂裂缝系统的压裂设计理论有待完善.指出页岩气储层岩石破碎机理与高效破岩、长水平段井壁失稳机理与控制、复杂缝网形成机制与调控等是亟需解决的关键基础问题.探索工作流体(钻井、完井、压裂流体)与页岩之间的多重耦合作用机理,建立流体-固体、力学-化学耦合的理论模型将是未来研究的重点和难点,具体包括:(1)考虑页岩自发渗吸、水膜润滑裂缝面、岩石脆性等条件下的页岩破碎机理;(2)考虑水岩反应、力学-化学耦合作用的页岩长水平段井壁失稳机理;(3)压裂液作用下的流体压力分配与多裂缝竞争开裂机制.针对关键基础问题综述了研究进展和发展趋势,对促进我国页岩气储层水平井与压裂工程的科学发展有一定借鉴作用.     

新型强酸性清洁压裂液的研究与应用分析

目前石油压裂领域中所用的清洁压裂液基本均在碱性条件下成胶.强碱性液体在地层中与岩层反应生成的不溶沉淀物将会对储层渗透率造成严重的伤害,并在施工设备表面形成污垢难以清除.本文所述的强酸性清洁压裂液是一种新型的清洁压裂液,通过由表面活性剂和反离子盐在酸溶液中形成的黏弹性流体而进行携砂压裂,其可以在强酸性环境中(pH2)成胶从而有效携砂,并应用于80℃以下的地层之中,其抗剪切性能优良,携砂性能和缓蚀效果好,原油破乳率达到90%以上,在地层中遇油气或遇水均能彻底破胶、无残渣,不会对地层造成永久性伤害该新型强酸性清洁压裂液集合了酸性压裂液和清洁压裂液二者的优点,在保护地层的同时对油气层既有酸蚀作用,又有支撑压裂作用,尤其对含钙砂岩储层的增产效果十分明显,已经成功应用于大庆油田,单井增产达9倍,增产倍比是普通压裂井的2~4倍.     

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气的开采成为我国绿色能源开发的新领域.尽管北美页岩气革命取得了成功,水力压裂是成功的开采方式,目前采收率仅为5%~15%,问题出在哪里呢?由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇.本文针对页岩水力压裂的关键力学问题,阐述理论、计算和实验的研究进展和技术难点,主要内容有:页岩人工裂缝扩展的大型物理实验模拟平台;考虑时间相关性的各向异性本构模型;页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法;裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型;耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展数值模拟方法.     

低渗透非均质砂砾岩的三维重构与水压致裂模拟

运用?CT成像、X射线衍射等方法,构建了考虑砂砾矿物成分与分布特征的非均质砂砾岩的三维重构模型,采用基于连续介质的离散元程序(CDEM)模拟分析了不同水平地应力下砂砾岩水力压裂裂缝的起裂与扩展行为.通过与均质砂岩计算结果的对比,阐述了水平应力比变化和砾石颗粒对砂砾岩压裂裂缝起裂、扩展和空间展布的影响.同时,完成了非均质砂砾岩和均质砂岩物理模型的水力压裂试验,并与数值模拟结果进行了对比.研究表明,砂砾岩的非均质性显著影响压裂裂缝的起裂和扩展行为.相同应力条件下砂砾岩压裂裂缝的起裂压力小于均质砂岩起裂压力,随水平应力比增大两者起裂压力的差异逐渐减小,非均质性强的砂砾岩的起裂压力受水平应力比变化的影响较小.无论非均质砂砾岩或均质砂岩,水平应力比变化均影响压裂裂缝的空间展布和形态.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

