2天然裂缝的开启压力确定
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天然裂缝性地层清水压裂模拟实验研究的开题报告1. 研究背景和意义天然裂缝性地层是典型的非均质多孔介质,其水文地质特性非常复杂,具有明显的渗透阻力和孔隙结构异质性。
在充分认识天然裂缝性地层的基础上,开展清水压裂技术研究和应用,有利于提高油气田勘探和开发效率,促进能源行业可持续发展。
因此,对天然裂缝性地层清水压裂进行模拟实验研究,对探究水力压裂机理、深入了解水力压裂作用及演化规律、提高水力压裂技术水平具有重要意义。
本研究旨在针对天然裂缝性地层开展清水压裂模拟实验,揭示其水力压裂机理和压裂过程,探寻一种高效具有实际应用价值的水力压裂方法。
2. 研究内容和方向本研究主要致力于对天然裂缝性地层进行清水压裂模拟实验研究,并分别从实验前的样品采集、实验设计、实验参数确定、实验设备选择与搭建、实验结果分析等方面开展深入研究。
具体研究内容包括:(1)选取典型的天然裂缝性地层岩石样品进行采集、测试和分析,研究其基本物理性质及水文地质特征。
(2)结合储层分析和地质勘探资料,设计科学合理的清水压裂实验方案,确定实验参数。
(3)选择适合的实验设备,规划实验进程,建立水力压裂实验平台。
(4)进行实验试验,收集实验数据,并对实验结果进行综合分析和评价,揭示天然裂缝性地层的水力压裂机理和压裂过程。
(5)对实验结果进行模拟和预测,探索一种高效具有实际应用价值的水力压裂方法。
3. 研究方法和技术路线本研究采用实验研究为主要手段,结合计算机模拟方法,全面细致地研究天然裂缝性地层的水力压裂机理和过程。
具体的技术路线分为以下几个步骤:(1)样品采集与分析:选取典型的天然裂缝性地层岩石样品进行采集、测试和分析,研究其基本物理性质及水文地质特征。
(2)实验设计和参数确定:在充分了解天然裂缝性地层的特点和场地环境的基础上,结合储层分析和地质勘探资料,设计科学合理的清水压裂实验方案,并确定实验参数。
(3)建立实验平台:选择适合的实验设备,规划实验进程,建立水力压裂实验平台。
人工压裂裂缝的检测人工压裂直接关系到压裂效果。
压后产量及其稳产效果等都决定于人工裂缝的几何尺寸和裂缝方位,而裂缝方位有直接关系到井区的井网布置和开发政策。
压裂后对所产生裂缝的几何形态的检测是压裂施工的一项重要工作。
对目前国内外广泛采用几种不同的检测方法来综合分析。
裂缝高度的检测目前对水力压裂裂缝高度的检测技术中,效果比较好的有油井温度测量法和放射性同位素示踪法。
油井温度测量法是在压裂前先测出地层基准温度剖面,然后在压裂时将冷或热的压裂液压入裂缝中,在压裂结束后测的井温曲线在裂缝段会发生温度异常,根据井温曲线上的温度异常范围来确定裂缝的高度。
放射形同位素示踪法又分为两种方法,一是在支撑剂中加入示踪剂,压裂结束后用伽玛射线测井法测量裂缝中的放射形示踪剂确定裂缝的高度。
二是在施工的最后,在压裂液中加入示踪剂,再进行伽玛射线测井。
裂缝方位和几何尺寸的检测目前检测裂缝的方位和几何尺寸的主要方法是在裸眼井中用下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测,通过传送系统在地面进行实时显示,根据图象观察和分析裂缝的方位和几何形态。
地层人工裂缝监测方法有诸多,其中以微地震方法最为及时、直接、可靠。
当压裂井实施压裂形成人工裂缝时,沿裂缝面必然出现微震,微震震源的分布反映了人工裂缝的轮廓。
根据监测结果可以汇出裂缝的形态、方位、高度、产状,从而弄清油田地应力方向。
井温测井可用来评估水力裂缝高度,通常可根据压裂作业后很短时间进行的关井测井曲线上的高温异常或低温异常来确定。
挤入的压裂液一般比被压裂地层的的温度低,在压裂过程中,低温压裂液被挤入裂缝,而井周未被压裂的地层散热从而降温。
关井后,对应着未压开地层的井眼部位,通过非稳态的辐射热传导方式,温度逐渐转回至地热温度;在被压开地层段,主要以热传导方式升温。
由于辐射热交换比热传导交换的速度快,因此被压开地层的升温相对慢,所以在相应的井温曲线上呈现低温异常。
