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。      

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。     

陕甘宁盆地川口油田低渗透油藏长6油层裂缝特征

通过对野外野头观测，岩心观察，薄片鉴定、地层倾角测井解释等方法，对川口油田长6油层裂缝进行了研究，川口油田长6油层主层裂缝方向为近EW向，天然显裂缝规模小且不发育，裂缝在原始地层条件下多为闭合状态，只有在人工激发后才会表现出明显的裂缝特征，川口油田储层类型为孔隙型储集层，该区油层埋深500－700m，垂向应力为最小主应力，压裂后理论上应产生水平缝，但受到天然垂直（闭合）缝的影响，在裂缝发育区可能会形成垂直压裂缝，在目前注水条件下，注水实验区储层裂缝的作用还未表现出来。     

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。     

潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系

为了研究潞安矿区煤储层压裂人工裂缝与天然裂隙的关系,井下实测了矿区煤储层宏观裂隙,扫描电镜观测了煤储层显微裂隙;探讨了矿区含裂缝非均质煤岩破裂规律。对原位煤储层条件下人工裂缝沿天然裂隙扩展的最大水平主应力方向与天然裂隙走向夹角的临界值进行了计算。结果表明:矿区的漳村、司马、屯留、常村和五阳5个区块临界值分别为12.00°、9.22°、9.16°、8.56°和7.42°,当最大水平主应力方向与天然裂隙走向的夹角小于此临界角时,人工裂缝沿天然裂隙扩展,反之沿最大水平主应力方向扩展。据此,探讨了潞安矿区原位煤储层压裂裂缝沿天然裂隙扩展的3种模式。      

用人工神经网络方法分析油藏压裂效果——以靖安油田塞A井区长2油藏为例

通过已有的少数井的试井资料分析得出压裂裂缝参数,以现有的参数为样本建立人工神经网络系统.以影响压裂结果的地层厚度、孔隙度、泥质含量、压裂施工参数、工作压力加砂排量为输入参数,以裂缝导流能力和裂缝半长为输出参数,用BP神经网络训练,推断出所有井的压裂裂缝参数,从而得到整个油藏的压裂裂缝分布特征,对压裂措施的效果有了直观的评价.     

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。     

天然裂缝复杂程度对致密储层破裂特征的影响

地层内部总存在孔隙、裂隙、层理、裂缝、断层等结构特征从而体现为地层地质非均质性,并在人工注采过程中发生不同尺度的破裂而体现为跨尺度的裂缝时空延展特征和致裂机理。以致密油为代表的非常规油气藏开采开发在我国油气产能中占比越来越大,并往往利用水力压裂储层改造技术产生人工裂缝以增强油气渗流而实现其规模经济开发;同时,这类低渗透油气藏亦是CO₂压裂、注入和封存的重要对象。文章基于真三轴大型物理模型水力压裂实验和工程尺度下水力压裂微地震监测结果,通过不同尺度裂缝/裂隙活动所致声发射和微地震事件的时空展布研究岩体多尺度裂缝的破裂特征。研究表明,无论是相对稳定的真三轴水力压裂,还是实际地质工程尺度下的水力压裂微,岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。     

煤层气井水力压裂裂缝产状和形态研究

对钻井水力压裂开采煤层气时，所形成的裂缝产状和形态进行了理论分析，提出了裂缝倾角，走向和形状的确定依据。     

天然裂缝对页岩储层井周诱导缝形成扩展的影响

页岩储层物性极差,必须通过体积改造形成网状裂缝系统才能实现经济有效开发,掌握页岩地层中诱导裂缝延伸规律是成功实现缝网压裂的基础。借助基于细观损伤力学和弹性力学研发的岩石破裂分析系统RFPA2D,开展了页岩储层在水力压裂过程中的裂缝形成及延伸规律研究。在考虑到地层非均质的前提下,结合页岩本身的力学特性,分析了井周天然裂缝长度及密度对井周诱导缝形成及发展的影响。结果表明,井壁天然裂缝越长、密度越大,其开启可能越大,开启后伴生诱导缝发育程度越高。另外,对不同地应力差下天然裂缝长度影响开展的研究表明,低应力差下,即使天然裂缝较短,也会被打开,伴生诱导缝延伸具有较强的随机性,在天然裂缝长度较长的情况下,伴生诱导缝倾向于沿天然裂缝方向继续发展。     

地壳应力值的估算方法

本文提出了不通过地应力测量,确定工程岩体地应力值的断裂判据法和地震波断裂力学反演法。断裂判据法仅需确定野外最新构造体系断裂参数和岩体物理力学参数,便可确定不同新构造活动区的现代地应力值或下限值。地震波断裂力学反演法仅需要收集地震资料,测定岩体物理力学参数,便可确定区域平均剪应力τ_0;结合现代地应力场类型和最大主应力方向,可确定主应为值。     

水压致裂煤层裂缝发育特点的研究

本文对煤岩基本力学性质、煤层水压致裂缝形成条件、裂缝形态以及裂缝开裂角方位等基本理论进行了研究与探讨，通过大量煤岩力学性质测试，证实了试验区目的层煤岩弹性模量低，泊松比较高，脆性大，易破碎，易压缩。文章还得出了目的层煤岩Ｍｏｈｒ断裂准则二次抛物线型包络线，煤层水压致裂裂缝形式判断，裂缝开裂角方位的计算公式以及有关结论。     

