敖西川[1]2004年在《多层水力压裂裂缝延伸数学模型研究与应用》文中研究指明我国陆上油气田的一个突出特点是低渗透油与田比例较大，特别是近年来新增的油气储量中，低渗透油气储量的比例呈逐年上升的趋势。在低渗透储层中，产层往往是非均质、多层系的，层与层之间跨距较大，单个产层产量常难以达到经济开采要求。要开发动用好这部分储量，并获得较好的经济效益，一种有效的方法就是应用水力压裂技术来改造油气层。为获得油藏最大采收率以及使压裂费用最小，我们期望采用多层压裂技术同时压开所有产层。 多层压裂裂缝延伸模拟是多层油藏压裂设计的核心。如果使用传统的均质、厚油层的水力压裂裂缝延伸模拟方法对多层压裂的裂缝延伸进行模拟必然会产生较大的误差。因此，有必要对多层系统水力压裂的裂缝延伸模拟技术进行研究，建立一种能模拟多裂缝在不同层位同时延伸的数学模型。目前国内在这方面的理论研究还几乎是一片空白，国外学者在多层压裂裂缝模拟方面作了一定的研究，但还很不完善。 多层压裂裂缝延伸模拟模型主要是由流量分配模型和单裂缝延伸模拟模型两部分组成。国外现有的多层压裂裂缝延伸模型仅在某一时间点上对流量进行了分配，而没有考虑整个施工过程中的流量分配，且单裂缝延伸模拟使用的是二维裂缝延伸模型。在前人研究的基础上，本文通过对压裂施工过程中流量实施初始分配和实时分配，并采用叁维模型模拟单条裂缝延伸，对多层水力压裂裂缝延伸模型进行了较为深入的研究，建立了一套新的多层水力压裂裂缝延伸数学模型，并编制了程序进行实例计算分析。 论文的主要工作有： 1．调研国内外多层水力压裂的相关文献，特别是关于多层压裂裂缝延伸模拟的有关文献，了解国内外多层水力压裂设计的发展动态和趋势； 2．根据多层压裂的特点，推导和建立了多层压裂改造时各产层进液量分配的数学模型，该模型包括流量的初始分配和实时再分配； 3．在参考国内外相关文献的基础上，推导和建立了多层压裂中单裂缝的叁维延伸数学模型，并给出了模型的求解方法； 4．用Visual Basic 6.0编制了相应的计算程序，对多层压裂裂缝延伸进行了模拟计算，并对模拟结果进行了分析； 5．结合二维模型与叁维分析方法，推导和建立了一种新的用于模拟多层压裂裂缝延伸的数学模型，对裂缝几何尺寸的影响因素进行了研究； 6．利用编制的模拟计算程序对一口井进行了实例计算，并对压裂施工的设计和实施提出了建议。
李天才[2]2009年在《榆林气田上古压裂理论与应用技术研究》文中指出榆林气田是我国鄂尔多斯盆地发现的大型气田,是长庆油田的四大主力气田之一,“西气东输“的主要气源区。对于鄂尔多斯这类低压低渗透油气藏其自然生产能力极差,压裂改造是开发的必备手段,完善发展这类低渗透气藏的高效改造技术,不仅是摆在石油工作者面前的重要课题,也是我国石油工业发展战略的需要。对榆林气田低压气藏压裂工艺及配套技术的研究和完善,不仅可以为该区块的勘探开发提供有力的技术支撑和技术手段,为进一步提高上古低压气藏的单井产量,提高气田的经济综合开发效益起到重要的作用;而且也是针对这类难开发的低渗储层的改造措施方面的一个技术储备,为鄂尔多斯盆地的储层改造提供一个研究思路及借鉴方法。本文从上古储层的实际地质特征入手,针对榆林上古压裂改造技术的需要,重点对压裂定量选井选层技术、多薄层压裂模型、控缝高理论与技术、支撑剂回流机理和压降评估等方面进行了较为系统和深入的研究,取得了以下主要成果:(1)通过榆林上古储层地质特征、前期压裂资料和生产测试资料的统计、评估、分析,运用灰色关联、模糊数学等方法建立了利用人工智能方法提高榆林上古储层压裂效果的定量选井选层模型,形成了一套既考虑储层特征又考虑施工参数优选压裂井层的方法。(2)根据Kirchoff第一定律和Kirchoff第二定律,建立了多层水力压裂过程中的流量分配模型,实现了对整个压裂过程中的流量初始分配和再分配的动态分配;在此基础上考虑多层裂缝同时起裂延伸,建立了多条垂直裂缝叁维延伸数学模型,编制了相应的计算程序。(3)利用线弹性断裂力学和数理方程知识,在拟叁维的假设条件下,引入动态应力强度因子公式,建立了裂缝高度模型。并编制了程序,进行了该区块裂缝高度延伸影响因素的研究。(4)建立了压裂液返排中的支撑剂回流力学模型和强制返排的井口压力计算模型,为定量确定压裂返排参数、选择最佳的油嘴提供依据:建立了气井生产过程中出砂的力学机理模型。(5)研究与分析传统的压力递减分析模型,对传统G函数分析方法进行了改进,并考虑压裂液的压缩性与压后立即返排,建立了适合裂缝性油藏的PKN和KGD二维分析模型,形成新的压裂分析解释技术。(6)在考虑非达西效应和长期裂缝导流能力的基础上,建立了压裂气井产量预测数学模型,给出了压裂气井产量拟合求取裂缝参数的基本原理,并依据榆林气井压后生产数据拟合得到了支撑裂缝参数。