利用动态资料识别裂缝油藏注水后,注入水很容易沿裂缝窜进,使沿裂缝方向上的采油井见水快,油藏含水上升快,可能在很短的时间内就进入高含水阶段,而位于裂缝两侧的油井见效慢,压力恢复慢。
体积压裂1体积压裂体积压裂是指在水力压裂过程中,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络,从而增加改造体积,提高初始产量和最终采收率。
1.1体积压裂机理体积压裂的作用机理:通过水力压裂对储层实施改造,在形成一条或者多条主裂缝的同时,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,实现对天然裂缝、岩石层理的沟通,以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝,并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝,以此类推,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。
从而将可以进行渗流的有效储层打碎,实现长、宽、高三维方向的全面改造,增大渗流面积及导流能力,提高初始产量和最终采收率。
1.2体积压裂的地层条件1)天然裂缝发育,且天然裂缝方位与最小主地应力方位一致。
在此情况下,压裂裂缝方位与天然裂缝方位垂直,容易形成相互交错的网络裂缝。
天然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%。
同样,有模型研究复杂天然裂缝与人工裂缝的关系,以及天然裂缝开启的应力变化等,建立了天然裂缝发育与扩展模型,研究表明,在体积改造中,天然裂缝系统会更容易先于基岩开启,原生和次生裂缝的存在能够增加复杂裂缝的可能性,从而极大地增大改造体积。
2)岩石硅质含量高(大于35%),脆性系数高。
岩石硅质(石英和长石)含量高,使得岩石在压裂过程中产生剪切破坏,不是形成单一裂缝,而是有利于形成复杂的网状缝,从而大幅度提高了裂缝体积。
3)敏感性不强,适合大型滑溜水压裂。
弱水敏地层,有利于提高压裂液用液规模,同时使用滑溜水压裂,滑溜水黏度低,可以进入天然裂缝中,迫使天然裂缝扩展到更大范围,大大扩大改造体积。
2太沙基有效应力原理太沙基(K. Terzaghi)早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念,阐明了粒材料与连续固体材料在应力--应变关系上的重大区别,从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。
σσ+μ=’式中σ为平面上法向总应力, kPa; σ′为平面上有效法向应力, kPa; μ为孔隙水压力, kPa。
小型压裂测试: 采用小体积,且与正式压裂相同的压裂液进行不加砂压裂试验。其目的是通过小型压裂测试来确定流体滤失特性、压裂液的有效利用率及裂缝形成和延伸扩展压力的特性及摩阻大小。根据测试求得的能够及时调整压加压裂前置液用量和排量,施工规模应根据小型压裂结果进行调整。 小型压裂测试的基础是测定瞬时停泵压力和压后压力恢复数据。采用正式加砂压裂相同的压裂液,一般用量20m3左右。在正常情况下,为了地层不受液体滤失而增加空隙压力的影响,较准确地测定局部地应力,应注入少量液体地层破裂后瞬时停泵一次。其测试步骤如下: 1.液量20m3,然后停泵5分钟。采用变排量由低逐渐增高注入,分析不同阶段、不同排量的压力变化。判断孔眼摩阻是否过高而需重新射孔。当排量达到正式压裂所设计规模时,分析泵压变化。若井筒及裂缝摩阻过高,使得泵压超过油管或压裂设备要求,则根据现场实际情况调整注入规模。 2.重新起车,以调整后的压裂规模注入10m3左右同性质的压裂液。此过程能够通过裂缝延伸扩展时的压力变化规律,分析判断隔层的遮挡强度或裂缝内液体滤失情况以及天然裂缝发育的程度等储层的地质影响因素。 3.关井后测试压力60分钟左右,以录取压降数据。通过压力恢复阶段的分析及拟合计算,可以得到裂缝的闭合时间、闭合压力以及压裂液的综合滤失系数及压裂效率,判断地层的渗透性质。 利用压降数据进行拟合计算获得压裂液综合滤失系数,是一个需要花费大量的时间,而在压裂施工现场时间是宝贵的。在不允许长时间进行压力拟合计算时,可通过两种现场简单公式计算获得,即通过上述的两次瞬时关井压力及时间求得压裂液的综合滤失系数和压裂液滤失效率。 公式: VLP:泵注期间的滤失体积
