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。     

川南深层页岩水力压裂缝网扩展规律数值模拟研究

3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明：在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得...     

不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响

储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论,研究结果表明:（1）当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时,在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区,水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制;（2）层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著,当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时,层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用,当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时,最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用,随着优势结构面的增多和差应力的增大,水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大;（3）储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程,尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式,增大水力裂隙扩展高度,但相比于储层埋深,水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。     

考虑页岩层理剪切滑移的水力裂缝几何参数计算方法

针对现有页岩气体积压裂层理裂缝扩展模型及其计算方法研究的不足,基于三点弯曲试验,结合数字图像法获取了页岩层理关键力学参数;利用弹性力学理论和线弹簧模型建立了页岩气体积压裂层理裂缝扩展拟三维数学模型,并得到了试验验证;开发了裂缝几何参数计算程序,计算分析了层理参数与压裂施工参数对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明：当层理刚度小于10 GPa/m及大于30 GPa/m时,剪切滑移量达到极大值及极小值,且基本保持不变,当层理刚度在10～30 GPa/m之间时,层理刚度与剪切滑移量呈线性负相关关系;当层理密度为5～7条时,主裂缝会沟通更多的层理;当层理强度为5～8 MPa时,水力裂缝易穿层扩展,且能使层理产生剪切滑移,从而生成复杂裂缝;当压裂液排量和压裂液黏度分别在9～12 m3/min和2.5～5m Pa·s范围内时,水力裂缝易穿层扩展,最终形成十字型裂缝,有助于复杂裂缝的形成。该研究对认识页岩层理力学性能及其对层理裂缝扩展规律的影响有一定的指导意义。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

页岩气开采压裂液技术进展

页岩气是一种分布广泛且储量丰富的非常规能源,但由于其储层具有孔隙度小及渗透率低等特性,一直以来页岩气未得到大规模开采。直到近20年,页岩气开采技术才得到飞速发展,这主要得益于水力压裂技术的进步。压裂液是水力压裂的重要组成部分,其性能的优劣直接影响水力压裂施工的成败。通过调研国内外文献,结合国内外压裂液技术的发展历程,分析了页岩气开采中几种常用压裂液的优点、适应性及存在的问题,综述了两类新型的无水压裂技术。结合我国页岩气储层的特殊性及压裂技术发展的现状,提出了适于我国页岩气开采的压裂液技术发展的建议,并特别强调了在页岩气开发初期重视环保的重要性。     

Numerical investigation of hydraulic fracture network propagation in naturally fractured shale formations

Hydraulic fracture network (HFN) propagation in naturally fractured shale formations is investigated numerically using a 3D complex fracturing model based on the discrete element method. To account for the plastic deformation behavior of shales, the Drucker–Prager plasticity model is incorporated into the fracturing model. Parametric studies are then conducted for different Young's moduli, horizontal differential stresses, natural fracture (NF) properties, injection rates, and number and spacing of perforation clusters. Numerical results show that horizontal differential stress primarily determines the generation of a complex HFN. The plastic deformation of shale can reduce the stimulated reservoir volume; this is more obvious with Young's modulus of less than 20 GPa. In addition, a higher injection rate could largely increase the fracture complexity index (FCI). Moreover, increasing perforation cluster numbers per fracturing stage is beneficial for increasing the FCI, but it also increases the potential merging of neighboring fractures, which may lead to non-uniform development of HFN in far-wellbore regions. To achieve uniform development of HFN within a fracturing stage, the distribution of NFs should be fully considered. The results presented here may provide improved understanding of HFN generation and are favorable for optimizing fracturing treatment designs for shale formations.     

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。     

Numerical Modeling of Natural Fracture Distributions in Shale

The production efficiency of shale gas is affected by the interaction between hydraulic and natural fractures. This study presents a simulation of natural fractures in shale reservoirs, based on a discrete fracture network (DFN) method for hydraulic fracturing engineering. Fracture properties of the model are calculated from core fracture data, according to statistical mathematical analysis. The calculation results make full use of the quantitative information of core fracture orientation, density, opening and length, which constitute the direct and extensive data of mining engineering. The reliability and applicability of the model are analyzed with regard to model size and density, a calculation method for dominant size and density being proposed. Then, finite element analysis is applied to a hydraulic fracturing numerical simulation of a shale fractured reservoir in southeastern Chongqing. The hydraulic pressure distribution, fracture propagation, acoustic emission information and in situ stress changes during fracturing are analyzed. The results show the application of fracture statistics in fracture modeling and the influence of fracture distribution on hydraulic fracturing engineering. The present analysis may provide a reference for shale gas exploitation.     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

基于声波测试法对鹰滩页岩各向异性分析

页岩储层通常呈薄层状结构,一般认为其岩石力学参数具有横向各向同性,而其各向异性受围压（CP）、含水率和总有机质含量（TOC）等多种因素的影响。本文对不同围压下的鹰滩（Eagle Ford）页岩进行超声波波速进行测试实验,研究围压对鹰滩页岩波速及岩石力学各向异性的影响。实验结果表明,鹰滩页岩属于弱各向异性多孔介质,并具有横向各向同性、垂向各向异性的性质。纵波（P波）和横波（S波）波速随围压的增大而增大,特别是在低围压范围内增幅显著,同时围压增大会降低纵波和横波的各向异性,纵波各向异性比横波各向异性对围压更敏感。对鹰滩页岩各向异性分析为页岩储层压裂过程中裂缝的起裂和延伸规律研究提供了必要的力学参数。     