康向涛[3]2014年在《煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究》文中提出低透气性是我国煤层瓦斯赋存的普遍特性，为合理高效的抽采煤层瓦斯必须对高瓦斯低渗透性煤层采取增透措施。水力压裂作为水力化措施中增加煤层透气性的一种有效方法，已在许多矿区获得了应用。本文采用相似材料模拟煤层的试验手段，结合理论分析和现场应用等研究方法，研究地应力对煤层水力压裂裂缝扩展规律的影响，同时提出了地应力作用下基于裂缝扩展规律的瓦斯抽采钻孔优化布置方法，为压裂后煤层瓦斯的高效抽采提供了借鉴。（1）采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统对煤岩及顶底板的力学性质进行了测试，为煤岩和顶底板相似材料制作提供基础。通过压汞试验研究了M6-3煤层的孔隙裂隙特征，煤层为小孔、微孔结构，孔隙度为2.7793%，孔隙形态为开放孔，连通性较好，有利于采取增透措施增加煤层渗透性。根据声发射的Kaiser效应测定了煤层的地应力分布规律，逢春煤矿为构造应力场型，垂向主应力为中间主应力，水平主应力为最大、最小主应力，最大水平主应力方向为北西向。（2）基于煤层钻孔水力压裂的憋压特征，提出了孔底憋压模型。根据水压裂缝与天然裂缝的力学关系，建立了水压裂缝与天然裂缝的遭遇模型，并分析了水压裂缝与天然裂缝遭遇后的扩展延伸条件，认为煤层水力压裂是水压主裂缝与分支裂缝交替扩展延伸的过程，最终共同形成主裂缝交叉分支裂缝的裂缝网络。根据水力压裂垂直裂缝扩展的拟叁维模型，预测水压裂缝的扩展形态，给出了裂缝中流体的连续性方程、压降方程、缝宽方程和裂缝高度控制方程及模型的求解方法。（3）对模拟煤岩的相似材料进行研究，确定了煤岩及顶底板的相似材料配比。采用“顶板-煤层-底板”分层的相似材料浇筑方法，设计煤层水力压裂的物理模拟试验，应用大尺寸真叁轴水力压裂试验系统进行了煤层水力压裂裂缝扩展规律的研究。结果表明，水压裂缝基本在煤层中扩展，总体形态为椭圆形，缝高随裂缝扩展而变化；裂缝沿垂直于最小水平主应力的方向扩展，沿平行于最大水平主应力的方向延伸。地应力是水压裂缝扩展延伸的决定性因素，随着水平最小、最大主应力比值由小到大，水压裂缝延伸方向与最大水平主应力方向夹角由大变小，裂缝发生偏转，裂缝破裂压力逐渐增大。在等围压条件下，水压裂缝的扩展是随机的，一旦形成裂缝面，裂缝将沿着优势破裂面扩展，沿其中一个水平主应力的方向延伸。水压裂缝与预制裂隙相交角度是决定水压裂缝能否穿过预制裂隙的重要因素，水压裂缝与预制裂隙接触角度小于45°时，水压裂缝将穿过预制裂隙继续扩展。在两个煤层的联合压裂过程中，水压裂缝可以在两个煤层中扩展延伸。煤层钻孔对水压裂缝延伸可起到一定的导向作用，钻孔的集中应力会局部影响水压裂缝的扩展方向，但在地应力作用下，水压裂缝依然会穿过钻孔继续扩展延伸。（4）在地应力场与煤层顶底板的共同作用下，根据水压裂缝最后的扩展形态总体为椭圆形特征，给出了椭圆形周围的塑性区计算公式，认为塑性区是煤层水压裂缝周围主要的卸压增透区，是瓦斯抽采钻孔优化布置的重点区域。根据煤层抽采钻孔无盲区的要求，建立了抽采钻孔布置的优化模型，得到了瓦斯有效抽采半径的孔间距为3R。依据地应力作用下的水压裂缝形态、扩展方向及裂缝周围的塑性区分布，对煤层压裂前后穿层抽采钻孔与顺层抽采钻孔的布置进行了优化设计；并提出了现场可通过钻孔单孔瓦斯抽采量考察水压裂缝的扩展延伸方向，以此实现瓦斯抽采钻孔的优化设计。根据地应力与地质构造特点，把水力压裂与瓦斯抽采相结合，提出一套地应力作用下的“选择-判断-压裂-钻孔-抽采”一体化的水力压裂与抽采瓦斯工艺体系。（5）水力压裂在逢春煤矿的工业应用表明，单一煤层的水力压裂提高了煤层透气性，增加了煤层的瓦斯抽采量，加快了煤层巷道的掘进速度；多煤层的联合压裂在石门揭煤中取得了较好效果，不但提高了瓦斯抽采浓度、抽采纯量，而且使石门揭煤的工期缩短，保证了煤矿的采掘接替和安全生产。
