页岩储层体积压裂裂缝扩展机制研究

页岩储层天然裂缝、水平层理发育,水力压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝。针对页岩储层体积裂缝扩展问题,基于流-固耦合基本方程和损伤力学原理,建立了页岩储层水力压裂体积裂缝扩展的三维有限元模型。将数值模型的模拟结果与页岩储层裂缝扩展室内试验结果进行对比,二者吻合较好,从而证明了数值模型的可靠性。通过一系列数值模拟发现：（1）水力压裂过程中水平层理可能张开,形成水平缝,水平与垂直缝相互交错,形成复杂的体积裂缝网络;（2）水平主应力差增大,体积裂缝的分布长度（水平最大主应力方向压裂裂缝的展布距离）增加、分布宽度（水平最小主应力方向压裂裂缝的展布距离）减小,体积裂缝的长宽比增加;（3）压裂施工排量增大,体积裂缝的分布长度减小、宽度增加,压裂裂缝的长宽比降低;（4）天然裂缝的残余抗张强度增大,体积裂缝分布宽度减小、分布长度增加,体积裂缝的长宽比增加。研究成果可以为国内的页岩气的压裂设计和施工提供一定的参考和借鉴。     

涪陵页岩气田高曲率区水平井压裂特征及调整对策

涪陵页岩气田焦石坝区块西南部地区受多期地质构造运动叠加,构造变形强、断裂复杂。地震曲率属性显示主力气层段曲率体分布密集,虽然曲率仅表示地层弯曲变形程度,但对于页岩储层高曲率往往预示着该区域微裂隙、天然裂缝更加发育,这有利于页岩储层形成复杂裂缝网络。然而,如果天然微裂隙过早过多开启,造成压裂液大量滤失,在压裂改造过程中表现出裂缝扩展受限、砂比提升困难,与主体区相比压裂施工曲线表现出较大差异,施工难度大大增加。本文从曲率平面分布特征、曲率密度、方向性、延伸长度入手,定量化描述了曲率与压裂试气效果之间的关系;考虑区域构造、断层等因素影响,分析了几种不同高曲率带的压裂施工特征,并提出了相应的压裂工艺调整对策,为后期提高压裂改造效果、高效开发气田提供了经验参考。     

大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

为研究大倾角煤层水力压裂裂缝扩展形态，采用大尺寸真三轴压裂模拟系统，分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验。结果表明:最大主应力方向沿地层走向时，裂缝起裂容易，缝高受限，裂缝连通性好，裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝，形成垂直缝形态，地层倾角对压裂施工影响相对较小，建议进行大规模压裂以充分改造煤储层；最大主应力方向沿地层倾向时，裂缝起裂困难，前期缝高受限，后期缝高失控，裂缝连通性差，受节理影响，不易形成主缝，所以裂缝扩展困难，转向及多级破裂较多，此类煤层建议进行多级小规模压裂改造。实验结果对新疆等地区大倾角煤层的改造模式和改造规模具有指导作用。      

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

层理性页岩力学参数对水力压裂裂缝形态的影响分析

岩石力学性质及地应力等地质力学参数是进行储层压裂改造的基础数据,影响着整个压裂设计的准确性。由于页岩层理发育及矿物组成的复杂性、页岩力学性质的横观各向同性,所以基于传统力学模型获取的压裂参数设计将丧失意义。以横向各向同性模型体现层理发育页岩储层的力学性质,通过简化的横纵弹性模量和泊松比可以较好地表达出页岩的横观各向同性,并总结了横观各向同性地应力解释方法。基于上述理论,应用商业化水力压裂数模软件对四川盆地某层理页岩储层进行了压裂设计,比较了基于横观各向同性模型与传统模型解释力学参数差异,非常规储层动静态力学参数转换,同时通过改变射孔位置研究了起裂点对裂缝形态的影响。研究发现,横观各向同性解释的杨氏模量、地应力要略高于传统方法,同时横观各向同性解释的地层地应力差较小,所以受不同射孔位置的变化对裂缝几何的形态影响要远远高于各向同性模型模拟的结果,特别是缝高变化更为明显。同时数据表明,在高应力区射孔将形成更为狭窄缝宽的水力裂缝,这会严重影响后续支撑剂的进入,以上结论将为提高页岩储层的压裂设计精确性给予重要帮助。     

