沁水盆地南部煤层气储层压裂过程数值模拟研究

储层改造是煤层气井提高产能的重要措施,水力压裂是煤层气储层改造的重要方法.为研究煤层气储层压裂过程及其天然裂缝对煤储层压裂时破裂压力的影响,本文以山西沁水盆地南部高煤级煤矿区为研究区,运用有限元数值模拟方法,计算不同地应力条件下、裂缝处于不同位置时煤储层的破裂压力.结果表明:(1)不同类型地应力场对破裂压力的影响不同.对于均匀应力场,破裂压力随着围压的增大而增大,其增幅约为围压的两倍;对于非均匀应力场,当一个水平主应力不变时,破裂压力会随着水平主应力差的增加而减少;(2)如果地应力条件不变,煤储层破裂压力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增加,水平主应力差越大煤储层破裂压力增幅也越大;(3)在有天然裂隙的地层中进行压裂,当天然裂缝的方位不同时压裂裂缝既可能是沿着天然裂缝扩展的裂缝,也可能是压裂过程中产生的新裂缝,因此天然裂缝的方位对破裂压力具有一定的影响.     

基于大型水力压裂实验系统的室内模拟研究

室内水力压裂模拟实验是认识裂缝压裂机理、获取水力压裂信号的有效手段,可为进一步提高水力压裂技术在页岩气等非常规油气资源开发方面的应用提供技术支持.本文根据野外水力压裂施工工艺和微压裂地震信号监测的特点,设计并制造了大模型水力压裂模拟装置,该装置包括真三轴围压系统、水压裂系统和微压裂信号采集系统,可以实现相同或不同围压状态下的水力压裂试验,并对裂缝产生、裂缝扩展的整个物理过程进行水力压力信号和岩石压裂破裂信号的采集,形成了一套完整的微压裂实验技术.通过水力压裂实验,首次在实验室内获得了真三轴围压下大模型的水利压力和水力压裂信号的关系,为水力压裂信号的分析和压裂裂缝的定位提供了基础.     

利用全波形匹配方法确定水力压裂诱发地震震源机制

准确确定水力压裂诱发地震的震源机制对于描述裂缝破裂类型以及工区地应力状态十分重要.本文采用全波形匹配的方法确定诱发地震震源机制解,在拟合波形的同时对实际数据P波初动极性和纵横波振幅比也进行匹配,并在此基础上发展了一种基于邻域算法分级优化确定震源机制解的新方法.新方法的优势在于它对解具有更强的约束,并且能够解决现有方法中存在的权值系数选择问题.合成数据测试结果表明新方法能够得到可靠的震源机制解.本文将该方法应用于国内某页岩气田水力压裂诱发地震监测数据,反演结果表明诱发地震的震源类型以走滑破裂为主,表明该地区的最大水平主应力大于垂直主应力.     

储层岩性对水力裂缝延伸的影响

水力压裂施工过程中,天然断层或裂缝对水力裂缝的延伸影响显著,甚至与水平井轨迹平行或近乎平行的断层或裂缝会形成压裂屏障,阻止水力裂缝的延伸甚至造成砂堵.而岩性对水力裂缝延伸的影响目前还不清楚.本文首先利用地面微地震监测技术对水力裂缝进行了成像并提取出微震事件点分布平面图;然后利用三维地震断层属性预测了天然断层或裂缝分布,利用三维地震GR反演体提取了沿层砂岩分布平面图;最后,通过叠合天然断层或裂缝分布图、砂岩分布平面图以及微震事件点分布平面图,分析了岩性和天然断层或裂缝对水力裂缝延伸的影响,证实了岩性是除天然断层或裂缝以外控制水力裂缝延伸过程的另一个重要因素.     

页岩气压裂微地震监测技术及其在四川盆地威远地区X平台的应用

四川盆地威远地区志留系龙马溪组页岩气压裂过程中存在压裂井套管变形和周边井受压裂干扰产量波动的问题.为了有效评价页岩气压裂效果,查明压裂井套管变形、周边井产量波动的原因,以四川盆地威远地区X平台微地震监测为例,开展了页岩气压裂微地震监测技术研究与应用.结果表明：(1)基于微地震事件计算的储层改造体积可定性评价压裂效果,一般压裂规模越大,压裂改造体积越大,压后产量也越高;(2)根据微地震监测结果实时调整暂堵剂加入时机和尝试多次暂堵,可提高人工压裂裂缝的复杂度,同时降低可能引起套管变形的天然裂缝活化;(3)与人工压裂裂缝方向一致的天然裂缝不易引起套管变形,与人工压裂裂缝方向不一致的天然裂缝的剪切滑移是套管变形的重要因素;(4)压裂液在压裂层段积累,形成高压力带,逐渐驱动压裂液沿着天然裂缝或储层孔隙通道向周边井的低压力带渗流,造成X平台周边井产量波动.以上认识,对页岩气高效开发具有一定指导意义.     