2.通过压降过程中压力与时间的曲线的变化,判断出裂缝的闭合时间。由裂缝的闭合时间与注入时间的无因次时间关系曲线,查找出压裂液的有效利用率。通过压裂液利用效率与滤失系数的间接关系公式,求得C。
即:VC=ef×Q×t
(一)裂缝的基本参数对于一个裂缝组系来说,裂缝的基本参数是指裂缝的宽度、大小、产状、间距、密度、充填性质等。
这些参数可在野外露头和岩心上直接测量,也可以利用测井资料间接求取。
1. 裂缝宽度(张开度)裂缝宽度,也叫张开度(或叫开度),是指裂缝壁之间的距离。
这个参数是定量描述裂缝的重要参数,它与裂缝孔隙度和渗透率,特别是渗透率的关系很大。
裂缝宽度可以在露头表面、岩心及铸体薄片上直接测得,也可以通过测井间接求取。
斯伦贝谢公司A. M. Sibbitt et al. (1985)仅对最简单的一条裂缝(水平或垂直)用二维有限元法进行了数值计算,得出双侧向测井解释方法。
他们没有考虑不同角度、多组裂缝的情况,得到了计算一条裂缝宽度的公式。
垂直裂缝:油气田开发地质学水平裂缝:油气田开发地质学式中:b——裂缝宽度,mm;C LLD,C LLS——深、浅双侧向电导率,S/m;C m ——泥浆电导率,S/m;C b——基质电导率,S/m。
周文(1998)提出了垂直(近垂直)裂缝的双侧向测井计算公式:油气田开发地质学式中:b——裂缝宽度,μm;g d,g s——深、浅双侧向几何因子;α——裂缝平均倾角,(°);D d,D s——深、浅双侧向电极探测深度(根据测量仪系列选定),m;r——井筒半径,m;H——侧向测井聚集电流层厚度,m;R LLD,R LLS——深、浅双侧向电阻率,Ω·m;R m——泥浆电阻率,Ω·m。
2. 裂缝的间距裂缝间距是指两条裂缝之间的距离。
对于岩石中同一组系的裂缝,应对其间距进行测量。
所谓同一组系裂缝,是指那些具有成因联系、产状相近的多条裂缝的组合。
裂缝间距变化较大,由几毫米可变化到几十米。
裂缝间距小于井径时,要在岩心上进行观测,并统计裂缝的间距。
观测过程中要注意不同岩性中裂缝间距的变化和裂缝间距的级别。
裂缝间距大于井径时,在岩心上是无法直接观测裂缝间距的,因而至今尚无一种较好的估算裂缝间距的方法。
压裂裂缝扩展行为与产能模拟研究随着石油和天然气的需求不断增加,减少开采成本和提高产量的重要性越来越大。
其中一种被广泛使用的技术是压裂技术。
压裂可以创造裂缝并扩大裂缝,以增加油气的渗透性。
这项技术已经被广泛使用,并已取得了很多成功。
但是,人们对于压裂行为和扩展裂缝的机理仍不十分清楚。
压裂技术原理压裂技术是在井孔内通过高压水泥浆或压缩空气的力量将井内岩石破碎形成孔隙。
压裂通常被用来提高天然气和石油的产量,提高渗透率和流量。
这种技术对于产水井和工程注水孔也有很多应用。
压裂强度很高,需要使用高压水泥浆或压缩空气才能实现。
压裂的方法主要分为两种:水力压裂和气体压裂。
水力压裂是使用高压水泥浆注入井内,形成裂缝等孔隙。
气体压裂是将空气注入井管,使用高压气体将岩石破碎。
压裂行为与裂缝扩展机理压裂过程中的裂缝扩展行为和裂缝网络形成机理一直是压裂技术研究中的重要问题之一。
在这个过程中,裂缝在岩石中扩散和变形。
根据实验和模拟研究,裂缝的扩展主要受到以下因素的影响:1. 岩石结构:岩石的类型和强度对扩展裂缝的影响很大。
比如,岩石的高孔隙率、低强度和易变形性将有助于更快、更深地形成裂缝。
2. 压力:压力是导致裂缝扩展的第二个主要因素。
如果壳体表现出类似于抗压的特性,则裂缝会受到较小的影响,反之则会被快速地扩展和扩大。
3. 液体可运动性:液体可运动性对裂缝的形成和扩展有着巨大的影响,特别是在极端深度和高压下。
液态物质的运动方式会影响裂缝的扩展速度和方向。
4. 数值模拟:数值模拟对于裂缝扩展的研究则是压裂技术研究中的重要环节之一。
这种技术可以通过关键量的统一计算和预测来减少实验和装置的成本,同时可以获得大量重要的数据。
压裂技术的产能模拟研究近年来,随着能源需求的不断增加,压裂技术得到了广泛的应用。
