砂砾岩油气储层水力压裂强化增透裂隙扩展特性试验研究

水力压裂是提高砂砾岩油气储层渗透率从而提高油气产量的有效方法。本文利用由冻土三轴力学实验系统改装而成的三轴水力压裂物理实验系统,系统的考察了六个粒径等级的砂砾岩试样在水力压裂作用下的相关力学特性,测试了不同粒径等级试样的起裂压力,研究获得了不同粒径尺寸等级下砂砾岩试样裂隙发育、扩展特性和应变演化规律,砂砾岩的粒径等级越大,裂纹分支越多,粒径等级越小,裂纹分支越少;揭示了不同粒径尺寸等级下砂砾岩试样主裂缝起裂与扩展规律,推导出了起裂时水压力的临界值计算公式和起裂判据,其计算结果与实验数据基本吻合。研究成果可以为砂砾岩油气开采提供理论支撑。     

砂砾岩液态CO2破裂机制试验研究

砂砾岩储层一般较为致密，且非均匀性强，常规压裂方法压裂效果不理想。液态CO2（L-CO2）压裂是近年来提出的一种压裂增产手段，压裂效果上具有明显的优势。采用井底岩芯开展不同围压下清水和L-CO2压裂试验，并结合?CT扫描和核磁共振试验，比较两种压裂方式在破裂压力、破裂特征和裂缝分布的差异，深入分析砂砾岩L-CO2压裂的破裂机制。发现相同围压下L-CO2可大幅度降低破裂压力，且增大围压，L-CO2和清水压裂的破裂压力相差越大；?CT扫描显示，L-CO2压裂形成的是不规则的多分支裂缝，与主裂缝共同构成复杂裂缝网络，L-CO2压裂的裂缝体积是远大于清水压裂。核磁共振（NMR）结果发现，L-CO2压裂中破裂以贯通砾石颗粒界面微裂纹的方式为主，剪切激活机制占主导作用，而清水压裂以形成张拉的单一裂缝方式为主。L-CO2压裂获得更好的裂缝网络主要与砂砾岩中砾石颗粒造成的非均匀性有关，并影响着裂缝网络的复杂性。相关的研究成果可为砂砾岩储层改造和增产增效工艺优化提供指导。     

地应力对破裂压力和水力裂缝影响的试验研究

为研究水力压裂时地应力对破裂压力和水力裂缝的影响规律,采用水力压裂试验系统,以相似材料作为研究对象,进行了水力压裂物理模拟试验,并借助煤岩断面三维扫描系统、位移计提取了水力裂缝信息。试验结果表明,随着主应力差的增大,破裂压力逐渐降低,破裂时间也逐渐缩短;随着主应力差的增大,破裂面的表面积逐渐增加,破裂面变得逐渐粗糙;围压相近时水力裂缝易出现转向、分叉,压裂液的动力效应越明显;水力裂缝张开度随着主应力差的增大而逐渐减小。研究结果可为水力压裂试验的进一步研究、裂缝网络系统的建立提供参考。     

储层非均质性对水力压裂的影响

从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。     

基于扩展有限元法的碳酸盐岩地热储层岩体裂缝扩展行为

水力压裂作为一种主要的地热能开采手段,其压裂效果除与岩体基本物理力学性质有关外,还与裂隙分布、地应力状态、压裂工程参数等密切相关.为了探究以上因素对水力压裂过程中裂缝扩展行为的影响,以冀中坳陷碳酸盐岩储层岩体为研究对象,基于扩展有限元法,建立裂缝扩展流固耦合模型,分析了水平应力差、射孔方位角、注入液排量和压裂液黏度等参数对裂缝扩展行为的影响.结果表明:单裂缝扩展时,射孔方位角越小、注入量越大、越有利于裂缝扩展;双裂缝扩展时,水平应力差增大,裂缝偏转程度变小;水力裂缝与天然裂缝相交时,较小水平应力差有利于天然裂缝开启.      