鄂尔多斯盆地南部延长组中段剪裂缝方向分析

鄂尔多斯盆地南部延长组中段长6~长8段发育6组高角度天然构造剪性缝,组成3组共轭裂缝系统,分别为走向60°和120°的共轭剪裂缝,最大主应力为E-W向;走向150°和75°的共轭剪裂缝,最大主应力为NWW-SEE向;走向30°和90°的共轭剪裂缝,最大主应力为NEE-SWW向.由于延长组地层的各向异性,走向约75°的裂缝为延长组中段的优势裂缝.地震各向异性计算和成像测井识别得到的裂缝走向玫瑰图均显示:和长6与长8相比,长7中的优势裂缝走向顺时针偏转了约5°.而各层的平面裂缝分布图也显示各层的裂缝密度分布发生了改变.根据常规测井曲线计算划分岩性,分别统计成像测井的图像识别结果中泥页岩和砂岩中的裂缝.走向玫瑰图结果显示,同一构造背景下,砂岩中的优势裂缝走向和泥岩相比较,逆时针方向旋转了约10°,和野外露头的节理测量结果一致.由常规测曲线的值带入公式和前人总结的经验数学关系中,计算得到泥岩的内摩擦角较砂岩的大18.6°,因此泥岩的剪裂角较砂岩小约9.2°.根据库伦破裂准则,一组共轭剪裂缝的锐角平分线方向与最大挤压应力方向一致,剪裂缝和最大挤压应力的夹角为剪裂角.而延长组地层在鄂尔多斯盆地南部近水平,成像测井中识别的剪性天然构造张开缝均为高角度近垂直,由于优势裂缝走向约75°,对应的最大主应力方向为NWW-SEE向,因此砂岩中的NEE至E-W向的裂缝较泥岩中的向逆时针方向发生偏转.根据单井中自然伽马值(GR)的分布具有正态分布的特点,进行了各层砂泥比计算:长6砂泥比0.72;长7砂泥比0.24;长8砂泥比1.04.将长7作为纯泥岩段,长8作为砂泥互层段,计算得到的剪破裂角和成像识别出的裂缝走向差异一致.     

1998年夏季南海环流

基于１９９８年夏季的温盐深（ＣＴＤ）和气象观测资料,采用改进逆方法计算了南海海流的流速和流量,并结合声学Ｄｏｐｐｌｅｒ测流（ＡＤＣＰ）资料分析了南海环流特征。结果如下：（１）南海东北部环流最重要的特征是黑潮有一个分支入侵南海,但流量不大。该分支作反气旋式弯曲通过巴士海峡流向台湾以南海域,而没有入侵南海内部;（２）南海北部海区主要受气旋式五流系统所支配,并伴随有两个冷涡;（３）南海中部、西南部海区主     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

页岩压裂中压裂液返排率低的孔隙尺度模拟与解释

针对页岩压裂过程中,压裂液返排效率普遍很低的现象,基于高分辨率页岩岩样SEM(scanning electron microscope)电子显微镜扫描图像,利用马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo)方法重构得到页岩的三维数字岩心,采用具有高密度比的格子Boltzmann模型,从孔隙尺度来模拟页岩中气水两相驱替过程.首先通过计算表面张力和相对渗透率来验证模型的准确性,然后模拟页岩数字岩心中的油水两相流动,页岩中首先饱和水(气)相,然后从一端注入气(水)相,模拟终止条件为驱替相在出口端发生突破,气水运动黏度比和密度比分别设置为10:1和1:1000.水驱气过程中发生突破时,水相的饱和度为70%,而气驱水过程中发生突破时,气相的饱和度只有4.5%,给出了三维数字岩心中驱替相分布,在气驱水的过程中发生突破时,大部分水被滞留在页岩孔隙中,从而解释了页岩水力压裂中,压裂液返排效率低于10%的现象.     

Bi2Sr2CaCu2O8+x单晶本征结制备及特性

在Bi2Sr2CaCu2O8+x单晶上制备了具有台式结构的本征Josephson结, 成功地观察到了本征结特有的电压-电流(I-V)特性曲线, 包括多分支结构、具有低临界电流的表面结以及准粒子分支上的亚能隙结构, 并给出了相应的物理解释. 在30 K时本征结的能隙电压为20 mV. 此外, 内禀结的Ic-T曲线和波对称超导体沿c轴方向Ic-T关系理论计算结果基本符合. 其dI/dV-V关系曲线大致呈V型, 与具有s波配对对称性超导体所呈现的U型的dI/dV-V曲线有明显不同, 体现了Bi2Sr2CaCu2O8+x具有波配对对称性.     

一种用于冲击压缩实验并设有10 K气冷屏的液氦温度低温靶

液氦的冲击压缩实验是一种获取样品氦在高温高密度下性质的可行途径. 介绍了一种自研制的应用于100 Pa环境中的液氦温度低温靶, 该低温靶具有独立真空夹层和气冷屏的结构设计, 获得了3.63 K的最低温度和3.7 K的稳定温度, 降温过程和温度稳定性都完全满足冲击压缩实验的要求. 为了研究低温靶的绝热性能, 利用Fluent对低温靶热分析, 计算结果与实验结果吻合较好, 计算方法可以有效用于低温靶的优化设计.     