可以通过一系列的生产分析和模拟来评估压裂技术的效果、为后续开采和升级提供数据支持。
压裂技术产能模拟通过计算和预测生产数据和高水平信息,可以帮助人们确定压裂井的介质和储量单位对采油策略和管理的在场应用。
目录硕士学位论文独创性声明 (I)硕士学位论文版权使用授权书 (I)摘要 .................................................................................................................. I I ABSTRACT . (III)第1章绪论 (1)1.1研究目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 净压力计算 (2)1.2.2 水力裂缝与天然裂缝相互作用 (4)1.2.3 压力曲线分析与压裂诊断 (5)1.3 存在的问题及主要研究内容 (6)第2章常规水力压裂压力分析 (7)2.1 裂缝几何模型 (7)2.1.1 Sneddon缝宽模型 (7)2.1.2 Radial模型 (7)2.1.3 PKN模型 (8)2.1.4 KGD模型 (9)2.2 2D裂缝模型压力分析与诊断 (10)2.2.1 施工参数与压力变化关系 (10)2.2.2 不同模型井底净压力变化曲线 (11)2.3 本章小结 (12)第3章水平井净压力计算模型 (13)3.1 静液柱压力计算 (13)3.1.1 HTHP下滑溜水密度变化 (14)3.1.2 HTHP下滑溜水粘度变化 (14)3.1.3 段塞式加砂的液柱压力 (15)3.1.4 案例分析 (16)3.2 滑溜水压裂液摩阻计算 (16)3.2.1 修正降阻比法 (16)3.2.2 案例分析 (17)3.3 近井筒摩阻 (18)3.3.1 孔眼摩阻 (18)3.3.2 等效弯曲度摩阻 (19)3.4 携砂液摩阻 (22)3.4.1 垂直段携砂液摩阻 (23)3.4.2水平井段携砂液摩阻 (24)3.4.3混和加砂模式下的摩阻计算 (33)3.5 闭合应力确定 (34)3.6 本章小结 (37)第4章裂缝分支引起的压力波动 (38)4.1水力裂缝与天然裂缝相互作用机理 (38)4.1.1 岩石破裂准则 (38)4.1.2 水力裂缝与天然裂缝相交准则 (39)4.2 HF与NF相互作用引起的流体压力变化 (46)4.2.1 HF受限于NF (47)4.2.2 T型缝 (48)4.2.3 HF穿过NF (50)4.2.4 HF沿NF转向扩展 (51)4.3 本章小结 (52)第5章净压力波动特征分析初探 (53)5.1 双翼裂缝压力分析图版 (53)5.2 室内水力压裂实验压力曲线特征 (54)5.3 现场施工净压力曲线特征 (60)5.3.1 前置液阶段 (60)5.3.2 加砂阶段 (61)5.4 净压力分析参数及图版 (65)5.4.1 敏感砂比系数 (65)5.4.2 净压力波动特征分析图版 (66)5.5本章小结 (68)第6章施工净压力分析的实际应用 (69)6.1垂直井井底压力计算与分析 (69)6.1.1 小型压裂分析 (70)6.1.2 主压裂分析 (72)6.1.3 改造效果诊断 (73)6.2 水平井井底压力计算与分析 (75)6.2.1 小型压裂分析 (76)6.2.2 主压裂分析 (77)6.2.3 改造效果诊断 (78)6.3 安全砂比计算 (80)6.4 本章小结 (81)第7章成果与认识 (82)参考文献 (83)附录A符号说明 (90)附录B部分核心程序 (92)致谢 (96)第1章绪论1.1研究目的和意义水力压裂是改造油气藏的有效技术,特别是针对致密油气、煤层气、页岩气等非常规储层,水力压裂技术是油气藏储层改造的关键。
体积压裂体积压裂是指在水力压裂过程中,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络,从而增加改造体积,提高初始产量和最终采收率。
