页岩储层应力敏感性定量评价: 思路及应用

应力敏感性定量评价是页岩油气勘探开发中公认的关键工程难题之一, 然而变应力条件下页岩孔缝尺寸及渗透率下降规律等问题至今尚无定论, 亟待深入探索. 本文从Griffith经典弹性力学解出发, 在充分刻画非均质页岩孔隙和微裂缝的基础上, 通过建立横截面为椭圆的柱体管束模型, 推导得到应力作用下岩石渗透率保持水平的计算公式, 基于此给出适宜于非均质页岩油储层的应力敏感性评价思路及覆压渗透率计算公式, 最后在中国西部和中部典型页岩油储层中开展了工程应用. 研究显示: (1) 相同应力状态下, 页岩油储层应力敏感程度由储渗空间初始长短轴比值、杨氏模量及泊松比共同控制; (2) 裂缝型页岩由于发育长短轴比值较高, 其应力敏感程度略高于裂缝发育程度较低的基质型页岩, 且杨氏模量越小, 两类页岩应力敏感程度差异性越大; (3) 在40 MPa的有效应力作用下, 裂缝型和基质型页岩油储层渗透率损耗程度最高值分别不足10%和8%, 证明页岩应力敏感程度总体较低. 应力敏感性对于页岩油原位储量及实际产能的影响程度亟需在工程实际中予以重新审视. 研究成果将为页岩油储量的精确评估和采收率的高效提升提供新的理论与实践依据.      

裂缝性储集层内渗滤问题的精确解

一、前言 我国有着丰富的碳酸盐岩裂缝性油、气储集层,世界上也有一半以上的大油、气田是这类油、气田。经过长期的开发实践,特别是近二十年来大量的地质的和水动力学的研究、调查工作,发现碳酸盐岩储集层的大部分都是具有双重孔隙系统的复杂储集层。这种     

考虑诱导缝多段压裂水平井非均质改造压力动态模型研究

为了准确模拟致密油藏水平井大规模压裂形成复杂裂缝网络系统和非均质储层井底压力变化,建立考虑诱导缝矩形非均质储层多段压裂水平井不稳定渗流数学模型,耦合裂缝模型与储层模型得到有限导流裂缝拉普拉斯空间井底压力解,对两种非均质储层模型分别利用数值解、边界元和已有模型验证其准确性.基于压力导数曲线特征进行流动阶段划分和参数敏感性分析,得到以下结果:和常规压裂水平井井底压力导数曲线相比较,理想模式下,考虑诱导缝影响时特有的流动阶段是综合线性流阶段、诱导缝向压裂裂缝“补充”阶段、储层线性流动阶段和拟边界控制流阶段.诱导缝条数的增加加剧了综合线性流阶段的持续时间,降低了流体渗流阻力,早期阶段压力曲线越低;当诱导缝与压裂裂缝导流能力一定时,裂缝导流能力越大,线性流持续时间越长;当所有压裂裂缝不在一个区域时,沿井筒方向两端区域低渗透率弱化了低渗区域诱导缝流体向压裂裂缝“补充”阶段,因此,沿井筒方向两端区域渗透率越低,早期阶段压力曲线越高;当所有压裂裂缝在一个区域时,渗透率变化只影响径向流阶段之后压力曲线形态,外区渗透率越低,早期径向流阶段之后压力曲线越高.通过实例验证,表明该模型和方法的实用性和准确性.     

水力压裂解析模型裂缝扩展参数敏感性分析

水力压裂形成复杂裂缝网络是致密储层油气开采的重要技术,掌握水压裂缝扩展机理是控制压裂行为和优化压裂效果的关键．水压裂缝动态扩展行为涉及储层岩体、注入压裂液、压裂实施工艺等方面,其中水力压裂扩展时间、压裂液流体动力粘度系数、压裂液流体注入流速、储层岩石剪切模量成为决定裂缝扩展长度和裂缝开度的重要因素．本研究采用KGD、PKN两类等高解析模型对主控因素的参数敏感性进行分析,直观、快速、可靠地获得水压裂缝扩展长度、张开度动态演化行为的量化数值．研究发现,压裂持续开展过程中水压裂缝扩展长度呈线性增长、开度逐渐趋于稳定,高流体动力粘度导致裂缝难扩展、形成较大裂缝开度,通过增加压裂液流体注入流速可同时增加裂缝扩展长度和开度,较高的岩石剪切模量将降低水压裂缝的开度．通过对比两类解析模型在不同参数下的水压裂缝扩展结果,分析压裂参数与裂缝扩展的相关性和敏感系数,讨论水力压裂解析模型的裂缝扩展参数敏感性．     

页岩气致密储层渗流模型及压裂直井产能分析

页岩气储层中存在大量的纳微米孔隙,其中气体的流动规律不同于常规气藏. 文章考虑克努森扩散及解吸作用的影响,建立页岩气稳态条件下产能公式,利用渗流阻力法得到了页岩气储层压裂直井产能方程.结合生产实例,进行了数值模拟计算. 结果表明：当裂缝导流能力达到0.12μm²·cm 后,产气量增幅减小,由此对裂缝导流能力进行优化. 游离气产量占总产气量的85%～90%,游离气对总产气量贡献较大. 该模型为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展

页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平外分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.     