页岩储层体积压裂缝网形成的主控因素及评价方法

页岩储层的体积压裂能有效沟通天然裂缝使其形成缝网系统,极大地提高了页岩气的产能,让页岩气的开采尽快获得经济效益,因此对体积压裂缝网形成研究显得尤为重要,在对国内外大量页岩储层测试数据和体积压裂缝网形成研究成果全面系统调研和深入分析总结的基础之上,认为页岩储层体积压裂缝网的形成主要受控于3个方面的因素:1储层本身质量好,高的脆性矿物含量、杨氏模量,低的断裂韧度、泊松比、应力衰减速率和储层敏感性等,即储层的可压裂性越高,越易形成缝网;2地质背景条件优越,低的应力各向异性、天然裂缝发育、小的逼近角等,利于压裂裂缝延伸并扩展成缝网;3压裂工程措施适当,包括起裂方位和压力、支撑剂及压裂液性能、施工液量及排量等施工参数设计合理,有利于水力裂缝的充分扩展;另外,对以上控制因素的评价方法主要有室内实验、软件数值模拟及现场监测等,这些认识对体积压裂缝网形成机理研究及压裂优化设计具有重要的理论价值和实践意义。     

水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸的机理研究

页岩储层中天然节理、裂缝极为发育,水力压裂产生的水力裂缝可激活天然裂缝,形成复杂的弥散性裂缝缝网,起到增渗、增产的效果;另外,天然裂缝也是页岩气储存的介质,一部分气体以游离态的形式存在于天然裂缝当中。采用数值计算方法研究水力裂缝与天然裂缝的相互作用机理,重点探讨水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸形成缝网的机制。计算模型包括单一天然裂缝和3条天然裂缝两种情况,计算变量考虑天然裂缝与水力裂缝的逼近角、主应力差和地层的弹性参数。研究表明:（1）随着逼近角的不同,地层的破裂应力存在一定的差异,逼近角为90°时,地层破裂所需要的临界水压最大,且地层的破裂应力随着主应力差的增大而减小;（2）无论是单一或3条天然裂缝,水力裂缝沟通天然裂缝活化后,分支裂缝的延伸方向基本恢复至与最大水平主应力平行的方向,当逼近角为90°时,裂缝的滑移量最大,激活效果最佳;（3）逼近角为90°时,天然裂缝尖端处容易出现水力裂缝双转向现象,更有利于形成复杂的裂缝网络,并且此时单元破裂数量最大,压裂效果最好;（4）随地层弹性模量的增大或泊松比的减小,激活天然裂缝的临界水压减小,说明储层的弹性属性会影响缝网的形成,在高弹性模量、低泊松比的脆性地层中射孔时会收到较理想的压裂效果。     

人工裂缝逼近条件下天然裂缝破坏特征分析

通过水力压裂裂缝的诱导应力场打开远场天然裂缝,可改变储层应力场,易形成压裂主裂缝、分支缝、应力松弛缝相互连通的裂缝网络,从而提高了页岩气储层改造效率,因此在页岩气开采中具有广阔的应用前景。人工裂缝逼近条件下天然裂缝的破坏特征是人工裂缝诱导应力场激活远场天然裂缝的核心问题之一。应用位移间断法(DDM),建立了人工裂缝逼近条件下激活天然裂缝的力学模型。根据摩尔-库仑破坏准则,建立了不同天然裂缝破坏状态的约束条件,形成了天然裂缝破坏特征的计算方法,并通过算例验证其正确性。在此基础上,模拟了人工裂缝逼近条件下天然裂缝张开、滑移、闭合行为,并研究了其影响因素。结果表明,天然裂缝下表面处最大主应力呈双峰型分布,天然裂缝下表面处最大主拉应力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增大。当人工裂缝逼近天然裂缝时,天然裂缝的剪切型破坏长度大于张拉型。天然裂缝破坏长度随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增大而减小,随着缝内净压力的增大而增大。天然裂缝破坏长度随着人工裂缝尖端到天然裂缝的距离的减小而增加。天然裂缝剪切型破坏长度随着摩擦系数及黏聚力的增大而减小。研究结果对页岩气压裂技术具有理论指导意义。     

鄂尔多斯盆地延长组页岩裂缝特征与地应力研究

鄂尔多斯盆地延长组是我国近些年陆相页岩气的重点勘探区之一。本文从页岩的露头观测、岩石学特征、成像测井分析、地应力特征及可压裂性等方面,研究了鄂尔多斯盆地延长组泥页岩层段的裂缝发育特征,以及地应力对人工压裂诱导缝的影响。基于岩石学分析,延长组长7和长9段的泥页岩脆性矿物平均含量较高,分别为57.2%和44%。根据泥页岩露头观测和成像测井分析,长7段泥页岩发育有北东东向为主的垂直裂缝组,同时可见北北东向和南北向的垂直裂缝组。此外,压裂诱导缝的优势方位和成像测井分析结果表明,现今最大水平主应力方向为70°左右（即北东东向）。裂缝开启性分析表明,北东东向至近东西向裂缝组与现今最大水平地应力方向一致,开启性较好;而北北东裂缝组与现今最大水平地应力交角相对较大,开启性相对较差。因为现今地应力的水平应力比值（σH/σh = 1.54）相对较小,在后期人工压裂中延长组泥页岩中的诱导裂缝更倾向形成复杂的裂缝网格系统,这样会使裂缝与储层之间获得最大的接触,从而更有利于提高产能。     