张文勇[4]2015年在《鹤壁矿区煤层气水平井分段水力压裂工艺参数优化及应用》文中研究指明我国煤储层低渗的特点决定了要开发煤层气需进行储层改造。水力压裂因其货源广、价格较便宜、施工便利、改造效果较好而成为目前主要的储层改造方式之一。以垂直井进行的水力压裂改造面积小,面效应作用小;采用水平井分段压裂技术,可以实现点-线-面-体的综合体积改造,压裂影响范围扩大,能大大提高裂缝导流能力。本论文通过煤层气开发理论、岩体力学、渗流等理论,对煤层气水平井分段压裂工艺参数进行优化。主要研究内容包括:(1)根据煤层气地质学理论,应用回归分析、构造曲率法得出研究区煤层气富集特征及渗透率展布规律以鹤壁六矿煤层气及煤矿勘探开发资料为基础,借助煤层气地质学、岩体力学、渗流等理论,系统分析研究区含气量的影响因素结果表明:矿区煤层含气量高的根本原因取决于煤的变质作用。煤层含气量在变质作用下决定于原始成煤的物质类型,也即是煤的岩石力学特征。采用回归分析方法得出含气量与煤层埋深的关系,得出了研究区含气量分布规律:从煤层瓦斯风化带下界到煤层埋深750m,煤层含气量变化梯度为3.42 m3/hm.t;煤层埋深750~1100 m,煤层含气量变化梯度则为1.42 m3/hm.t,即浅部煤层含气量增幅相对较大,深部煤层含气量增幅相对较小;通过分析低温氮吸附试验和压汞孔隙分析,鹤壁矿区煤储层的孔比表面积和总孔体积较大;压汞孔隙度较大,吸附孔在孔隙结构中占绝对优势,约占总孔隙量的78%;根据构造曲率法,对研究区渗透率进行了预测。鹤壁矿区煤体渗透率在0.03~0.05mD之间。井田煤层在形成后遭受后期构造破坏而使储层渗透性变差,渗透率普遍较低。本区二1煤的煤体结构在垂向上大体可分为叁个分层:煤层上部发育有0.5~1.0 m的碎粒煤和糜棱煤,煤层中部主要发育有原生结构煤和碎裂煤,煤层下部发育0.5 m的碎粒煤,煤体结构在垂向上分布不稳定。鹤壁六矿煤体结构破坏较严重,整个区块以Ⅲ、Ⅳ类为主,在鹤壁六矿研究区块的西南部存在以Ⅱ类煤为主的局部区域。根据等温吸附测试实验,得出鹤壁六矿煤样中甲烷初期解吸速度高、衰减快、解吸充分、残存量少,煤样中80%的气体可解吸出来,吸附时间仅数小时。解吸时间短,可以预测产量很快达到高峰。(2)进行了不同煤体结构应力-应变-渗透率测试,得出不同煤体结构应力-应变-渗透率变化关系系统分析了水平井水力压裂裂缝延伸形态的影响因素,基于断裂力学理论,构建了压裂延伸数学模型,得出了不同条件下水平井分段水力压裂裂缝形态。结果表明:当被压裂层与上下岩层杨氏模量相差不大时,杨氏模量是控制裂缝纵向扩展的重要因素之一,当被压裂层小于上下岩层杨氏模量5倍以上,裂缝高度将有可能被限制于压裂层中,形成“t”型缝;地应力差值是压裂裂缝形成单一裂缝或多裂缝的主要控制因素,地应力差越大,裂缝沿着最大主应力方向延伸,不易形成多裂缝,地应力差越小,裂缝延伸方向具有随机性,在各个方向都有可能延伸,裂缝形态以径向网状扩展为主;合理增大施工规模,提高施工排量、砂比,也就意味着增加了压裂影响范围、裂缝长度以及导流能力,提高了压裂效果,有利于煤层气井实现稳产、高产。实验进行了不同煤体结构的应力-应变-渗透率测试,得出了不同煤体结构应力-应变-渗透率的关系。实验结果如下:Ⅰ类、Ⅱ类煤在加载过程中,渗透率同有效应力之间的关系主要表现为符合负指数方程;Ⅲ、iv类型煤在声发射峰值过后则主要表现为应变软化的特性,在轴向压力平缓的降低,而原煤则呈现应力跌落,轴向上的压力变化与井下煤与瓦斯突出的瞬时性和快速发生特性十分相似。对于Ⅰ类煤,其内部孔裂隙不发育、由于几乎没有受到大的构造运动的影响,其内部煤体结构相对完整,内部孔裂隙的连通性差。在压密阶段,煤岩整体变形主要以颗粒运移为主;在弹性变形阶段,煤岩整体变形以颗粒变形为主;在塑性变形阶段,煤岩整体变形主要是颗粒破坏为主;在峰值后破坏阶段,煤岩整体发生破坏。该阶段是煤岩整体发生宏观破裂,裂缝之间的孔裂隙相互贯通的过程,并且随着应力加载不断进行宏观裂缝逐渐变大。完全破坏以后,随着加载进一步进行,煤岩颗粒之间由于受到挤压,孔裂隙开始闭合,渗透性减小。对于Ⅱ类煤,由于受到构造作用的影响,其煤体内部孔裂隙发育,同时孔裂隙之间的连通性较好,孔裂隙规模整体较大。在压密阶段,煤岩变形以颗粒运移为主。在弹性变形阶段,由于颗粒运移趋于有序化、稳定化,运移难度逐渐加大。在塑性变形阶段,由于前期变形阶段积累了大量弹性能,随着弹性能量逐渐达到煤岩强度,发生颗粒破坏的区域越来越大,新生裂缝大量生成,渗透性逐渐增强;在峰值后破坏阶段,随着应力继续加载,当煤岩本身难以抵抗变形时,煤岩整体沿着破裂区域发生整体破坏,渗透性进一步增强。煤岩完全破坏以后,随着加载的进一步进行,由于压实作用影响,致使煤岩颗粒之间的孔裂隙闭合,渗透性开始减小。对于Ⅲ、iv类煤由于受到构造作用破坏比较强烈,煤岩变形过程中裂缝的起裂、延伸、扩展主要是以颗粒之间的裂缝演化为主。