基于PFC2D数值模拟的交替压裂中应力阴影效应研究

为了探究应力阴影效应对交替压裂中压裂间距选取的影响,基于优化后的颗粒流离散元流固耦合计算模型,模拟并分析了双初始水力裂缝下因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,并与理论解析解进行对比,证明了该数值方法的合理性。在此基础上,分析了应力阴影效应在不同各向异性地应力场及初始压裂间距条件下对新水力裂缝的起裂压力及扩展形态的影响,研究结果表明：初始各向异性应力场不改变裂缝周边的应力场,不影响新水力裂缝的起裂压力;随着初始压裂间距的减小,应力阴影效应增强,新水力裂缝的起裂压力逐渐增加。初始水力裂缝间距与初始各向异性应力场共同影响新水力裂缝的扩展形态,随着初始水力裂缝间距或初始水平地应力场差异系数的增大,应力阴影对新水力裂缝的扩展方向的影响逐步减弱;初始水力裂缝对新水力裂缝的扩展有一定的限制作用,在一定程度上不利于形成复杂的裂缝网络。根据以上分析结果,对交替压裂中压裂间距的优化进行了定性的探讨。     

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。     

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。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

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...     

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。     

地应力地震预测及其在南川页岩气开发中的应用

页岩气藏具有低孔隙度、低渗透率的特点,大规模开采页岩气需通过水平井压裂技术实现页岩储层的改造。有数据表明:页岩气水平井方位与最大水平主应力近垂直,且水平地应力差异比较小时,有利于压裂形成网状裂缝,提高储层改造效果。针对南川工区建立地应力预测模型,在精细的三维地震解释、三维地震叠前反演的基础上,利用井点数据模拟选取应力计算的区域适应性参数,开展地应力场的三维模拟,预测最大水平主应力方向、最小水平主应力方向以及水平应力差异系数;通过区域应力机制分析以及钻井实测诱导缝解释结果和应用情况对比分析,验证了地应力地震预测结果的可靠性,证实了地应力研究在页岩气开发中的重要作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Cluster spacing optimization of multi-stage fracturing in horizontal shale gas wells based on stimulated reservoir volume evaluation

The multi-stage fracturing in horizontal well is a common technique for shale gas reservoir exploitation, in which cluster spacing governs the fracturing performance. Undersized cluster spacing might make the stimulated reservoir volume (SRV), activated by the respective hydraulic fracture, excessively overlap with each other, while oversized cluster spacing might leave a large unstimulated volume between neighboring hydraulic fractures; in either case, fracturing would be inefficient. Previous design of cluster spacing has failed to maximize the SRV due to the absence of a dynamic SRV evaluation model. A numerical model of SRV evaluation in shale reservoir was established by integrating four main modules, including fracture propagation, reservoir pressure distribution, formation stress distribution, and natural fracture failure criterion. Then, a method to optimize cluster spacing was developed with the goal of maximizing SRV. In order to validate this method, it was applied in Fuling shale gas reservoir in Southwest China to determine the optimal cluster spacing. The sensitivity of key parameters on the optimal cluster spacing has been analyzed. This research proposed a compelling cluster spacing optimization method, which could reduce the uncertainty in cluster spacing design, and provides some new insights on the optimal design of multi-stage fracturing in horizontal shale gas well.     

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。     

新场气田分段压裂水平井裂缝布局优化

新场气田属于大型多层致密砂岩异常高压气藏,储层物性差,非均质性强,气井动用储量低。目前,为大幅度提高气井产能,提高储量动用长度,该气藏多采用多段压裂水平井开发。因此,迫切需要论证裂缝参数及其组合对多段压裂水平井开发效果的影响,为气藏下步科学高效开发和持续高产稳产提供理论基础。以川西新场气田为研究对象,采用数值模拟法深入研究了压裂水平井裂缝几何布局对气井产能的影响,包括非均匀裂缝长度、非均匀裂缝间距、压裂规模与裂缝数量、裂缝长度与间距的匹配、裂缝夹角与间距的匹配。结果表明:对于多段压裂水平井,U型模式的裂缝长度布局最优;均匀裂缝间距开发效果优于非均匀裂缝间距;水力压裂时,少段数长缝能取得更佳的开发效果;0. 67~1倍缝长的裂缝间距布局、垂直于井筒的正交裂缝布局有利于改善压裂水平井开发效果,裂缝间距的增大能有效降低非正交裂缝低夹角对产量的影响。     

Coupled Numerical Evaluations of the Geomechanical Interactions Between a Hydraulic Fracture Stimulation and a Natural Fracture System in Shale Formations

Due to the low permeability of many shale reservoirs, multi-stage hydraulic fracturing in horizontal wells is used to increase the productive, stimulated reservoir volume. However, each created hydraulic fracture alters the stress field around it, and subsequent fractures are affected by the stress field from previous fractures. The results of a numerical evaluation of the effect of stress field changes (stress shadowing), as a function of natural fracture and geomechanical properties, are presented, including a detailed evaluation of natural fracture shear failure (and, by analogy, the generated microseismicity) due to a created hydraulic fracture. The numerical simulations were performed using continuum and discrete element modeling approaches in both mechanical-only and fully coupled, hydro-mechanical modes. The results show the critical impacts that the stress field changes from a created hydraulic fracture have on the shear of the natural fracture system, which in-turn, significantly affects the success of the hydraulic fracture stimulation. Furthermore, the results provide important insight into: the role of completion design (stage spacing) and operational parameters (rate, viscosity, etc.) on the possibility of enhancing the stimulation of the natural fracture network (‘complexity’); the mechanisms that generate the microseismicity that occurs during a hydraulic fracture stimulation; and the interpretation of the generated microseismicity in relation to the volume of stimulated reservoir formation.     

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。      

Numerical simulation of fracture path and nonlinear closure for simultaneous and sequential fracturing in a horizontal well

Reservoir stimulation requires a model to evaluate the fracture path and closure for the simultaneous or sequential propagation of the hydraulic fracture (HF). This paper presents a fluid-solid coupled model to simulate multi-stage HF propagation. A non-linear joint model is proposed to evaluate the fracture closure when the created fractures are elastically propped. HF closure continues until the balance of external stress matches the proppant's resistance. The reservoir along the horizontal wellbore is not stimulated equally by the multi-stage fracturing. The HFs in the subsequent stage are ‘repelled’ and restrained by the HFs in the previous stage.