湘西北HY1井下寒武统牛蹄塘组页岩储层可压性评价

为系统深入研究湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层可压裂性,以HY1井为依托,通过密集取心采样、实验测试分析、测井综合解释等多种方法手段,系统分析了牛蹄塘组页岩储层有机地球化学特征、储集物性、裂缝发育特征、脆性矿物组成、岩石力学性质,进而探讨了牛蹄塘组富有机质页岩可压裂性。结果表明:HY1井牛蹄塘组有机碳含量高(0.25%~13.3%),富有机质页岩发育于牛蹄塘组下部,厚约65 m;富有机质页岩段构造缝密度低(0.27~1.21条/m),页理缝发育;矿物脆性指数高(17.7%~86.4%)、静态杨氏模量大(37~62 GPa)、静态泊松比较低(0.14~0.26)、两相水平压力差异系数较大(0.21~0.54)。总体上,牛蹄塘组页岩脆性好,岩石强度大,有利于压裂改造,但大量页理缝的存在增加了裂缝复杂度的同时,对压裂缝产生一定不利影响,且两相水平压力差较大,易形成双翼缝。因此,压裂设计时要综合考虑页理缝可能造成的漏失和对裂缝高度及长度延伸的影响。     

评价页岩压裂形成缝网能力的新方法

页岩储层的“体积压裂”,使美国页岩气产业取得巨大成功,有效评价压裂裂缝网络形成的难易程度,是压裂开采的首要目标,目前国内外尚未发现有效的评价方法,为此开发了一种新的测试方法。针对10种岩芯,测试岩石力学参数,并对比分析常用的3种页岩脆性评价方法。采用压后裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度对裂缝进行定量表征,并对压后崩落碎块进行对比分析。通过实验认为,杨氏模量和泊松比判别法与塑性系数判别法用于评价岩石脆性,精确度更高;脆性岩石通常表现为高杨氏模量或（和）低泊松比的特征,与单轴抗压强度、抗张强度和压入硬度没有对应关系;压裂裂缝的分布具有统计意义上的分形特征,分维可用于定量评价压后裂缝网络复杂度;硬度越高,压后裂缝密度越小;脆性越强,压后裂缝密度越大。新方法是岩石脆性、硬度和天然裂缝系统（和沉积层理）特征的综合体现,用于评价页岩压后形成缝网的能力,不仅直观可靠,而且简单有效,有利于现场推广应用,对于今后页岩气或致密砂岩气开发的理论研究和现场应用具有一定的指导意义。     

不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律

查明不同煤体结构煤水力压裂时裂缝延伸规律能为合理井网部署奠定基础。以沁水盆地柿庄区块为研究对象,对钻井煤心裂隙进行观测,划分出4种裂隙发育程度煤。基于岩体力学理论,建立了水力压裂过程中裂缝尖端应力场计算模型和水力裂缝能否穿过天然裂隙的判断准则。根据煤层气井实测资料,验证了理论分析的可靠性,得出了不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律。结果表明:考虑诱导应力前后,2组天然裂隙发育煤的水力裂缝延伸规律不同,随着缝长增加,诱导应力随之增大,水力裂缝单一延伸方向变为双向延伸;1组天然裂隙发育煤的发育方向与最大主应力方向夹角较小,导致考虑诱导应力前后水力裂缝的延伸方向变化不明显,整体延伸趋于天然裂隙发育方向;在粒状偶见及粉状无裂隙发育煤中,水力裂缝总是沿着最大主应力方向延伸。研究成果为该区不同应力和裂隙发育下井网合理布置提供了理论依据。      

页岩储层压裂工艺技术在渝东地区应用

页岩气的工业化开发要求对致密储层进行体积压裂改造,水平井多级分段压裂技术是成功开发页岩气藏的关键技术之一。页岩储层在地应力与致裂压力联合作用下突破页岩基质,沟通天然裂隙等弱结构面,形成高导流能力缝网系统,页岩储层中赋存的游离气和吸附气得以释放,提高了页岩气井的初始产量和最终采收率。根据渝东地区页岩储层工程地质特征,结合渝页A-2HF井、渝页B-2HF井矿场压裂施工数据,探索适用于渝东地区的页岩储层压裂工艺技术,结果表明,采用前置盐酸处理储层保持近井带导流能力,能够保障后续大排量施工压力窗口;低砂比粉砂段塞多级降滤实现“控近扩远”,增加储层改造体积;压力异常层段胶液前置充分造缝,可为后续滑溜水携带支撑剂进入地层创造有利条件。     