用封闭压力确定最小水平主应力

本文总结了４０ｃｍ×４０ｃｍ×２０ｃｍ的大尺度水力压裂模拟实验、实验中，测得了清晰的压裂压力～时间曲线，并用Ｐｓ－√ｔ曲线分析了封闭段的压力，进行了封闭压力和实加最小水主应力的对比。结果表明，Ｐｓ～√ｔ曲线可以排除人为因素确定封闭压力点，封闭压力和最小水平主应力有很好的相关性，绝对误差很少超过２兆帕，仅有一例的绝对误差为２．９兆帕。对于杨氏模量较小的岩石，如果实际应力值不是特别小，由封闭压力确定最     

唐山、天津和沧州地区的油井水力压裂应力测量

本文研究了唐山、天津和沧州地区的油井压裂记录,发现已充砂裂缝比未充砂裂缝条件下测得的瞬时闭合压力明显增高,并指出这一差值乃是由裂缝内砂子的支撑作用引起的。因此,在采用油井压裂记录确定地应力时,应考虑裂缝中砂子支撑作用带来的影响。 本文还对该地区具有未充砂条件下的油井压裂记录进行了分析,讨论了油井水力压裂应力测量的力学机制和解释方法。 最后讨论了油井水力压裂应力测量结果,得出该地区0——4000米深度范围内主应力随深度的线性变化关系,表明分布在该地区的北北东向断裂的现今活动,是属于右旋走向滑动类型。      

微破裂向量扫描在丰探15井压裂微震实时监测中的应用

浙江油田苏北采油厂于2017-07-28～29对丰探15井近4 km深的泰二段第三段进行了水力压裂,分成试压和主压.我们同时应用微破裂向量扫描(Vector Scanning,VS)实施了地面微震实时监测,目的是评估监测质量、实时监测的可行性、与压裂效果.我们严格执行了安静处布台和有效去噪等应用VS的必要条件,最大限度地提高了信噪比,平均的最小信噪比为2.35%;输出结果可靠.为今后更有效地设计和控制压裂,通过电信网和互联网,我们实施了野外采集数据的实时传输和遥控数据处理解释,观察了每分钟裂缝带的发展;实时监测系统可行.主压的最终X型破裂明显是在试压裂缝的基础上,由试压的300 m长,扩展到400～500 m,并加密了缝网;井域最大主压应力方位被限制在NE(50～80)±5°.本次压裂微震活动有明显的间歇性,较大微震群发生前积累能量所需时间,由初期的10 min内,逐渐延长到最后的百分钟.微震活动由压裂点扩展到远处的顺序清晰,这可能同此井附近的介质较为完整有关.每分钟的压裂微震活动状态一般在5～15 min内可报告给压裂施工团队.通过这次典型的水力压裂微震实时监测,我们验证了:VS的原理可行,且满足其应用的必要条件极为重要.微震实时监测有效地指导了压裂泵注程序的优化,针对监测到的缝网形态及时采取了液性变化、停泵转向等手段,实现了更大的改造体积.     

水力压裂物理实验模拟初探

为了研究水力压裂中岩石的破裂及裂缝延展规律,开展水力压裂实验模拟.采用大型真三轴压裂设备对花岗岩岩样(300 mm×300 mm×300 mm)进行水力压裂,16道检波器接收,在识别的声发射信号上拾取初至走时,Geiger定位结果表明,压裂中声发射事件位置与压裂示踪剂显示相一致,CT扫描制作的数字岩心准确反映实际的破裂...     

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式，水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上，引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型，并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明，裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸，并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时，流体运移范围就越大，储层温度和产出水温下降就越快，储层下降范围就越广，热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时，越有利于流体进入基质进行热量交换，越容易从干热岩中提取热量，产出水温下降越快，运行寿命越短.     

地层主应力综合计算方法及其在套损预测中的应用

地层主应力纵向连续剖面及平面分布结果对油田套损预测起重要作用.研究认为,综合利用各类井资料信息建立系统的地层主应力计算方法,可有效地提供纵向和平面上的地应力分布.重点涉及以下5方面工作:1)以全井段密度测量数据为基础,建立垂向地应力与岩层深度的计算公式;2)以试油测试地层压力数据为约束,声波时差测量数据为基础,建立地层孔隙压力公式;3)以水力压裂的闭合压力为约束,优化模型参数,建立最小水平应力计算公式;4)由多臂井径曲线提供的椭圆井眼形状推算最大水平应力,并以此为约束,优化最大水平应力计算公式的系数;5)在最大和最小水平应力计算的基础上,给出破裂压力计算公式.以卫星油田葡I油层组为例,以区域地质特征为约束,综合利用国内外相关研究成果,系统地给出了由常规测井资料计算地层主应力的方法和步骤,有效实现了地层主应力平面及纵向分布的合理计算.应力的平面分布对注水井套损预测有非常好的效果.     

