第3章 水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算
深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法与相关技术
图片简介: 本技术介绍了一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，包括以下步骤，获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型，根据实际工程问题确定水力裂缝扩展模拟相关参数，建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述模型开展数值计算，得到数值模拟结果，根据数值模拟结果进行压裂效果分析，本技术采用弹塑性本构方程描述深层油气藏压裂过程中的岩石非线性变形，耦合井筒内、裂缝内和基质中流体流动，实现深层油气藏水力裂缝扩展过程的精准模拟，并对压裂效果进行定量分析，为深层油气藏人工压裂的预测、评价和优化提供有效手段。 技术要求 1.一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤: S1.获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型； S2.确定所述水力裂缝扩展数值模拟的相关参数； S3.建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述深层油气藏水力裂缝扩展数学模型开展数值计 算，得到数值模拟结果； S4.根据所述数值模拟结果进行压裂效果分析。 2.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S1包括： 根据深层油气藏的实际地质数据和现有地质模型数据，获取在水平面上的所述天然裂缝分布信息，包括裂缝的中心点、长度、倾角信息； 根据所述天然裂缝分布信息，建立所述离散天然裂缝系统几何模型； 若地层中不发育有天然裂缝，则此步骤省略。
3.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： S2所述相关参数包括： 岩石弹性力学参数，包括杨氏模量和泊松比； 岩石塑性力学参数，包括内摩擦角、膨胀角和粘聚力； 岩石断裂力学参数，包括抗拉强度和断裂能； 岩石天然裂缝性质，包括内聚力和摩擦角； 岩石物理参数，渗透率和孔隙度； 储层参数，储层厚度、孔隙压力和水平主应力； 压裂液参数，粘度、密度和注入速率。 4.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S3包括： S3.1.构建岩石非线性变形模型； S3.2.构建流体流动模型； S3.3.构建全局嵌入式内聚区模型； S3.4.多物理场耦合求解。 5.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建岩石非线性变形模型包括构建应力平衡方程、几何方程和弹塑性本构方程； 所述岩石非线性变形，采用德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则进行描述； 所述弹塑性本构方程，基于所述德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则，根据增量塑性理论推导获得。 6.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建流体流动模型包括构建井筒内流体流动模型、裂缝内流体流动模型和基质内流体流动模型；所述井筒内流体流动，被简化为一维流动，其流动规律符合基尔霍夫定律；
HAL压裂裂缝监测技术说明
哈里伯顿压裂裂缝微地震监测说明 2015年4月
1.微地震数据采集方式 井下微地震裂缝监测理论源于研究天然地震的地震学，主要为利用在水力压裂过程中储层岩石被破坏会产生岩石的错动（微地震）来监测裂缝形态的技术。井下微地震监测法将三分量地震检波器（图1）,以大级距的排列方式，多级布放在压裂井旁的一个或多个邻井的井底中（图2）。三分量微地震检波器在压裂井的邻井有两种放置方式：一种是放置在邻井中的压裂目的层以上，用于邻井压裂目的层已射孔生产情况，由于收集微地震信号的检波器非常灵敏；为防止监测井内的液体流动对监测造成井内噪音，必须在射孔段之上下入桥塞封隔储层，然后将检波器仪器串下入到桥塞之上的位置。另一种方法是将检波器放置在邻井中的压裂目的层位置上，这种情况检波器和水力裂缝都位于相同的深度和储层，此时声波传播距离最近、需要穿过的储层最少，属于最佳的观测位置，这种方式用于邻井的目的层未实施射孔生产的情况。 图1 三分量地震检波器
图2 三分量地震检波器下井施工现场 图3显示一个由5级检波器组成的仪器串在压裂井的邻井下入的两种布局方式：图中左边表示邻井已射孔的情况下，射孔段以上经过桥塞封堵，检波器仪器串放置在该井的目的层以上；图中右边表示邻井为新井的情况下，目的层未实施射孔，检波器仪器串放置在该井的压裂目的层位置上。井下微地震压裂测试使用的三分量检波器系统检波器以多级、变级距的方式，通过普通7-芯铠装电缆或铠装光缆放置在压裂井的邻井中。哈里伯顿使用采样速率为0.25ms的光缆检波器采集系统采集和传输数据。常规的电缆一方面数据传输速率低，另一方面对于低频震动信号易受电磁波的干扰大。采用铠装光纤进行数据传输不但传输速度快，并且允许连续记录高频事件，提高了对微小微地震事件的探测能力同时 对微地震事件的定位更加准确，监测到的裂缝形态数据最为可靠。 图3 多级检波器系统在邻井的两种放置方式 另外，由于检波器非常灵敏，井筒中的油气流动会很大程度的影响监测微地震事件的 信噪比，如果监测井为已经射孔的生产井，需要在射孔段以上20米的位置下入桥塞，检
高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究_张小东