由于煤体颗粒比较破碎,在加载过程中由于应力分布的差异性,致使颗粒由应力大的区域向应力小的区域运移,随着颗粒运移,会形成新的裂缝,但是由于颗粒之间的连接性差,随着应力加载,颗粒运移以后,该区域的空缺会被其它区域颗粒快速充填,裂缝重新闭合。在水力压裂过程中随着流体的流入,挤压颗粒形成裂缝,但是随着流体的返排以后,裂缝又重新闭合,因此常规水力压裂对Ⅲ、iv类煤压裂改造效果不佳。(3)根据渗流理论和岩体力学理论,构建了压裂裂缝形态数学模型及产能预测模型,优化了射孔参数以及压裂液量、砂比等泵注参数。根据渗流理论和岩体力学理论,构建了压裂裂缝形态数学模型及产能预测模型,优化了射孔参数以及压裂液量、砂比等泵注参数。根据储层参数以及建立的产能预测模型对hb01-h1井组的产气量进行了预测,通过计算该区压裂有效影响半径为20.4m,有效解吸半径为15.5m,通过对各压裂段理论最大产气量进行计算,计算结果显示:第一段产气量为93.0万m3;第二段产气量为87.3万m3;第叁段产气量为80.6万m3;第四段产气量为113.2万m3,第五段产气量为105.8万m3,累计总产气量为479.9万m3。根据排采有效解吸半径为15.5m,每段影响长度为31m左右,五段累计影响长度为155m左右,远小于煤层段长度(583m),说明u型井排采过程影响范围有限,压裂分五段进行,造成该区域的累计压力有效影响半径小于煤层段长度,最终累计有效解吸半径也较小。通过增加压裂段数,不仅使排采时压裂影响半径增加,而且有效解吸半径将增加,容易形成压裂段间的压力干扰,大大提高煤层气井的产气量。由于hb01-h1井的影响长度小于煤层段长度。在对hb02-h2井进行压裂设计时,选择压裂段为11段,根据储层参数以及建立的产能预测模型对hb02-h2井组的产气量进行了预测。并采用mayer数值模拟软件对压裂效果进行模拟,显示半缝长58.27m。通过对各压裂段理论最大产气量进行计算,计算结果显示:第一段产气量为93.01万m3;第二段产气量为87.31万m3;第叁段产气量为80.61万m3;第四段产气量为113.21万m3,第五段产气量为105.76万m3,第六段产气量为97.42万m3;第七段产气量为91.69万m3;第八段产气量为92.74万m3;第九段产气量为95.90万m3,第十段产气量为85.32万m3,第十一段产气量为85.89万m3,累计总产气量为1028.86万m3。在hb01-h1井施工五段压裂的压裂效果与hb02-h2井施工十一段压裂的压裂效果对比分析,HB02-H2井产能预测累计产气量1028.86万m3,为HB01-H1井累计产气量479.9万m3的2.1倍;HB02-H2井实际最高日产气量3580 m3,为HB01-H1井最高日产气量1340 m3的2.6倍;压裂效果有了明显的改进。
王素玲[5]2008年在《低渗透油层水力压裂叁维裂缝数值模拟研究》文中认为大庆外围油田葡萄花和扶杨油层属于低渗透油层,自然产能低,压裂工艺是最有效提高单井产量的措施,也是增加储量的关键技术,但是,由于低渗透油层的构造和岩性复杂,传统压裂设计方法不适合施工的要求,使裂缝起裂和延伸不易预测与控制,改造强度低,效果差,措施成功率低。为此本文运用损伤力学和断裂力学方法深入研究大庆外围油田低渗透油层水力压裂裂缝的起裂机理与延伸规律,对大庆外围油田的有效开发具有重要意义和实用价值。进行压裂设计必须要考虑油藏储层地质特征及岩石力学性能,文中以敖南油田葡萄花油层为例系统研究了储层的沉积、构造及岩性等特征,进行了力学性能参数及地应力场的测定,它为叁维水力压裂数值模拟奠定了基础。本文弥补了不考虑流固耦合效应以及岩石材料非线性影响的研究缺陷,根据岩石力学、渗流力学、弹塑性力学,建立了低渗透油层射孔地应力力学模型,采用有限元方法,考虑动态效应下,获得了低渗透油层在钻井-固井-射孔-压裂不同阶段的地应力分布状态。通过实际井验证,起裂压力误差率为3.5%,证明了模型较为合理。在此基础上,分析了射孔参数以及射孔眼的污染程度对起裂压力及起裂位置的影响,提出了较为合理的射孔方案,为提高低渗透储层水力压裂效果提供了前期保障。水力压裂过程具有惯性和速度、岩体破坏与发展、流体和固体耦合等特征,是材料非线性、几何非线性与结构动力学的耦合问题,本文通过力学分析,在考虑流固耦合效应、岩石的材料非线性效应以及裂缝扩展的动态效应基础上,建立了低渗透油层水力压裂叁维裂缝动态扩展的力学模型,根据岩石力学、渗流力学及有限元理论,建立了低渗透岩体应力平衡方程,及考虑非达西渗流条件下的流体渗流平衡方程,并获得了流固耦合方程的有限元格式。