超临界CO2分段多簇压裂井间干扰规律研究

水平井分段多簇压裂是非常规油气藏开发的关键技术,在合理利用压裂诱导应力增大储层改造体积的同时,避免井间干扰所导致的裂缝砂堵和压裂窜扰,是压裂工艺优化中的关键科学问题。文章针对超临界CO₂分段多簇压裂的缝间干扰和井间干扰问题,采用流固耦合的扩展有限元方法研究单井及多井裂缝诱导应力演化特征,充分考虑裂缝内超临界CO₂流动和滤失,从非常规油气储层岩性特征、地应力场分布及施工工艺等多方面对压裂扰动应力进行系统研究,揭示单井分段多簇压裂缝扩展机制及应力扰动特征,在此基础上研究多井井间压裂缝干扰规律。结果表明：高水平应力差、高弹性模量的储层中压裂干扰界限较大,低水平应力差、低弹性模量地层需适度增大簇间距,减小簇间干扰;老井压裂后,其邻井压裂缝非对称系数随井间距呈先增大、后减小的趋势;当井间距等于压裂干扰界限时,非对称系数λ达到最大,且井周改造范围最大,但裂缝两翼的非对称性可能导致储层动用不充分。本研究为水平井细分切割压裂和立体式井网设计优化提供理论基础,在“双碳”战略背景下对非常规油气资源高效开发具有重要意义。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

页岩水平井多段分簇压裂起裂压力数值模拟

页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。     

大尺寸真三轴页岩水平井水力压裂物理模拟试验与裂缝延伸规律分析

采用真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统以及压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸页岩水平井进行了水力压裂物理模拟试验,通过裂缝的动态监测和压裂后剖切等分析了裂缝的扩展规律,并对页岩压裂缝网的形成机制进行了初步探讨。结果表明：（1）水力裂缝自割缝处起裂并扩展、压开或贯穿层理面,形成相对较复杂的裂缝形态;（2）裂缝中既有垂直于层理面的新生水力主裂缝,又有沿弱层理面扩展延伸的次级裂缝,形成了纵向和横向裂缝并存的裂缝网络;（3）水力裂缝在延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力;（4）水力裂缝在扩展过程中遇到弱层理面时的止裂、分叉、穿过和转向现象是形成页岩储层复杂裂缝网络的主要原因,而弱结构面的大量存在是形成复杂裂缝的基础。其研究结果可为页岩气藏水平井分段压裂开采等提供有力技术支持。     

水平井压裂储层应力场分布模拟方法

在研究分析水力压裂对储层岩石力学特性参数影响的基础上,提出一种压力储层应力场分布模拟计算方法。通过建立水平井储层原地应力场模型和水力压裂产生人工裂缝诱导应力场模型,并且利用实际的水力压裂测井参数对储层原地应力场和压裂产生裂缝诱导应力场分布进行了模拟计算。模拟计算结果表明,压裂产生人工裂缝会对储层应力场分布造成很大影响;压裂后储层应力主要在裂缝周围得到积累,并且距离裂缝越远,应力值积累越少;压裂生成裂缝长度也会影响储层应力场分布,裂缝越长,裂缝诱导应力场减小越慢。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论：致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5. 7倍和1. 7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

不同深度页岩储层力学各向异性的试验研究

为研究不同深度页岩储层力学参数的各向异性,开展了龙马溪组相关储层页岩的单轴压缩试验,探究了页岩储层力学参数在横向和纵向的变化规律,深入分析了页岩储层力学参数的各向异性指数。不同深度页岩储层矿物含量、天然裂缝的发育、层理缝密度等因素均导致储层表现出一定程度的各向异性;取样深度范围内,弹性模量随储层埋深的增加有减小的趋势;泊松比随储层埋深的增加有两头高、中间低的现象;抗压强度随储层埋深的增加表现出两头低、中间高的现象。抗压强度的横向和纵向异性指数均显著大于相同环境条件下弹性模量和泊松比的异性指数,且抗压强度的异性指数波动范围更广。力学参数的横向及纵向异性指数在一定程度上反映岩体力学性能的空间分布,深部岩体工程施工时,应提前开展不同深度和不同方向异性指数的力学试验调查,在优化工程施工的基础上,选取适用的力学本构关系。