第４２卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１３年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１３高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究 张小东１，２，张 鹏１，刘 浩１，苗书雷１ （１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 ４５４００３； ２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 １０００８３） 摘要：为了研究煤层气井水力压裂后的裂缝扩展规律，以沁水盆地南部煤层气井为例，基于区内煤储层的物性特征和水力压裂工程实践，根据水力压裂原理，采用数值分析的方法，探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，构建了高煤级煤储层水力压裂的裂缝扩展模型，并进行了验证．研究结果表明：区内煤层气井压裂后形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．区内常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７．０ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．模型计算结果与实测值、生产实践较为吻合． 关键词：高煤级煤；水力压裂；滤失系数；裂缝扩展模型 中图分类号：Ｐ ６１８．１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１３）０４－０５７３－０７ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ１，ＬＩＵ Ｈａｏ１，ＭＩＡＯ Ｓｈｕ－ｌｅｉ １ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔｏｏｋ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ｏｆ Ｑｉｎｓｈｕｉ ｂａｓｉｎ ａｓ ａ ｃａｓｅ ｉｎ ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄ ｐｒｏ－ｐｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｄｕｒ－ｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｎｅｓ；ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎ－ｆｏｒｍ ｔｏ ＫＧＤ ｍｏｄｅｌ；ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ ｖａｒｙ ｆｒｏｍ ４７．８ｍ ｔｏ １７７．０ｍ，ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ９０．６ｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｗｉｄｔｈｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ０．０１３ｍｔｏ０．０４９ｍ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ０．０２８ｍ．Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎ－ 收稿日期：２０１２－０８－２１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２１１３）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目（ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１） 通信作者：张小东（１９７１－），男，河南省温县人，副教授，工学博士，从事煤地球化学、煤层气地质与工程方面的研究． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ＿ｗｅｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ Ｔｅｌ：０３９１－３９８７９０１
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)
收稿日期：20131204；改回日期：20140519 基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层低频脉冲水力压裂增渗机理研究”（51304258）；“863计划”页岩气勘探开发新技术“页岩气压裂裂缝微地震监测技术研究” （2013AA064503）作者简介：潘林华（1982－）， 男，工程师，2006年毕业于中国石油大学（北京）土木工程专业，2013年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。 DOI ：10.3969/j.issn.1006－6535.2014.04.001 页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展 潘林华 1，2，3 ，程礼军1，2，3，陆朝晖1，2，3 ，岳 锋 1，2，3 （1.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室重庆地质矿产研究院，重庆400042；2.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心 重庆地质矿产研究院，重庆400042； 3.