煤岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

为了分析煤岩水力压裂裂缝扩展规律,采用真三维水力压裂物理模拟实验平台进行煤样真三轴水力压裂物理模拟实验,模拟不同地层应力、渐进角条件下煤样水力压裂过程。实验表明:天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展的重要因素,导致裂缝扩展规律复杂多样化;当水平应力差系数值kh1时,水力压裂裂缝趋于沿最大水平主应力方向扩展,当kh值1时,水力压裂裂缝趋于沿天然裂隙方向扩展,当kh值=1时,水力压裂裂缝扩展方向处于不定状态;渐近角对水力压裂裂缝扩展的影响程度总体上小于天然裂隙、割理和水平应力差,实验结果与煤矿井下压裂裂缝观测结果一致。     

基于砾石-基质-裂缝三元素的砂砾岩岩相划分

近年来砂砾岩油气藏勘探不断获得重大发现,使得砂砾岩体成为油气勘探的新领域.当前,砂砾岩体侧重于沉积响应分析,针对其特征的岩相组合划分及差异性探讨较薄弱,缺乏统一划分标准,尤其是在渤海湾盆地渤南低凸起南侧断坡区古近系砂砾岩存在多砾石组分、复合成岩作用影响,极大制约优质砂砾岩储层的分布预测、评价.因为研究区内多物源供给,砾石组分、支撑类型和基质类型多样,基于区内典型钻井岩心、镜下综合观察及扫描电镜分析,提出“以沉积岩、变质岩及岩浆岩三种母岩类型为一级划分标准,支撑类型和基质类型作为二级划分标准”,将砂砾岩岩相划分为三大类、七小类,依次为:（1）以火山岩砾石为主的基质支撑-砂级基质-构造缝-砾岩相、颗粒支撑-砂级基质-砾缘缝-砾岩相、基质支撑-泥级基质-砾岩相,（2）以碳酸盐岩砾石为主的基质支撑-砂级基质-砾岩相、基质支撑-砂级基质-角砾岩相,（3）以变质岩砾石为主的胶结物支撑-砂级基质-含砾砂岩相及颗粒支撑-砂级基质-压实砾内缝-含砾砂岩相.不同砾石类型储层中,基质类型和裂缝发育程度具有明显的差异性,泥质含量高的储层渗透性很差,裂缝发育会改善其孔隙的连通性,并诱导形成砾内溶蚀和基质溶蚀,从而改善储集物性.      

冲击作用下的压头破岩机制研究

与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示：在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

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。     

A numerical investigation of the hydraulic fracturing behaviour of conglomerate in Glutenite formation

Rock formations in Glutenite reservoirs typically display highly variable lithology and permeability, low and complex porosity, and significant heterogeneity. It is difficult to predict the pathway of hydraulic fractures in such rock formations. To capture the complex hydraulic fractures in rock masses, a numerical code called Rock Failure Process Analysis (RFPA2D) is introduced. Based on the characteristics of a typical Glutenite reservoir in China, a series of 2D numerical simulations on the hydraulic fractures in a small-scale model are conducted. The initiation, propagation and associated stress evolution of the hydraulic fracture during the failure process, which cannot be observed in experimental tests, are numerically simulated. Based on the numerical results, the hydraulic fracturing path and features are illustrated and discussed in detail. The influence of the confining stress ratio, gravel sizes (indicated by the diameter variation), and gravel volume content (VC) on the hydraulic fracturing pattern in a conglomerate specimen are numerically investigated, and the breakdown pressure is quantified as a function of these variables. Five hydraulic fracturing modes are identified: termination, deflection, branching (bifurcation), penetration, and attraction. The propagation trajectory of the primary hydraulic fractures is determined by the maximum and minimum stress ratios, although the fracturing path on local scales is clearly influenced by the presence of gravels in the conglomerate, particularly when the gravels are relatively large. As the stress ratio increases, the fractures typically penetrate through the gravels completely rather than propagating around the gravels, and the breakdown pressure decreases with increasing stress ratio. Furthermore, the breakdown pressure is affected by the size and volume content of the gravel in the conglomerate: as the gravel size and volume content increase, the breakdown pressure increases.     