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。     

油气藏水力压裂计算模拟技术研究现状与展望

水力压裂技术是油气藏尤其是页岩气开发中的核心技术,利用数值模拟方法进行压裂优化和产能预测又是水力压裂成功的关键。本文首先介绍了水力压裂技术的发展历程。然后从计算模型(二维模型、拟三维模型和全三维模型)和数值模拟方法(基于连续介质和基于非连续介质)两方面对油气藏开发领域的水力压裂计算模拟技术进行较全面的总结。最后,从以下3个方面指出现今研究的不足并提出了进一步的研究建议:(1)全三维模型的完善-全三维模型应当与真实的工程参数和监测数据结合,用于校正模型本身,而校正后的全三维模型又可预测和优化新的现场水力压裂作业; (2)数值模拟方法的选用-已有的水力压裂数值模拟方法种类繁多,需要针对各种方法的适用范围、计算效率和模拟效果等,进行全面的比较和优化; (3)页岩储层中天然裂缝网络的数值模拟-天然裂隙网络加剧了页岩储层力学性质的各向异性,同时水力裂缝沟通天然裂缝活化扩展是有利于储层的增渗增产,对压裂缝网的形态、尺寸和连通率等起着至关重要的作用。因此,数值计算过程中综合考虑页岩储层中天然裂缝与水力裂缝的相互作用,将是未来水力压裂模拟的热点。     

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。     

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。     

阿尔金山前下—中侏罗统页岩气成藏地质条件分析

阿尔金山前侏罗系出露大套厚层的暗色泥页岩,生烃潜力优越,具备陆相页岩气形成条件,是有利的勘探接替区。通过野外地质调查、样品采集和测试分析,研究下—中侏罗统泥页岩的沉积展布、有机地球化学特征及储集性能,并探讨了该区页岩气的勘探潜力。研究表明: 富有机质泥页岩主要处于滨浅湖—半深湖相、沼泽相沉积环境中,其在平面上呈NE向展布,单层厚度和累计厚度均较大; 泥页岩的有机质类型主要为Ⅱ₁、Ⅱ₂型干酪根; TOC含量为0.55%~10%,平均为2.28%; 镜质体反射率(R_o)为1.0%~1.6%,平均为1.269%,处于成熟—高成熟阶段,为页岩气藏形成提供良好的生烃条件; 其矿物特征表现为脆性矿物含量高,大于51%,有利于后期的水力压裂改造和页岩气开采; 通过扫描电镜观察,泥页岩储层发育微孔隙及微裂缝,为页岩气提供了良好的储集空间和运移通道。初步预测,后期改造相对较弱的月牙山地区为页岩气勘探的有利目标区。     

阿尔金山前下—中侏罗统页岩气成藏地质条件分析

阿尔金山前侏罗系出露大套厚层的暗色泥页岩,生烃潜力优越,具备陆相页岩气形成条件,是有利的勘探接替区。通过野外地质调查、样品采集和测试分析,研究下—中侏罗统泥页岩的沉积展布、有机地球化学特征及储集性能,并探讨了该区页岩气的勘探潜力。研究表明: 富有机质泥页岩主要处于滨浅湖—半深湖相、沼泽相沉积环境中,其在平面上呈NE向展布,单层厚度和累计厚度均较大; 泥页岩的有机质类型主要为Ⅱ₁、Ⅱ₂型干酪根; TOC含量为0.55%~10%,平均为2.28%; 镜质体反射率(R_o)为1.0%~1.6%,平均为1.269%,处于成熟—高成熟阶段,为页岩气藏形成提供良好的生烃条件; 其矿物特征表现为脆性矿物含量高,大于51%,有利于后期的水力压裂改造和页岩气开采; 通过扫描电镜观察,泥页岩储层发育微孔隙及微裂缝,为页岩气提供了良好的储集空间和运移通道。初步预测,后期改造相对较弱的月牙山地区为页岩气勘探的有利目标区。     

页岩气藏体积压裂有效改造体积计算方法

页岩气藏矿场压裂实践表明,储层有效改造体积（effective stimulated reservoir volume,简称ESRV）是影响页岩气藏体积压裂水平井生产效果的关键因素,ESRV的准确计算对页岩气藏压裂方案评价与体积压裂水平井产量预测具有重要作用.基于页岩储层改造体积（stimulated reservoir volume,简称SRV）多尺度介质气体运移机制,建立了SRV区域正交离散裂缝耦合双重介质基质团块来表征单元体渗流模型（representation elementary volume,简称REV）,并结合北美页岩储层实例研究了次生裂缝间距、宽度等缝网参数对页岩气藏气体运移规律的影响.在此基础上根据SRV区域次生裂缝分布特征,采用分形质量维数定量表征裂缝间距分布规律,结合页岩气藏次生裂缝间距对基质团块内流体动用程度的影响规律,得到了页岩气藏体积压裂ESRV计算方法.结果表明SRV区域次生裂缝间距对基质团块内吸附及自由气影响较大,次生裂缝间距小于0.20 m时可以实现SRV区域基质团块内流体向各方向裂缝的"最短距离"渗流.选取北美典型页岩储层生产井体积压裂数据进行ESRV计算,页岩气藏目标井ESRV占体积压裂SRV的37.78%.因此ESRV受改造区域次裂缝分布规律及SRV有效裂缝间距界限的影响,是储层固有性质及人工压裂因素综合作用的结果.