北太平洋副热带环流的经向输送与Sverdrup输送关系研究

基于再分析资料, 比较了应用流速资料直接计算的和基于Sverdrup关系应用风应力资料估算的北太平洋副热带环流的经向体积输送的差异. 结果表明在海洋内区气候平均状态下, Sverdrup输运与实际的北太平洋副热带环流的经向体积输送相差甚小. 对于北太平洋副热带环流的经向体积输送的10 年际变化特征, 由于海洋环流对风应力变化的响应只有当第一模态斜压Rossby波到达西边界后才能完成, 所以当应用该延迟时间修正了Sverdrup输运函数后, 修正后的Sverdrup输运与实际的经向输送的十年际变化趋势就有了很好的相关性, 特别是在西边界附近. 结果表明Sverdrup平衡不仅在气候平均意义下是副热带内区环流很好的近似, 而且当考虑了第一斜压模态Rossby波的传播时间后, Sverdrup平衡也可以很好地估计海洋环流随时间变化的特征.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

可压缩容积对内肋阵列微通道流动沸腾不稳定性影响

实验研究了通道入口上游存在不同的可压缩容积条件下,水力直径为210.4mm的硅基内肋阵列微通道内去离子水流动沸腾不稳定性,实验采用的内肋结构为圆形叉排内肋阵列.实验过程中,实验段加热功率保持恒定,采用逐渐减小去离子水质量流量的方法改变工况.定量分析了不同可压缩容积条件下,沸腾不稳定起始点(OFI)、沸腾不稳定现象产生时,温度和压力振荡的振幅和周期变化规律.结果表明,几种可压缩容积(V=0,0.5,1.0和2.0cm~3)条件下,OFI点对应的质量流量几乎相同,这表明可压缩容积对OFI没有影响.当通道上游存在可压缩容积时,OFI点之后通道内产生了沸腾不稳定性现象,伴随着温度和压力的周期性振荡.而且随着可压缩容积增加,温度和压力振荡的振幅逐渐增大,周期线性增加.在非稳态沸腾区,流量稍有减小便会引起平均压降突然增大,且增幅随着可压缩容积增加而增大.而通道上游不存在可压缩容积时,通道内未产生沸腾不稳定性现象.微通道入口上游可压缩容积有多种形式,采用压力罐驱动和上游管道采用软管连接都会引入可压缩容积,从而引起可压缩容积不稳定性振荡.     

黄土丘陵区退耕上限坡度的研究论证

以野外考察研究资料为基础 ,结合定位观测和人工降雨模拟实验 ,对黄土丘陵区退耕上限坡度进行了科学论证 .研究结果表明 ,坡耕地上浅沟侵蚀的发生发展是导致侵蚀量剧增的主要因素 ;发生浅沟的临界坡度为 15°～ 2 0° ,大于 2 5°的陡坡耕地浅沟发生的频率最高 ,其侵蚀量可占坡耕地总侵蚀量的 70 %左右 ;浅沟侵蚀强度的剧增在于其流量、流速及单位流量的平均含沙量均明显大于片蚀和细沟侵蚀过程 .据此提出 ,必须禁止开垦发生浅沟侵蚀强度最大的大于 2 5°的陡坡 ,并尽可能控制在发生浅沟侵蚀的临界坡度 15°～ 2 0°以下 .     

一种新的三维欧式距离变换方法及在数字岩心中的应用

针对目前距离变换方法在三维数字岩心中应用时,搜索方向多、计算数据量大、耗费时间多、占用内存大等问题,提出一种基于几何拓扑学理论中空间邻居关系的新的距离化搜索算法.根据岩石内部孔隙结构与二维平面欧式距离求解方法,引入一个三维空间距离游标进行辅助计算.相比现有方法,新的算法简化了邻居域欧式距离值的比较规则,避免了复杂的欧式距离结构体带来的大量运算,且算法复杂度低,可以被更好地理解和应用.本文详细叙述了算法的具体实现过程,并将该方法推广到具有缝洞特征碳酸盐岩数字岩心的孔隙空间分割工作中.结果表明该方法准确高效,对于油气藏孔隙级微观描述具有现实意义.     