油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心，重庆400042） 摘要：页岩储层低孔低渗，水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施，压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析，得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法，但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程；②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟方法，但各种方法都有其优缺点和适用性，需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展；③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成，天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大，复杂裂缝网络形成难度越大；天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小，越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词：页岩气；水平井；水力压裂；压裂技术；裂缝扩展；室内实验；数值模拟中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1006－6535（2014）04－0001－06 引言 页岩储层孔隙度、 渗透率极低，给页岩气的经济高效开发带来了极大的困难和挑战，长水平井段钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的关键和核心技术 ［1－2］ ，能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积，最终达到提高产量和采收率的目的。页岩储层脆性大，天然裂缝和水平层理发育，压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏 ［3］ ， 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝，可能形成复杂的网状裂缝，给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟方法的现状，分析了各种页岩水力压裂技术及压裂裂缝模拟方法的优缺点，对后续页岩储层水平井水 力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。 1页岩储层水力压裂技术 页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。1.1 页岩储层水平井多级压裂技术 水平井多级压裂技术是页岩储层开发的关键技术，长水平井段、多级水力压裂使页岩储层能够形成多条压裂裂缝，可以增大页岩储层与井筒的渗流通道［4］ 。目前常见的页岩水平井压裂主要有4 种。 （1）水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 ［5－6］ 。该技术是国内外常用的页岩储层水力压
水力压裂技术
水力压裂水力压裂：： 一项一项经久不衰的技术经久不衰的技术经久不衰的技术 自从Stanolind 石油公司于1949年首次采用水力压裂技术以来，到今天全球范围内的压裂施工作业量将近有250万次。目前大约百分之六十新钻的井都要经过压裂改造。压裂增产改造不但增加油井产量，而且由于这项技术使得以前没有经济开采价值的储量被开采了出来（仅美国自1949年以来就约有90亿桶的石油和超过700万亿立方英尺的天然气因压裂改造而额外被开采出来）。另外，通过促进生产，油气储量的静现值也提高了。 压裂技术可以追溯到十八世纪六十年代，当时在美国的宾夕法尼亚州、纽约、肯塔基州和西弗吉尼亚州，人们使用液态的硝化甘油压浅层的、坚硬地层的油井。目的是使含油的地层破裂，增加初始产量和最终的采收率。虽然使用具有爆炸性的硝化甘油进行压裂是危险并且很多时候是违法的，但操作后效果显著。因此这种操作原理很快就被应用到了注水井和气井。 在十九世纪三十年代，人们开始尝试向地层注入非爆炸性的流体（酸）用以压裂改造。在酸化井的过程中，出现了一种“压力从逢中分离出来”现象。这是由于酸的蚀刻会在地层生成不能完全闭合的裂缝，进而形成一条从地层到井的流动通道，从而大大提高了产量。这种“压力从逢中分离出来”的现象不但在酸化的施工现场，在注水和注水泥固井的作业中也有发生。 但人们就酸化、注水和注水泥固井的作业中形成地层破裂这一问题一直没有很好的理解，直到Farris 石油公司（后来的Amoco 石油）针对观察井产量与改造压力关系进行了深入的研究。通过此次研究，Farris 石油萌生出了通过水力压裂地层从而实现油气井增产的设想。 第一次实验性的水力压裂改造作 业由Stanolind 石油于1947年在 堪萨斯州的Hugoton 气田完成（图 1）。首先注入注入1000加仑的粘 稠的环烷酸和凝稠的汽油，随后是 破胶剂，用以改造地下2400英尺 的石灰岩产气层。虽然当时那口作 业井的产量并没有因此得到较大 的改善，但这仅仅是个开始。在 1948年 Stanolind 石油公司的 J.B.Clark 发表了一篇文章向石油 工业界介绍了水力压裂的施工改造过程。1949年哈里伯顿固井公司（Howco）申请了水力压裂施工的专利权。 哈里伯顿固井公司最初的两次水力压裂施工作业于1949年3月17日，一次在奥克拉荷马州的史蒂芬郡，总花费900美元；另一次在位于得克萨斯州的射手郡，总花费1000美元，使用的是租来的原油或原油与汽油的混合油与100到150磅的砂子（图2）。在第一年中，332口井被压裂改造成功，平均增加了75%的产量。压裂施工被大量应用，也始料未及地加强了美国的石油供应。十九世纪五十年代中期，压裂施工达到了每月3000口井的作业量。第一个过五十万英镑的压裂施工作业是由美国的Pan 石油公司（后来的Amoco 石油，现在的BP 石油）于1968年10月在奥克拉荷马州的史蒂芬郡完成的。在2008年世界范围内单级花费在1万到6百万美元之间的压裂作业超过了5万级。目前，一般的单井压裂级数为8到40
煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析_郝艳丽