在储层岩石预设定裂缝表面采用损伤力学理论与断裂力学理论相结合的方法建立了岩石材料的损伤判据及破坏后裂缝的演化方程,并嵌入到岩体的流固耦合方程中,运用Newton-Raphson法、载荷增量法以及线性搜索法进行求解,实现了低渗透油层叁维裂缝形成过程的动态描述。为了检验低渗透油层叁维水力裂缝数值模拟方法及理论的正确性,对肇38-271井进行了模拟计算,裂缝形态的平均误差率为10.7%,满足工程精度要求,证明了模拟方法的正确性。利用低渗透油层水力压裂的叁维裂缝的数值模拟方法定性研究了岩石的力学性能、射孔参数、施工参数、压裂液粘度及滤失系数等因素对裂缝扩展形态的影响,为制定低渗透油层水力压裂施工工艺提供了依据。隔层是低渗透油层中控制裂缝高度以及影响裂缝形态的主要参数,它也是制定水力压裂措施的主要依据,为此,利用低渗透油层水力压裂的叁维裂缝的数值模拟方法重点分析了隔层与储层地应力差、弹性模量差以及隔层厚度对裂缝扩展的影响,为低渗透油层中隔层的封隔效果进行了定性的理论指导,以有效的提高油层的动用程度及压裂效果。随着我国低渗透油气田的大量开发,具有一套能适用于现场实际使用的叁维水力裂缝几何形态的预测软件是非常需要和迫切的,本文采用有限元方法建立的低渗透油层水力压裂的叁维裂缝动态扩展的数值模拟方法和技术,为低渗透薄差储层水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,提高了低渗透油层水力压裂措施的成功率。因此,此项技术具有重要的意义和广阔的应用前景。
姜婷婷[6]2015年在《煤层气藏水力压裂网状裂缝形成机理及扩展研究》文中研究指明水力压裂是提高煤层气井产量和增加煤层气采收率的有效手段。水力压裂过程中煤岩储层压裂裂缝扩展规律、尤其是网状裂缝的形成机理较为复杂,制约了煤层气水力压裂技术的高效实施。因此,充分认识煤层气藏水力压裂裂缝延伸规律,揭示网状裂缝的形成机理,对加快我国煤层气的开发具有重要意义。本文采用室内试验、理论分析与数值模拟等方法,研究了煤层水力压裂复杂裂缝的扩展规律、网状裂缝的形成机理及压裂后煤层气井产能预测等问题,得到的主要结论如下:(1)以某煤层为研究对象,通过对不同层理角度煤岩开展巴西劈裂、单轴及叁轴压缩、叁点弯曲和渗透特性试验,获得了煤岩力学参数。研究了煤岩巴西劈裂、叁点弯曲、单轴及叁轴压缩破坏模式与破裂机制的各向异性特征,初步探讨了层理在煤岩复杂破裂模式形成中的作用。(2)通过大尺寸原煤水力压裂物理模拟试验,分析了煤岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律,初步揭示了网状裂缝的形成机理,得到煤岩储层水力裂缝起裂与延伸的四种基本模式。水力压裂裂缝垂直层理扩展时,会在层理处发生发叉和转向,产生与主裂缝相交的次生裂缝,且主裂缝在继续扩展过程中沟通层理或天然裂缝形成裂缝网络;地应力和压裂液排量是裂缝形态的主要控制因素。(3)建立了考虑煤岩各向异性影响的水力压裂模型,分析了水力压裂微裂缝的扩展过程,进一步揭示了网状裂缝的形成机理,给出了影响裂缝网络形成的主控因素。结果表明:射孔完井条件下煤层气藏更易形成网状裂缝,裂缝的起裂和延伸主要为张拉裂缝的失稳扩展;层理断裂韧性是控制微裂缝在层理处发生分叉和转向的关键;地应力主要影响微裂缝的延伸距离;压裂液排量对微裂缝形态和延伸距离均有较大影响。(4)利用数值模拟软件分别对某区块进行常规水力压裂和体积压裂模拟计算,得到不同压裂条件下的裂缝叁维几何形态,计算表明体积压裂在该区块具有很好的可行性。体积压裂可形成较为复杂的网状裂缝,显着增加改造区域的导流能力。分析了体积压裂后裂缝几何尺寸、裂缝数量和裂缝体积等参数随施工时间的变化规律。(5)基于两相渗流Buckley-Leverett方程,建立了网状裂缝中水-气两相渗流数学模型,探讨了影响压裂后煤层气井产能的主控因素。计算结果表明:煤层渗透率、基质半径和煤层厚度是基质供气能力的控制参数;为了提高压裂井JZ-B施工作业的效率,建议主裂缝导流能力不超过200mD.m,裂缝间距为20~30m;缝网参数对压裂井产量影响较为显着,通过“体积改造”可以大幅度提高煤层气井产量。