多重介质渗流研究进展

从已发现的油气田来看,裂缝性油气田通常都是大油气田,其储量很大,单井产量每天数百吨到上万吨不等,经济价值极高。油、气、水在裂缝性孔隙介质中的流动特征与一般孔隙介质的特征有本质上的差异:各重介质问液量交换性,多重介质的非均质性以及各向异性等.因此,研究多重介质渗流有较大的理论和实际意义。      

油页岩原位注热开采储层有效热解区变化规律分析

针对油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区变化规律不清，实际热解效果无法准确判断难题，采用数值模拟方法，以抚顺油页岩储层为研究对象，建立了油页岩原位注热开采热流固耦合力学模型，与前人结果对比，验证了模型可靠性。重点考察水力压裂裂缝通道短路问题，分析得到了油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区、储层有效热解区中地应力、注汽压力及沉降量随注热时间变化规律。结果表明，过热蒸汽沿水力压裂裂缝流动不会出现裂缝通道短路现象，过热蒸汽可通过水力压裂裂缝加速油页岩储层热解；采用过热蒸汽对流加热油页岩储层效率高，只需1年能使96%的油页岩储层达到热解所需温度；油页岩储层有效热解区中部形成应力集中区，最大地应力为21.6 MPa;热解后靠近注热井处岩层发生沉降，热解2年后最大沉降量达0.85 m。所得结论对现场油页岩原位注热开采有参考意义。     

裂缝在非均匀岩层内扩展机理研究

薄差储层有效开发的关键问题是明确水力裂缝在砂/泥岩界面上的扩展特性. 为了分析裂缝在砂/泥岩界面上的扩展机理, 以ABAQUS 为平台, 利用扩展有限元框架下的分离裂缝模型模拟了裂缝在砂/泥岩界面上的扩展过程, 该模型提出预设虚节点法, 通过在位移的插值函数中引入附加增强项, 实现裂缝扩展独立于网格边界, 获得了裂缝通过砂/泥岩界面的扩展规律. 并采用白光散斑实验对低渗透储层砂/泥岩界面的裂缝扩展进行了实时跟踪, 裂缝扩展过程与数值模拟过程吻合较好, 说明扩展有限元法是定量分析裂缝扩展的有效手段, 同时分析了裂缝穿过界面扩展的影响因素.     

致密油藏动态裂缝扩展机理及应用

致密油藏采用注水吞吐补充地层能量取得了一定效果. 但多轮次注水吞吐后, 地层压力和产量降低快. 本文考虑了致密油藏复杂的裂缝形态, 根据艾尔文理论及弹性力学剖析I型裂缝尖端附近的应力场分布, 基于渗流力学、裂缝性致密油藏特征及动态裂缝渗流规律, 建立了多裂缝交叉裂缝扩展渗流模型, 结合注水诱导裂缝扩展机理及断裂力学能量守恒原理, 得到裂缝扩展长度. 依据致密油藏逆向渗吸原理, 提出将注水吞吐转为不稳定脉冲注水. 对比分析注水吞吐、脉冲注水2种能量补充发方式, 预测10年累计采油、压力及剩余油分布. 结果表明, 裂缝净内压随着注水量的增加而升高, 当应力场强度因子达到断裂韧度, 在裂缝尖端会发生扩展. 扩展及延伸的天然裂缝相互沟通, 呈现不规则复杂缝网, 在复杂缝网中主要发生逆向渗吸作用. 脉冲注水累计产油高、注水波及面积广、逆向渗吸作用强. 裂缝性致密油藏水平井注水吞吐转变为脉冲注水方式, 能够充分发挥动态缝网的逆向渗吸及线性驱替作用, 实现有效驱油的目的.      

裂缝气液重力置换的流动实验及仿真

通过可视化模拟实验对真实裂缝下气液重力置换现象进行了模拟,得到了其气液界面现象与常规平板裂缝的差异;通过对压力、置换量等数据的处理证实了气液重力置换的机理;根据实验的液体漏失流量数据提出了钻井过程中漏失、置换、溢流区间;最后根据k-ε双方程模型进行了气液重力置换流动的仿真计算,得到三维裂缝流道中都是钻井液下部侵入,呈现一个近似的直角三角形形状。本文对现场钻井工程方案设计及安全钻井具有指导意义。     