文章编号:1001-1986(2001)03-0020-03 煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析 郝艳丽,王河清,李玉魁 (中原石油勘探局井下特种作业处,河南濮阳 457061) 摘要:根据煤层气试验井的施工资料,分析了煤层压裂施工压力的特点以及井深、R o 与破压梯度的关系,并根据裂缝监测(测井温法、大地电位法和微地震法)测量的裂缝方位和缝高,对煤层压裂形成的裂缝特点进行了分类和总结,提出了指导性的建议。关 键 词:煤层气;压裂;施工压力;裂缝中图分类号:P 618.11 文献标识码:A 1 引言 煤层气是指形成于煤化作用过程中,目前仍储集在煤层中的优质天然气。它的开发是一个排水降压的过程,由于煤层的低渗透特点,决定了需要进行水力压裂激化才能有效地分配井孔附近的压降,加速脱水增加产能。本文针对煤层压裂的复杂性,从压裂施工压力与裂缝形态方面,对煤层压裂裂缝的扩展进行了分析和总结,希望能给以后的煤层气开发提供有益的帮助。2 煤层压裂施工压力分析 压裂主要是通过高压注入流体,破裂地层,从而在地层中形成高导流能力的裂缝。施工过程中流体在岩石中流动产生的压力变化在一定程度上反映了裂缝延伸的复杂现象,煤层压裂施工分析主要是针对压裂施工压力进行分析。2.1 煤层破裂压力分析 煤层的特殊性决定了其不同于常规储层的压裂特点。国外曾把煤层压裂的非常规性总结成4个方面:①异常高的压裂压力;②裂隙限制于煤层,即使裂隙中的压力远高于围岩带的原位应力;③伴随着孔底压力增加的支撑剂注入;④初始液体注入过程中闭合压力的显著增加。为此我们首先分析了试验区的破裂压力梯度情况,做出了井深、R o 与井底破压梯度的散点图。(图1,2)由图1中看出试验井的煤层破压梯度在0.017～0.064M Pa /m 之间,一般都为0.023～0.045M Pa /m 。而且根据我们收集的资料 表明,同一煤层测试压裂与加砂压裂的破压梯度存 在着大约0.002～0.007M Pa /m 的差别,也就是说煤层的高滤失特点会造成大约0.002～0.007M Pa /m 的压降,损失在流体注入煤层引起孔隙压力增高而产生的孔隙弹性效应上,也有一部分加砂压裂破压梯度小于测试压裂的破压梯度的情况,这与压裂流体对煤层的冲刷有关。另外,从煤层镜质体反射率与破压梯度的散点图上(图2)看出,煤层破压梯度有随镜质体反射率增大而增大的趋势,即变质程度高的煤层,其煤层不易破裂。而且从变化趋势看,R o 几乎与破压梯度呈线性相关关系,这是否是普遍规律,有待于进一步进行理论和实验数据的分析 。 图1 井深与破压梯度的散点图 图2 R o 与破压梯度的散点图 收稿日期:2000-05-15 作者简介:郝艳丽(1968—),女,河南清丰县人,中原石油勘探局井下特种作业处工程师,从事煤层气研究工作. · 20·煤田地质与勘探 CO A L G EO L O GY &EX PLO RA T ION V ol.29N o.3Jun.2001
基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用
基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用 摘要：为了能够准确地描述裂缝扩展规律，本文通过能量分布状态规律，探讨了在裂缝扩展过程中能量的变化规律，在对裂缝扩展的建立方面给出了新的思路，并由此对裂缝扩展驱动力给出了相对应的表达式。提出了有关裂缝扩展驱动力的裂缝扩展准则，建立了关于裂缝扩展速率计算模型。实例计算结果表明，该模型计算结果与实际吻合较好。 abstract： in order to accurately describe the law of fracture propagation， the article， from the energy distribution， presents a new idea about establishing the criterion of crack propagation， explores the regulation of energy changes in the fracture propagation process and then obtains the relevant expression of driving force of fracture propagation. at the same time， the criterion of crack propagation with the expression of driving force of fracture propagation is put forward， and the calculation model of crack propagation rates is built. the calculating result is accurate and agrees well with practical ones. 关键词：水力压裂；裂缝扩展；能量守恒 key words： hydraulic fracturing；crack propagation；conservation of energy 中图分类号：te371 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）
定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用_徐幼平