电缆地层测试评价井旁裂缝的有限元数值模拟方法

本文采用有限元方法模拟了电缆地层测试器的双封隔器和谐波脉冲测试方法在井旁裂缝中的压力响应.根据裂缝性储层渗流力学原理,首先模拟了双封隔器压力测试在裂缝与井壁相交和不相交两种情况下的压力响应,模拟结果表明:当裂缝与井壁相交时,压力响应随裂缝导流性质的变化发生显著改变;当裂缝与井壁不相交时,除非裂缝的导流能力非常大或离井壁非常近,否则压力响应随着裂缝导流能力的变化并不明显.说明双封隔器测试方法可以有效评价与井壁相交裂缝的导流能力,而对远离井壁的裂缝并不敏感.谐波脉冲压力测试一直被用来探测地层的各向异性,本文通过数值模拟方法探讨和分析了谐波测试方法探测和评价与井壁不相交裂缝的可行性,数值模拟结果表明谐波的压力幅度和相位延迟对裂缝的导流能力变化敏感,说明该方法可以用来评价井旁裂缝.此外,本文还对脉冲频率和双探针间距对评价效果的影响进行了分析.     

微地震震源机制研究进展

非常规油气开采中实施的储层改造,通常是利用水力压裂技术向储层注入高压流体,改变储层原有的孔缝连通结构,实现油气开采.水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,从而产生微地震事件.微地震研究的重要内容之一是其震源破裂的机制.通过对微地震震源机制的研究,可揭示微地震的产生机理和地下储层的应力变化规律,有效地优化水力压裂和储层改造...     

依据断层摩擦准则估算的地壳主应力量值关系式及其参数分析

基于Zoback(1992b)提出的估算地壳构造应力量值的思路和2个假设,考虑了3个主应力分别为垂直主应力(对应3种构造应力类型)的情况,比较系统地建立了依据应力形因子和断层摩擦强度估算构造主应力量值的关系式。讨论了摩擦系数、孔隙压力系数和应力形因子对构造主应力量值的影响:在最大主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或逆断型),最大主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而增大,随孔隙压力系数取值的增大而减小。在最小主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或正断型),最小主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而减小,随孔隙压力系数的增大而增大。并且,3个参数对主应力量值估算的影响很大,如果摩擦系数取值较大,同时孔隙压力系数取值较小,最大主应力随深度增加的斜率与最小主应力随深度增加的斜率之间的差异就大,有可能导致不合理的结果出现。该方法只是对地壳岩石发生脆性破裂或摩擦滑动时的构造应力量值进行近似估算,估算结果并不是地壳稳定状态下的构造应力量值。     

涪陵地区井下页岩岩芯裂缝体密度与声学性质关系实验研究

本研究对涪陵地区井下产气的龙马溪组页岩岩芯,采用三轴压机压裂制造裂缝,用工业CT扫描压裂前后岩芯,应用图像识别技术统计出裂缝体密度,又用超声脉冲透射法测定样品破裂前后裂缝方向上的纵波、单偏振方向与裂缝不同夹角的横波,来研究裂缝对页岩岩芯声学性质的影响.实验结果表明:压裂后样品的纵波速度略微降低,只有含较多内部裂隙的150#样品纵波速度减小幅度明显.压裂前后样品的纵波波形差别不大,纵波主频随裂缝体密度呈下降趋势,即压裂后纵波频谱主频向低频端移动.压裂前横波速度随自身与裂隙方位角变化而变化,与0°和180°相比,在45°和135°时略微减小,在90°时速度降低幅度最为明显并且发生相位反转.典型样品的横波主频随偏振方向与裂缝夹角的增大而逐渐向低频移动;压裂后,横波频谱杂乱,出现多处局部峰值,速度和主频较压裂前更低,平均横波波速随裂缝体密度呈明显减小趋势.平均纵横波速比随裂缝密度呈近线性增加,表明其与裂缝体密度有较强相关性.     