黄土拉伸试验及其破裂过程仿真分析

Q3黄土的单轴拉伸试验表明,黄土的抗拉强度值很小,在拉张应力作用下会发生突发性的脆性破坏,断裂面粗糙,且基本垂直于拉应力方向。借助数值分析软件RFPA,对黄土的整个拉张破裂过程进行了仿真分析,捕捉到了黄土在拉张应力作用下内部裂纹的扩展与演化过程。结果表明,黄土的拉张破裂过程可以分为两个阶段,即线性变形阶段和裂纹的形成、扩展与贯通阶段。黄土体内部裂纹的萌生、扩展及贯通会在很短时间内完成,即黄土在拉伸应力作用下的破坏是突发性的,属于脆性断裂。单轴拉伸试验结果与数值仿真分析结果具有较好的一致性。     

侧向应力对裂隙渗透性的影响

目前不同试验者得出的侧向应力对裂隙渗透性影响的结果存在矛盾,其根本原因在于侧向应力对裂隙有多方面的影响。侧向应力引起裂隙开度增加、壁面磨损、充填物压缩。这些对裂隙渗透性有不同的影响。根据裂隙是否存充填物,建立了相应的三维应力对裂隙渗透性影响的表达式。当不存在充填物时,裂隙渗透性与侧向应力呈指数关系,当存在较多充填物时呈负指数关系。把两种情况写成统一的指数形式,认为裂隙存在少量充填或者裂隙壁面磨损时也是适合的。利用已有的试验成果对结果进行了验证,表明本文建立的表达式与试验结果符合得比较好。     

人工裂缝与天然裂缝耦合关系及其开发意义

通过野外露头、成像测井、古地磁定向岩心以及岩石差应变测试等资料, 对鄂尔多斯盆地延长组超低渗储集层天然裂缝的发育特征进行了系统研究, 并结合微地震监测资料, 对压裂缝展布规律及其与现今地应力和天然裂缝的关系进行了分析。人工压裂缝与天然裂缝具有较好的耦合作用, 在陕北地区, 由于天然裂缝发育, 岩石的不均一性使得人工压裂缝主要沿着天然缝扩展; 而在陇东地区, 天然裂缝的发育程度相对较差, 压裂缝的延伸方向及其形态主要受现今地应力的控制。因此, 超低渗油田的开发井网部署时, 既要考虑天然裂缝的发育程度, 还应该考虑天然裂缝方位与地应力的匹配关系。      

低渗透砂岩裂缝孔隙度、渗透率与应力场理论模型研究

低渗透砂岩储集层普遍发育裂缝, 裂缝不仅是重要的流体渗流通道, 而且在油井周围的发育程度直接影响着油井的生产能力.目前裂缝定量化预测方面存在的焦点问题是:缺乏一个有效而合理的力学模型, 裂缝渗透性的求取方法仍处于半定量化, 不具通用性.以史深100块沙三中储集层为目标, 从应力场和裂缝主要参数的关系入手, 以裂缝开度为桥梁, 通过实验和理论推导的方法, 建立了构造应力场和裂缝孔隙度、渗透率之间的定量关系模型.在岩石力学参数测试结果和地质模型建立的基础上, 对目的层裂缝发育时期的古构造应力和现今地应力进行数值模拟, 将结果代入关系模型, 计算研究区裂缝孔隙度和渗透率的空间分布, 进而指导低渗透砂岩油藏的裂缝参数定量预测、产能规划及井网部署.      

山西沁水盆地中、南部煤储层渗透率影响因素

通过对山西沁水盆地中、南部井下煤层宏观裂隙的观测和统计,将其按大小和形态特征划分为4级,并在扫描电镜下对显微裂隙进行了系统描述和测量。在分析渗透率与地应力、埋深、裂隙、储层压力和水文地质条件等相互关系的基础上,指出影响本区煤储层渗透率的主控因素是地应力和埋深,在埋深相似的条件下,其他因素对渗透率起着更重要的作用。      

构造应力对裂缝形成与流体流动的影响

裂缝是低渗透储层流体流动的主要通道,控制了低渗透油气藏的渗流系统。低渗透储层裂缝的形成与流体密切相关,高流体压力引起岩石内部的有效正应力下降,导致岩石剪切破裂强度下降,使岩石容易产生裂缝。高孔隙流体压力还造成某一点的应力摩尔圆向左移动,可以使其最小主应力(σ3)由压应力状态变成拉张应力状态,从而在岩石中形成拉张裂缝。裂缝的渗透性受现今应力场的影响,通常与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态,连通性好,开度大,渗透率高,是主渗透裂缝方向。构造应力对沉积盆地流体流动的影响主要表现在三个方面:(1)构造应力导致的岩石变形,不仅提供了流体流动的通道,而且还改变了岩石的渗透性能;(2)在构造强烈活动时期,构造应力的快速变化是流体流动的重要驱动力;(3)岩石中应力状态影响多孔介质的有效应力,从而影响介质中的渗流场。当作用在含流体介质上的构造应力发生改变时,岩石孔隙体积变小,构造应力首先由岩石的骨架来承担;当岩石孔隙体积减小到一定程度时,构造应力由孔隙流体来承担,从而影响岩层渗流场的变化。     

陕甘宁盆地储层裂缝特征及形成的构造应力场分析

根据陕甘宁盆地延河剖面、延长川口油田以及长庆安塞油田的裂缝研究资料，分析了盆地内裂缝的走向、成因类型，提出陕甘宁盆地为稳定盆地，盆地内褶皱和断层相对不发育，但裂缝广泛存在；盆地内的E—W向区域裂缝最发育，主要形成于燕山期；其次为NE向裂缝，为喜山期构造运动的产物；野外露头上的裂缝方位和实际注水动态反映的裂缝方位存在不一致的现象，主要与由裂缝形成期的古构造应力场、现今构造应力场和盆地内砂体的展布方向有关；控制裂缝发育的主要地质因素是沉积相。