第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报 China Safety Science Journal Vol．21No．7 Jul．2011 定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用* 徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116 2中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116） 学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A 基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）； 国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。 【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己 15 －31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。 【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射 Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension in Directional Hydraulic Fracturing and Its Application XU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China） Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac- turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F 15 -31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value． Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase； RFPA2D-Flow software；acoustic emission *文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－20
水力压裂综述
文献综述 前言 水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。 为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。 这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。 水力压裂技术的发展过程 水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段: 60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验。 60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主。已达成解堵和增产的目的。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术。 70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合
水力压裂设计的新模型和新方法
水力压裂设计的新模型和新方法 翁定为1,2 付海峰1,2 梁宏波1,2 1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂酸化中心 2.国家能源致密油气研发中心储层改造部 翁定为等. 水力压裂设计的新模型和新方法.天然气工业，2016,36(3):49-54. 摘 要 压裂设计是水力压裂技术的核心，由于非常规储层的特殊性，使得压裂设计面临一系列的挑战。为此，梳理了国内外压裂设计各环节的新模型和新方法，并分析了其发展方向。压裂设计的新模型和方法主要分布在储层描述、水力裂缝刻画、水力裂缝优化以及水力裂缝模拟等4个方面，其中储层描述主要是在创新参数获取基础上建立新的地质力学模型；水力裂缝刻画主要体现在开发新方法，并结合物理模拟实验认识，提高现有监测手段的准确性；水力裂缝优化方面主要进展是挖掘储层与流体的相互作用，并通过规律性描述，形成新型的油气藏数值模拟软件；水力裂缝模拟主要通过方法创新，研发新型的适用于水平井分段多簇压裂的裂缝数值模拟器。因此，建议国内同行在坚持工具、设备等硬件投入的基础上，加强基础研究，力争在各种评价模型和软件方面取得突破，从而提高压裂设计的科学性，进而实现非常规油气藏的高效经济开发。 关键词 水力压裂压裂设计储层描述裂缝刻画水力裂缝优化裂缝模拟数学模型国内外 DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.007 New models and methods for hydraulic fracturing design Weng Dingwei1,2, Fu Haifeng1,2, Liang Hongbo1,2 (1. Fracturing and Acidizing Center, Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. Stimulation Department of National Energy Tight Oil and Gas R&D Center, Beijing 100083, China) NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.49-54, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese) Abstract: Fracturing design is the core of hydraulic fracturing technologies. The particularity of unconventional reservoirs brings about challenges to the fracturing design. In this paper, the development direction of fracturing design was analyzed after new models and methods for fracturing design all over the world were investigated. These new models and methods mainly involve