1.1 体积压裂机理体积压裂的作用机理:通过水力压裂对储层实施改造,在形成一条或者多条主裂缝的同时,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,实现对天然裂缝、岩石层理的沟通,以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝,并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝,以此类推,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。
从而将可以进行渗流的有效储层打碎,实现长、宽、高三维方向的全面改造,增大渗流面积及导流能力,提高初始产量和最终采收率。
体积压裂的提出,是基于体积改造这一全新的现代理论而提出。
体积改造理念的出现,颠覆了经典压裂理论,是现代压裂理论发展的基础。
常规压裂技术是建立在以线弹性断裂力学为基础的经典理论下的技术。
该技术的最大特点就是假设压裂人工裂缝起裂为张开型,且沿井筒射孔层段形成双翼对称裂缝。
以1条主裂缝实现对储层渗流能力的改善,主裂缝的垂向上仍然是基质向裂缝的“长距离”渗流,最大的缺点是垂向主裂缝的渗流能力未得到改善,主流通道无法改善储层的整体渗流能力。
后期的研究中尽管研究了裂缝的非平面扩展,但也仅限于多裂缝、弯曲裂缝、T 型缝等复杂裂缝的分析与表征,但理论上未有突破。
而“体积改造”依据其定义,形成的是复杂的网状裂缝系统,裂缝的起裂与扩展不简单是裂缝的张性破坏,而且还存在剪切、滑移、错断等复杂的力学行为(图1)。
1.2 体积压裂的地层条件1)天然裂缝发育,且天然裂缝方位与最小主地应力方位一致。
在此情况下,压裂裂缝方位与天然裂缝方位垂直,容易形成相互交错的网络裂缝。
天然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%。
同样,有模型研究复杂天然裂缝与人工裂缝的关系,以及天然裂缝开启的应力变化等,建立了天然裂缝发育与扩展模型,研究表明,在体积改造中,天然裂缝系统会更容易先于基岩开启,原生和次生裂缝的存在能够增加复杂裂缝的可能性,从而极大地增大改造体积。
2天然裂缝的开启压力确定
储层裂隙岩体中存在着大量的孔隙或裂隙,这些缺陷不但大大地改变了岩体的力学性
质,也严重影响着岩体的渗透特性。在油田开发工程中,确定天然裂缝的开启压力是十分必
要的。水力裂缝的扩展准则目前研究的比较多,而对天然裂缝扩展研究较少。目前应用较多
的有如下几种判断天然裂缝开启压力的方法:
1).基于岩石力学理论,以天然裂缝面为研究对象,在考虑孔隙压力作用下建立力的平
衡方程得到的裂缝的张开压力。设最大主应力与天然裂缝面法线夹角为,则裂缝面与最
大主应力之间的夹角为2,作用在天然裂缝面上的正应力n为:
1313
cos222n
图1 共线多天然裂纹
天然裂缝张开压力[]:
fnfp
PSP
式中,fP为天然裂缝张开压力;fS为天然裂缝抗张拉强度;pP为油层孔隙压力。
2).在注水开发中裂缝开启顺序及能力决定于裂缝走向与最大主应力之间的夹角,最小
主应力越小,夹角越小,裂缝开启压力越小,反映注水压力越低。天然裂缝反之,天然裂缝
不易开启,注水压力越高。其裂缝开启压力公式如下:
maxminmin
()sinPHFFF
式中:P为裂缝开启压力;H为油层某一深度;为裂缝与最大水平应力夹角;
max
F
P
p
B1
y
x
β
σ
1
σ
3
σ
1
A1
C1
D1
σ
N
σ
S
σ
f
Bn
An
Cn
Dn
σ
3
为最大水平应力梯度;minF为最小水平应力梯度。
3).压降分析方法。
绘制以无因次时间函数G为横坐标、井底压力wP为纵坐标的压降曲线,/wdPdG持续
不变时,此时水力裂缝还处于闭合阶段,天然裂纹未开启。在/wGdPdG与G的关系图中,
当/wGdPdG为直线时,通常认为此时无因次时间G对应的压力为天然裂缝的闭合压力,
即近似认为为天然裂缝的开启压力。[]
诸如Griffith准则,Nolte方法等在。经实践证明,Nolte方法计算结果偏大;Griffith准
则在受拉断裂较准确,而压剪作用下的计算结果偏差较大;岩石力学计算方法相对比较精确,
但需要知道天然裂缝的角度,对于一般的矿场运用不是十分方便;压降分析方法结果大体准
确,运用十分方便,但是整个曲线的获得是在压裂后形成的,在压裂前无法做到预测,因此
工程应用具有一定的局限性。