付江伟[7]2013年在《井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究》文中研究指明论文针对井下煤层水力压裂过程中滤失率引起的煤体水分增加对瓦斯运移的负效应以及“瓦斯场、渗流场、应力场”重新分布规律问题，采用理论分析、数值模拟、实验室实验和现场工业性试验相结合的方法，分析了不同煤体结构适应性的井下水力压裂技术，研究了煤-水-气叁相介质条件下瓦斯解吸规律，揭示了水力压裂影响区域地应力分布特征，探讨了水力压裂煤层瓦斯运移产出的双重效应，指出了利用瞬变电磁法和示踪剂法对井下煤层水力压裂流场分布特征研究和评价的可行性。（1）煤-水-气叁相介质条件下瓦斯解吸规律的实验/试验研究表明，煤样含水率越高，累计解吸量越少、瓦斯解吸速率越低；ΔP、q、K13个指标值随煤体含水率的增大而减小。说明水分对瓦斯解吸运移不但有抑制作用，同时还揭示出含水状态下所测试的校检指标，掩盖了煤与瓦斯突出危险性。（2）井下单孔水力压裂数值模拟表明，压裂孔两侧本来的应力升高区域地应力大大降低，很大范围内地应力都降低到低状体，钻孔两侧及Z方向煤体发生位移；现场水力压裂影响区钻屑量的变化特征，反映了压裂后集中应力带向煤体深部转移，采掘工作面卸压带长度增大，钻屑量变化响应的工作面应力分布状态，与压裂影响区应力场特征数值模拟结果一致；通过数值模拟同时也发现了水力压裂的不足之处，在裂缝尖端也产生了新的应力集中。（3）针对煤层赋存地质条件的复杂性和非均质性，以及水力压裂研究过程中出现的压裂液流场短路、裂隙扩展分布不均、单孔尖端应力集中等现象，提出了“双孔（多孔）均匀压裂、定向钻进控制压裂、水力喷射辅助压裂、预先水力割缝导向压裂、开楔形环槽定向压裂”5种用于实现煤层整体、均匀压裂的优化工艺。（4）利用流态判识标准雷诺数Re和启动压力梯度λ，对水力压裂增透加速瓦斯产出的正效应，以及煤体水分增大抑制瓦斯运移负效应的研究表明，含水率并不是影响启动压力梯度的主要因素，当煤层渗透率增大到一定程度，启动压力梯度就将消失，揭示了对于透气性较好的高渗煤层，水分的增加对瓦斯抽采的影响是有限的，水力压裂增透加速瓦斯抽采的本质是改变了瓦斯在煤层内流态，与压裂过程中压裂液滤失引起的负效应相比，压裂增透产生的正效应对瓦斯运移产出起控制作用。（5）针对在评价压裂流场分布特征（渗流能力、影响范围、均匀程度）方面存在的难题，构建了含瓦斯煤体水力压裂流场评价数学模型，开展了基于瞬变电磁法和示踪剂跟踪法的水力压裂流场分布特征理论和实验研究，丰富了井下水力压裂评价的方法和手段，对提高现场施工质量、减小施工风险有很大应用价值。
武鹏飞[8]2017年在《煤岩复合体水压致裂裂纹扩展规律试验研究》文中认为煤层气(CBM)是一种低碳、清洁、高效的非常规天然气资源,已成为当今新能源发展的一个重要方向。但我国的许多煤层气藏资源地质赋存条件复杂,特别是“较软弱”煤层中的CBM较难开发。在软弱本煤层压裂工艺实施过程中,经常出现压裂井钻进塌孔、井筒后期维护困难、压裂形成的裂纹短宽、成缝困难等诸多难题,国际上现有的压裂技术不能高效的开发我国该类特殊地质条件下的CBM资源。因此,迫切需要提出适合我国该类特殊煤层气藏资源高效、经济的开采理论及技术。本文针对“软弱煤—硬覆岩(砂质泥岩)”类煤层气藏储层之间不同的水压致裂特性,通过试验研究、理论分析、数值模拟方法,围绕沁水煤田东北部15#煤体及其覆岩(砂质泥岩)在不同层理方位各向异性破裂特性、裂纹扩展形态特征、裂面形貌特征、煤岩及其复合体二维及叁维压裂特征进行了系统的研究。主要研究内容及结果如下:(1)煤体及砂质泥岩在不同层理方位各向异性断裂力学及其裂纹扩展形态特征试验研究。通过单轴压缩、巴西劈裂、SCB—I型断裂叁个试验,进行了煤及砂质泥岩不同层理方位力学试验研究,并针对不同层理方位断裂的裂纹扩展形态特征进行了分析。研究发现:煤及砂质泥岩在不同层理方位各向异性力学参数及裂纹扩展形态特征具有显着差异。在脆性度(B_(RIT-T))较高的垂直层理方位造缝有利于裂纹的传播、扩展;在Griffith裂尖能量释放率理想条件下,在垂直层理方位,裂纹从砂质泥岩越界扩展至煤体时释放的能量可在煤体内生成10.69~25.53倍当量长度或条数的裂纹,有利于裂纹在煤体内传播扩展及多裂缝结构形成;致裂相同规格SCB试件,裂纹在煤体内垂直正交层理方位扩展增加的有效长度为平行层理方位的1.36倍;受割理、天然裂隙等弱面结构影响,煤体内I型裂纹在垂直正交层理方位的最大偏转角可达30°,而在层理影响下,I型裂纹沿层理方位扩展的最大偏转角通常在10°范围内。(2)板状煤岩复合体水力压裂试验研究。为了能直观观察裂纹在煤岩复合体界面处的扩展形态特征,设计进行了板状煤岩复合体压裂试验。