reservoir description, and fracture depiction, optimization and simulation. Reservoir description mainly involves a new geomechanical model built based on the acquisition of innovation parameters. Fracture depiction focuses on new method development to increase the accuracy of the existing monitoring means based on physical simulation experimental results. Progress in fracture optimization focuses on the interaction between reservoirs and fluids and the development of new numerical reservoir simulation models on the basis of law description. Hydraulic frac-ture stimulation involves the research and development of new numerical fracture simulators suitable for multi-stages and multi-clusters fracturing in horizontal wells by means of innovative methods. It is strongly recommended to strengthen basic research and try to realize breakthroughs in terms of various evaluation models and software so as to improve the quality of fracturing design and develop uncon-ventional resources efficiently and economically in China while the investment on tools and equipments are guaranteed. Keywords: Hydraulic fracturing; Fracturing design; Reservoir description; Fracture depiction; Hydraulic fracture optimization; Fracture simulation; Mathematical model; Domestic and overseas 基金项目：国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号:2011ZX05013-003）。 作者简介：翁定为，1981年生，高级工程师，博士；从事压裂工艺方面的研究工作。地址:（065007）河北省廊坊市44号信箱。电话: （010）69213147。ORCID:0000-0003-3482-449X。E-mail:wendw69@https://www.360docs.net/doc/2b13307078.html,
水平井压裂裂缝起裂与扩展
水平井压裂裂缝起裂与扩展 引言： 通过国内外研究人员实践表明：由于水平井具有单井产量高、穿透度大、泄油面积大、油气储量利用率高及能避开障碍与环境复杂的区域等特点。对于低渗透油藏、薄差储层油藏、储量较小的边际油藏以及稠油油气藏等，水平井压裂是这类油藏最佳的开采方式。最近一段时期，随着学者们的不断研究以及钻井完井等工艺技术水平的提高，水平井开发技术成为人们开发低渗透油田的研究重点并被广泛应用。 水平井与垂直井、普通定向井的裂缝起裂机理都有明显区别。水平井自身存在复杂性与特殊性，钻遇地层环境比较复杂，水力裂缝在发生破裂时所需的起裂压力比垂直井的破裂压力高得多，通常会发生裂缝不张开，导致压裂失败。深入研究水平井裂缝起裂机理，找出合理的起裂规律是水平井压裂施工成功前提保障。 第1章水平井井壁上的应力状态 水力压裂时裂缝的形成主要是决定于井壁的应力状态。一般认为：当井壁上出现有一个超过岩石抗拉强度的拉伸应力时，井壁便开始破裂。 1.1 由于地应力所产生的井壁应力 地应力是由地壳岩层的重力场或即上覆地层压力及地质构造应力场所组成的。一般可认为, 地应力中的一个主应力是垂直于地壳表面的,其余两个主应力则是水平的。如果只考虑上覆地层载荷引起的重力作用(即不存在地质构造运动力)，且认为地下岩石处于纯弹性状态,可将初始的地应力分解为垂道方向的正主应力σz和两个相等的水平方向的正主应力σx入和σy。 式中 h-底层的埋藏深度； ρ-上覆岩层的平均容重，其理论值可取。00231kg/cm3; μ-岩石的泊松比。
在有些构造运动活跃的地区会出现异常大的侧应力(水平应力) , 井且在通常的情况下三个原地主应力是不相等的。设取压应力的符号为正, 拉应力为负, 三个主应力分别表示为σ1,σ2和σ3 (σ1>σ2>σ3>0) , 根据地质构造形成时的受力特点, 正断层、逆断层和平推断层发育的区域里, 三个主应力的方向是不相同的(图1)。 图1 不同断层发育地区的顶应力分布情况 休伯特考虑到多数岩石的内摩擦角都接近于30°这个事实, 认为在正断层发育地区, 最大主应力σ1等于有效的上覆压力，最小水平主应力σ3最大的可能是等于1/3上覆压力;在逆断层发育的地区,最小主应力σ3等于有效的上覆压力, 而最大水平主应力σ1顶多会等于3倍的上覆压力; 而在平推断层活跃的区域里, 有效的上覆压力则为中一间主应力。 由于地壳中的岩层可视为弹性半无限体, 井壁上的应力状态可简化为平面向题来分析。如果两个水平方向的压缩地应力不相等(设为σ1>σ2> o )，可把井眼看成是在互相垂道的方向上分别作用有σ1和σ2两个压缩外应力的弹性平板中的一个小圆孔(图2 )，孔壁上的应力就相当于井壁上的水平应力。而井壁上的垂直应力分量仍可视为σz=ρh，为上覆岩层的压力。