福建泉州湾盐沼对台风“格美”的沉积动力响应

为了探讨海岸盐沼在台风条件下的海岸防护机制, 利用小型压力传感器、电磁式流速仪、Seapoint浊度计观测了互花米草盐沼、光滩在2006年“格美”台风登陆前后的水位、流速、流向、悬沙浓度等沉积动力参数. 结果显示: 互花米草盐沼内底层流速一般小于5 cm·s^-1, 明显低于光滩(5~35 cm·s^-1); 互花米草盐沼内底层流速大小对台风的响应不显著, 但其流向随台风作用强度的不同而出现较大差异; 台风过境对附近海域悬沙浓度的影响非常显著, 悬沙浓度达到正常天气情况下的13~19倍, 台风影响后期互花米草盐沼底层悬沙浓度高于光滩. 计算结果表明, 台风期间互花米草盐沼和光滩底层悬沙输运量是平常天气情况下的4倍左右; 落潮期间, 光滩底部切应力在大部分时间大于临界切应力, 滩面发生侵蚀, 台风登陆后的侵蚀通量为正常天气情况下的2~3倍不等, 而互花米草盐沼底层切应力一般小于临界侵蚀切应力, 符合悬沙沉降条件的时间段也比较长, 整个滩面很少发生侵蚀, 以沉降为主, 台风显著影响期间的悬沙沉降通量是正常天气情况下的3~6倍, 落潮期间的沉降通量是涨潮期间的1~2倍. 根据台风期间互花米草盐沼和光滩的沉积动力过程的对比, 前者有利于悬沙的堆积, 而光滩的沉积动力过程则使滩面发生侵蚀.     

福建泉州湾盐沼对台风“格美”的沉积动力响应

为了探讨海岸盐沼在台风条件下的海岸防护机制,利用小型压力传感器、电磁式流速仪、Seapoint浊度计观测了互花米草盐沼、光滩在2006年"格美"台风登陆前后的水位、流速、流向、悬沙浓度等沉积动力参数.结果显示:互花米草盐沼内底层流速一般小于5cm·s-1,明显低于光滩(5～35cm·s-1);互花米草盐沼内底层流速大小对台风的响应不显著,但其流向随台风作用强度的不同而出现较大差异;台风过境对附近海域悬沙浓度的影响非常显著,悬沙浓度达到正常天气情况下的13～19倍,台风影响后期互花米草盐沼底层悬沙浓度高于光滩.计算结果表明,台风期间互花米草盐沼和光滩底层悬沙输运量是平常天气情况下的4倍左右;落潮期间,光滩底部切应力在大部分时间大于临界切应力,滩面发生侵蚀,台风登陆后的侵蚀通量为正常天气情况下的2～3倍不等,而互花米草盐沼底层切应力一般小于临界侵蚀切应力,符合悬沙沉降条件的时间段也比较长,整个滩面很少发生侵蚀,以沉降为主,台风显著影响期间的悬沙沉降通量是正常天气情况下的3～6倍,落潮期间的沉降通量是涨潮期间的1～2倍.根据台风期间互花米草盐沼和光滩的沉积动力过程的对比,前者有利于悬沙的堆积,而光滩的沉积动力过程则...     

酸性土壤环境中X70钢缝隙腐蚀行为的研究

采用矩形缝隙装置, 通过对X70/酸性土壤(鹰潭)浸出液体系进行阴极极化、通入CO₂和钢表面预腐蚀, 研究了X70钢在酸性土壤中的缝隙腐蚀行为. 实验测量了模拟剥离涂层下, X70钢在不同位置的电位、溶液pH及氧含量随时间的变化曲线. 结果表明, 酸性土壤环境中, 随着阴极极化程度增加, 缝内X70钢电位负移, 缝内外电位差加大, 缝内过剩的阴极电流导致H₂O还原使溶液pH升高. 缝内溶解氧耗尽与外加阴极电流没有关系. CO₂的存在抑制了缝隙内碱性溶液环境的形成, 导致近中性pH应力腐蚀产生的电位-pH环境. 钢表面的预腐蚀产物降低了缝内的极化速率.