页岩储层体积压裂的地应力变化研究

页岩储层属于致密超低渗透储层,需改造形成复杂缝网才有经济产能.体积压裂是页岩储层增产改造的主要措施,而地应力场特别是水平主应力差值是体积压裂的关键控制因素. 理论研究表明:(1)当初始两向水平主应力差较小时,容易形成缝网,反之不易产生缝网;(2)人工裂缝的形成能够改变地层初始应力场. 因此应在前人研究的基础上优化设计压裂方式,以克服和翻转初始水平主应力差值,产生体积缝网.基于此,建立了页岩气藏水平井体积压裂数值模型,模型中采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩基质的行为,采用带有孔压的"cohesive"单元描述水力裂缝的性质,模型对"Texas Two-Step" 压裂方法进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中地层应力场的分布及其变化,模拟结果和解析公式计算结果吻合良好.模拟结果表明:(1)裂缝的产生减弱了地层应力场的各向异性;(2 对于低水平应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step"压裂方法可以产生缝网. 对于采用"Texas Two-Step"压裂方法无法产生缝网的高应力差页岩储层,提出了三次应力"共振" 和四次应力"共振" 压裂方法并进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中页岩储层应力场的分布及其变化,得到了缝网形成的区域,模拟结果表明:(1)对于高应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step" 压裂方法无法产生缝网;(2)对于高应力差页岩储层,三次应力"共振" 和四次应力"共振"压裂方法是有效的体积压裂缝网形成的方法.      

致密油储层毛细管力自发渗吸模型分析

部分致密油井压后关井一段时间,压裂液返排率普遍低于30%,但是致密油气井产量反而越高,这与压裂液毛细管力渗吸排驱原油有关。然而,致密油储层致密,物性差,渗流机理复杂,尚没有形成统一的自发渗吸模型。本文基于油水两相非活塞式渗流理论,建立了压后闷井期间压裂液在毛细管力作用下自发渗吸进入致密油储层的数学模型,采用数值差分方法进行求解,并分析了相关影响因素。结果显示渗吸体积、渗吸前缘移动距离与渗吸时间的平方根呈线性正相关关系,与经典Handy渗吸理论模型预测结果一致,说明毛细管力自发渗吸模型可靠性较高。数值计算结果表明毛细管水相扩散系数是致密储层自发渗吸速率的主控参数,毛细管水相扩散系数越高,自发渗吸速率越大。毛细管水相扩散系数随着含水饱和度先增加后减小;随着束缚水饱和度、油相和水相端点相对渗透率增加而增加;随着相渗特征指数、油水黏度比和残余油饱和度增加而减小。该研究有助于深入认识致密油储层压裂液渗吸机理,对优化返排制度、提高致密油井产量具有重要意义。     

基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

SPONTANEOUS CAPILLARY IMBIBITION MODEL IN TIGHT OIL RESERVOIRS 1)

部分致密油井压后关井一段时间，压裂液返排率普遍低于30%，但是致密油气井产量反而越高，这与压裂液毛细管力渗吸排驱原油有关。然而，致密油储层致密，物性差，渗流机理复杂，尚没有形成统一的自发渗吸模型。本文基于油水两相非活塞式渗流理论，建立了压后闷井期间压裂液在毛细管力作用下自发渗吸进入致密油储层的数学模型，采用数值差分方法进行求解，并分析了相关影响因素。结果显示渗吸体积、渗吸前缘移动距离与渗吸时间的平方根呈线性正相关关系，与经典Handy渗吸理论模型预测结果一致，说明毛细管力自发渗吸模型可靠性较高。数值计算结果表明毛细管水相扩散系数是致密储层自发渗吸速率的主控参数，毛细管水相扩散系数越高，自发渗吸速率越大。毛细管水相扩散系数随着含水饱和度先增加后减小；随着束缚水饱和度、油相和水相端点相对渗透率增加而增加；随着相渗特征指数、油水黏度比和残余油饱和度增加而减小。该研究有助于深入认识致密油储层压裂液渗吸机理，对优化返排制度、提高致密油井产量具有重要意义。     

裂缝性低渗透油藏流固耦合渗流分析

在低渗透油田的开发过程中，油藏流体渗流和储层岩土之间存在明显的耦合作用。本文首先研究给出了低渗裂缝性储层孔渗参数的等效方法，然后将渗流力学和岩土力学相结合，给出了低渗透裂缝性储层流固耦合渗流的数学模型，该模型不仅可以反映基质孔渗参数在开发中的变化，而且更能反映裂缝开度变化所引起的渗透率变化，而这对于低渗透裂缝性油田而言十分重要。最后对一实际井网进行了流固耦合油藏数值模拟，给出了开发过程中孔渗参数的变化及其耦合效应对油田开发的影响．     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

垂直上升管内油—气—水三相弹状流压力降的研究

给出一种垂直上升油－气－水三相弹状流压力降的计算模型。该模型考虑弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡周围下降液膜的变化历程。通过油－气－水弹状流的实验研究发现，该模型的数值模拟结果与低压工况下的实验值符合得较好。本模型是计算垂直油－气－水三相弹状流中液相的连续相为水相时的压力降的有效方法。