研究发现:在砂质泥岩中压裂向煤层垂直层理方位越界造缝,其裂纹扩展过程中形成的“贯穿”型、“偏移/转向”型、“分叉”型裂纹均有利于裂纹向煤体传播,可在煤体垂直层理方位沟通多层层理弱面,生成多裂纹结构,效果明显优于在本煤层中压裂造缝;在本煤层造缝时,垂直层理方位压裂效果明显优于平行层理方位,其裂纹可沟通多层层理弱面,并局部多伴随次生裂缝,扩展过程中出现的“分叉”型裂纹,有利于裂纹网状结构的生成,但在煤岩界面处出现的“T”型、“偏移/转向”型裂纹导致能量损耗大,不利于裂纹的传播扩展。(3)叁维大尺寸煤岩复合体水力压裂试验研究。与板状煤岩复合体压裂形成互补试验研究。研究发现:静态超声反演的裂纹叁维空间形态较板状试件更加复杂,水力裂缝在煤体平行层理方位的最大开度为1.292mm,在煤体垂直层理方位的最大开度为0.952mm,在砂质泥岩垂直层理方位的最大开度为0.816mm。(4)煤与砂质泥岩复合体二维水力裂纹越界扩展形态数值模拟研究。用运相场法模型,针对裂纹在煤与砂质泥岩复合体中不同路径起裂扩展形态特征进行数值模拟。研究发现:裂纹在本煤层中扩展形态单一,不易越过界面扩展;裂纹从砂质泥岩中起裂扩展至煤岩界面较近距离条件下,受裂尖集中应力影响,煤岩界面及煤体开始损伤,裂纹容易沿该损伤区域扩展,形成多裂纹结构;另外,裂纹在转向过程中消耗的能量明显较高,形成的损伤区域范围明显较宽;煤体内部两条以上裂纹扩展过程中,在相互影响作用下,裂纹可出现多级次分叉、融合,有利于形成多裂纹结构。
常鑫[9]2016年在《页岩储层复杂裂缝扩展机理研究及几何形态优化设计》文中认为页岩气作为一种重要的非常规天然气资源,具有资源分布广泛、长期稳产等特点,是目前非常规油气资源开发领域的研究热点之一。页岩储层基质渗透率极低,只有通过大规模水力压裂才能获得经济开采。但由于受平面应力分布、粘土矿物含量、脆性、微裂缝分布和发育程度的影响,页岩水力压裂后通常形成具有一定范围的不规则网状裂缝,这与传统平面双翼对称裂缝模型存在显着差异,裂缝起裂、延伸规律异常复杂,给页岩压裂施工方案设计和相关配套工艺研发带来了巨大挑战。针对以上问题,本文基于岩石力学、弹性力学、流体力学和断裂力学基本理论,对页岩体积压裂复杂裂缝的形成机理及几何形态优化设计进行了研究,主要的研究内容如下:(1)选取重庆漆辽志留统龙马溪组黑色页岩为研究对象,通过单轴、叁轴压缩试验,对不同层理面影响下页岩力学参数、强度变形特征以及破坏模式进行了系统研究,结果表明:页岩抗压强度、弹性模量和泊松比随着取芯角度的增加呈现出明显的各向异性特征;同时层理面倾角和围压对其破坏形态具有重要影响,当剪切破坏面与层理面相交时,通常伴随有裂缝的分叉、转向和层间弱面开裂等现象。(2)基于页岩横观各向同性本构模型,建立了页岩气井井周应力分布计算模型,应用弹性力学广义平面问题复变函数解法,结合井筒坐标变化矩阵,得到了横观各向同性地层井壁围岩应力解析解,在此基础上采用最大拉应力准则,建立了页岩起裂压力计算模型并进行了参数敏感性分析,结果表明:对于水平层状页岩储层,随着井斜角的增大,井周应力分布与各向同性本构模型的计算结果偏差逐渐增大,起裂压力也明显低于各向同性地层;随着水平井方位角的增大,地层破裂压力逐渐升高,同时存在一临界方位角,当井筒方位角大于该临界值时,各向异性地层破裂压力明显高于各向同性地层,而地层倾角对地层破裂压力的影响随着水平井方位角的增大却逐渐减弱。(3)综合考虑水力裂缝尖端应力奇异性,建立了水力裂缝穿过天然裂缝的新判据,并在此基础上,结合流体压降方程、缝宽方程和连续性方程,编写了主裂缝扩展程序,对天然裂缝影响下主水力裂缝的扩展形态进行了模拟计算,结果表明:在低逼近角、低水平应力差条件下,主水力裂缝较易沿着天然裂缝发生转向扩展,反之水力裂缝则直接穿过天然裂缝;同时,天然裂缝展布特征对主水力裂缝净压力和相交点缝宽均有重要影响,而水力裂缝端部新裂缝起裂角则与净压力、水平应力差和天然裂缝倾角密切相关。(4)综合考虑岩体变形与缝内流体压力的耦合作用机制,建立了页岩体积压裂多裂缝同步扩展有限元分析模型,从地质和工程两个方面出发,对多裂缝同步扩展过程中的地应力场变化、裂缝转向特征进行了分析,结果表明:在多裂缝同步扩展时,每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各裂缝扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的迭加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;其中缝间距是影响缝应力阴影大小的关键因素,缝间距越小,缝间的干扰越严重;随着地层弹性模量的增加,缝间应力阴影效应显着增强,各裂缝缝宽随之减小。(5)基于流体力学和渗流力学基本原理,利用缝内流体流动方程、连续性方程、缝宽方程和椭圆方程建立了页岩体积压裂缝网模型,采用Richtmyer线性化方法构建了流体流动方程的差分格式,并编制了相关模拟计算程序,最后进行了敏感因素分析,结果表明:增大施工规模,采用低粘度压裂液均有助于增大缝网波及体积;在注入液量相等的条件下,注液排量越大,缝网波及体积越小;在高弹性模量、低水平应力差储层进行体积压裂,缝网改造体积越大;同等条件下,天然裂缝越发育,缝网波及体积越小。