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。     

Influence of Heterogeneity of Mechanical Properties on Hydraulic Fracturing in Permeable Rocks

Summary Numerical simulations of circular holes under internal hydraulic pressure are carried out to investigate the hydraulic fracture initiation, propagation and breakdown behavior in rocks. The hydraulic pressure increases at a constant rate. The heterogeneity of the rocks is taken into account in the study by varying the homogeneity index. In addition, the permeability is varied with the states of stress and fracture. The simulations are conducted by using a finite element code, F-RFPA^2D, which couples the flow, stress and damage analyses. The simulation results suggest that the fracture initiation and propagation, the roughness of the fracture path and the breakdown pressure are influenced considerably by the heterogeneity of rocks. The hole diameter elongation and the stress field evolution around the fracture tip during the fracture propagation can also provide useful information for the interpretation of the hydraulic fracturing behaviour.     

薄互层水力裂缝垂向扩展控制因素试验研究

新疆油田某地区油藏的储隔层岩性组合复杂,呈现突出的薄互层产状特征,研究合、分压判断条件有利于提高压裂效率,增强储层动用程度与压后改造效果。水力裂缝在薄互层中的穿层与裂缝扩展行为受薄互层地质特征与压裂施工参数的影响。基于此,开展了薄互层物理模型压裂试验,研究界面胶结、岩层分布、岩层厚度、压裂液黏度与注液排量对薄互层中水力裂缝垂向扩展的影响分析。试验结果表明：薄互层的地层特征界面胶结与岩层分布是水力裂缝垂向扩展的主要控制因素,界面胶结强度对裂缝垂向扩展行为的影响强于岩层分布;由于弱胶结界面的存在,水力裂缝垂向扩展穿层时可发生方向偏转,抑制裂缝垂向扩展;提高压裂液黏度与注液排量有利于薄互层中水力裂缝的穿层垂向扩展。     

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。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。     

排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究

在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P₃₂作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:（1）在块体单元边长较小（即预制裂缝密度较大）的试样中,体积压裂的效果更加显著;（2）小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;（3）随着排量的增加,试样压裂后的P₃₂值会升高;但排量增加到一定程度后,P₃₂值不再增长,甚至略微下降。     

基于零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展方法研究

为有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程,基于单元节点的拓扑数据结构,利用网格节点分裂方式,建立了一种基于有限元网格嵌入零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展新方法。利用KGD模型解析解和2种室内试验,验证了新方法的准确性和有效性。同时,通过数值算例研究了水平地应力差和储层非均质性对水力裂缝随机扩展过程的影响。研究表明:(1)该方法弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展的不足;(2)在较高水平地应力差下页岩储层非均质性越强,与水力裂缝相交的高角度天然裂缝越容易开启。所建方法能准确地描述复杂水力裂缝的随机扩展行为,可为裂缝性页岩储层的数值模拟提供新手段。     

Study on Effects of Low Viscosity Fluid Pre-injection on Hydraulic Fracture Complexity in Tight Heterogeneous Glutenite Reservoirs

Tight heterogeneous glutenite reservoir is typically not easy to form complex hydraulic fracture (HF) due to its poor physical properties, poor matrix seepage capacity, and small limit discharge radius and undeveloped natural fracture system. To improve the HF complexity and the stimulated reservoir volume (SRV), a novel stimulation technology called CO₂ miscible fracturing has been introduced and its fracturing mechanism has been studied. The CO₂ miscible fracturing modifies the in situ stress field by injecting low viscosity fluid to increase the HF complexity and SRV. Therefore, a series of numerical simulations based on a hydro-mechanical-damage model were carried out to study the effects of low viscosity fluid pre-injection on pore pressure, stress field, and fracturing effect in tight heterogeneous glutenite reservoirs. The results indicate that the low viscosity fluid injection can effectively increase the pore pressure around the wellbore and reduce the effective stress of the glutenite. The FCI and SRV increase with the increase of the pre-injection amount of the low viscosity fluid. The HF complexity and SRV can be improved by pre-injecting low viscosity fluid to transform the in situ stress field. The field application of this technology in a well of Shengli Oilfield showed that low-viscosity fluid pre-injection can effectively increase the width of the fractured zone, improve the SRV, and optimize the fracturing effect.