水力压裂对速度场及微地震定位的影响

水力压裂是页岩气开发过程中的核心增产技术,微地震则广泛用于压裂分析、水驱前缘监测和储层描述.微地震反演过程中,用于反演的速度模型往往基于测井、地震或标定炮资料构建,忽略了压裂过程中裂缝及孔隙流体压力变化对地层速度的影响.本文首先基于物质守恒、渗流理论和断裂力学模拟三维水力压裂过程,得到地下裂缝发育特征和孔隙压力分布.继而根据Coates-Schoenberg方法和裂缝柔量参数计算裂缝和孔隙压力对速度场的影响,得到压裂过程中的实时速度模型.最后利用三维射线追踪方法正演微地震走时和方位信息,并采用常规微地震定位方法反演震源位置及进行误差分析.数值模拟结果表明,检波器空间分布影响定位精度,常规方法的定位误差随射线路径在压裂带中传播距离增加而变大,且不同压裂阶段的多点反演法与单点极化法精度相当.     

地应力预测技术在页岩气水平井开发中的应用

相比于常规气藏,页岩气藏有着低孔隙度、低渗透率的特点,大规模开采页岩气需利用水平井压裂技术.研究表明:与最大水平主应力近垂直的方向钻水平井,且地应力差异系数较小时,有利于形成网状裂缝.选择川东南X工区对地应力预测技术在页岩气水平井开发中的应用进行研究,利用地层的构造信息、速度信息和密度信息,求得层位面的地应力参数,预测最大水平主应力方向、最小水平主应力方向以及地应力差异系数;通过区域应力机制分析以及X1、X2、X3三口井的钻井实测诱导缝解释结果和产量情况分析,验证了本文地应力方向和地应力差异系数预测结果的可靠性.在水平井设计时应综合考虑地应力方向和地应力差异系数,以获得良好的压裂效果和产能.     

油田压裂井地电法双参数联合监测技术与仪器研究

目前世界上水力压裂技术是老油田增产和低渗透油气田开发所应用最为广泛、最为有效的技术措施,油气储层裂缝分布规律监测对于油田勘探开发具有重要意义.本文利用压裂液在地层中的低阻特性与极化特性,基于井地电阻率法与激发极化法联合,根据位场理论镜像原理,采用三维有限差分,计算了多种压裂模型的地表传导电位与极化电位;通过非等权值的数据融合算法,计算了地表双参数异常,仿真数据的研究结果表明,双参数融合技术在异常提取方面具有明显优势.在此基础上,基于双波大功率联合发射技术、时分复用低噪声接收技术,研制了井地电法双参数联合监测仪器系统,共模抑制比达110 dB,有效地提取了微弱异常信号.通过陕西省富县华北局油田的压裂野外联合监测试验,表明了井地电法双参数联合监测仪器系统在水力压裂裂缝监测中具有较好的监测效果和较高的分辨率,解决了在低电阻率储层压裂或深井压裂情况下监测困难以及单一方法的监测结果多解性等问题,实现对油田水力压裂裂缝的实时监测.     

基于方位地震数据的地应力反演方法

在页岩油气藏的开发和勘探阶段,需要对储层进行水力压裂改造,形成有利于油气聚集和运移的裂缝.地应力是进行水力压裂改造的重要参数,能够决定裂缝的大小、方向以及分布形态,影响着压裂的增产效果,且最大和最小水平应力差异比（ODHSR,Orthorhombic Differential Horizontal Stress Ratio）是评价储层是否可压裂成网的重要因子.本文探讨了基于地震数据估算地应力的方法,以指导页岩气的水力压裂开发.首先,利用叠前方位地震数据反演得到地层的弹性参数和各向异性参数;其次,基于正交各向异性水平应力差异比近似公式,利用反演得到的弹性参数和各向异性参数估算地层的ODHSR;最后,选取某工区的裂缝型页岩储层的叠前方位地震数据对该方法进行实际应用.实际工区地震数据应用表明,基于叠前方位地震数据反演得到的ODHSR能够有效的识别储层中易于压裂成网的区域.     

不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测

在2017和2018两年中,我们对新疆18口煤层气井的水力压裂,应用微地震向量扫描技术,实施了微震监测.这批井的特点是,除3口井煤层的倾角小于30°外,余均为高倾角,其中6口井的倾角大于70°,近乎直立.由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低,因而压裂设计预期裂缝沿煤层延展.然而,经反复校核,尽管多数井的裂缝带满足预期(占总井数的72％),还是确认了3口井(17％)的裂缝延展面同已知煤层在倾向上有一个40°～60°的夹角;另一类特例是2口井(11％)的类似X型的破裂,即一个裂缝面满足了预期的倾向和倾角,同时也有一个倾向相反、倾角相似的破裂面.因而在机理上,若视煤层为已有断层,在构造应力场作用下,煤层的压裂破裂面有三种可能性:(1)仅沿煤层延展;(2)仅沿已有断层裂隙面延展;(3)同时沿这两个层面破裂.此外,破裂面展布以相对压裂点向上为主.研究这些压裂裂缝面的产状、发育机理、与对其微震监测的解释方法特性,对具有不同倾角的煤层的压裂设计与压裂监测,有重要意义.