王少宾[10]2017年在《各向同性连续介质定面射孔水力裂缝扩展规律的分析》文中提出定面射孔水力压裂是一项非常复杂的过程,在研究水力压裂的规律解决现场实际工程问题时,主要有以下问题:定面射孔裂缝扩展量化规律不成熟,定面射孔影响裂缝扩展主因认识不清,定面射孔对裂缝形态控制方法不完善。采用ABAQUS有限元软件中的扩展有限元(XFEM)方法对定面射孔水力压裂问题进行建模、输入文件改写,综合考虑各影响因素以实现裂缝扩展过程的仿真计算。重点分析了射孔参数及射孔面方向对裂缝扩展的影响规律,为定面射孔水力压裂设计提供参考,新方法可促使裂缝的延伸,使泄油面积大幅增加同时形成系统性的缝网,对低渗透油井的增产潜力的提高作用显着。扩展有限元方法进行水力压裂裂缝扩展数值模拟计算基本原理为:富集函数应用于有限元基础上用来模拟新开展裂缝单元,利用水力驱动裂缝单元模拟水力压裂过程中裂缝的张开扩展过程,XFEM单元的起裂准则为岩石单元达到最大拉应力,按照线性分离规律扩展,岩石单元切向与法向的张开程度符合BK准则。通过比较前人进行水力压裂相关的分析研究确定主要研究内容如下:分析定面射孔条件下利用XFEM进行水力压裂数值模拟的理论方法;对水力压裂裂缝扩展规律影响因素进行初步的讨论;分析射孔长度、夹角、间距等对裂缝扩展规律的作用;分析射孔面位置对裂缝扩展规律的影响。通过射孔参数及射孔面方向对裂缝扩展规律的影响研究发现:①射孔间距大于射孔长度,对射孔之间裂缝融合影响不大,反之裂缝会比较容易融合;射孔夹角越小,裂缝延伸方向趋于水平方向,反之裂缝延伸方向趋于竖直方向。②在射孔面与最大主应力面水平夹角45度、竖直夹角45度情况下,随着射孔夹角的增大,裂缝扩展方向偏转角先减小后增大最后趋于稳定,且竖直夹角45度情况变化幅度更大,裂缝扩展高度、宽度随射孔夹角增加而增加。③射孔方向沿着最大主应力方向时,裂缝扩展方向不发生偏转;射孔面与最大主应力面存在水平角,可采用增加定面射孔对裂缝扩展方向加以引导;射孔面与最大主应力面存在竖直角,可适当增大定面射孔夹角,对裂缝扩展方向加以引导,但是夹角不能太大,否则起不到引导作用。④射孔间夹角30度情况下,随着射孔面与最大主应力面水平夹角的增大,裂缝偏转角度增大,裂缝横向扩展范围变化不大;射孔间夹角30度情况下,随着射孔面与最大主应力面竖直夹角的增大,裂缝偏转角度增大,裂缝横向扩展范围减小。通过总结计算得出的水力压裂裂缝扩展规律,为水力压裂设计、指导水力压裂裂缝扩展的预测具有较好的参考作用。
参考文献：
[1]. 多层水力压裂裂缝延伸数学模型研究与应用[D]. 敖西川. 西南石油学院. 2004
[2]. 榆林气田上古压裂理论与应用技术研究[D]. 李天才. 西南石油大学. 2009
[3]. 煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究[D]. 康向涛. 重庆大学. 2014
[4]. 鹤壁矿区煤层气水平井分段水力压裂工艺参数优化及应用[D]. 张文勇. 中国矿业大学(北京). 2015
[5]. 低渗透油层水力压裂叁维裂缝数值模拟研究[D]. 王素玲. 大庆石油学院. 2008
[6]. 煤层气藏水力压裂网状裂缝形成机理及扩展研究[D]. 姜婷婷. 中国石油大学(华东). 2015
[7]. 井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究[D]. 付江伟. 中国矿业大学. 2013
[8]. 煤岩复合体水压致裂裂纹扩展规律试验研究[D]. 武鹏飞. 太原理工大学. 2017
[9]. 页岩储层复杂裂缝扩展机理研究及几何形态优化设计[D]. 常鑫. 中国石油大学(华东). 2016
[10]. 各向同性连续介质定面射孔水力裂缝扩展规律的分析[D]. 王少宾. 西安理工大学. 2017
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