真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验_孔祥伟.pdf
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1、真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验孔祥伟严仁田张思琦袁庆鸿陈青许洪星长江大学石油工程学院中国石油西南油气田公司开发事业部中国石油西南油气田公司天然气研究院中国石油大港油田集团工程建设有限责任公司中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司摘要:目的 鄂尔多斯盆地长致密砂岩储层岩石致密、非均质性强,孔喉分选性及连通性较差。前期常规压裂工艺改造手段单一,裂缝欠发育的致密储层改造效果不佳。方法 根据量纲分析法(定理)优化了物理模拟实验相似准则设计思路,设计了等比例缩小的压裂裂缝起裂及延伸模拟系统。利用大尺寸真三轴模拟实验系统,系统开展了 致密砂岩露头岩样水力压裂模拟实验。利用三维扫描仪量
2、化评价压裂裂缝改造面积,结合岩体破裂时的实验泵压峰值,揭示裂缝起裂及延伸规律。结果 量化了天然裂缝及弱面、应力差、压裂液体类型和施工排量条件下压裂裂缝起裂压力及其改造面积,揭示了地质工程因素对压裂裂缝延伸行为的影响规律,明确了地质工程参数对压裂裂缝延伸及复杂缝网形成的影响程度。结论 天然裂缝及弱面发育、低应力差、低黏滑溜水和高排量是获得复杂裂缝形态的有利因素,为研究区块体积压裂工艺试验进行了实验佐证和理论依据。建议采用“大液量、大排量、扩大波及体积”为主的体积压裂思路及工艺技术,以获得复杂缝网的改造目标。关键词:致密砂岩油藏;真三轴;大物模;体积压裂;裂缝扩展 :引用格式:孔祥伟,严仁田,张思
3、琦,等真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验石油与天然气化工,():,():,.,;.,;.,;.,;.,:,(),:;石 油 与 天 然 气 化 工第 卷第期 基金项目:国家自然科学基金“超深裂缝地层溢流多相流动机理及气体侵入类型识别研究”();中石化科技部项目“川西中浅层致密砂岩气藏体积压裂关键技术”()作者简介:孔祥伟,年生,博士(后),副教授,年毕业于西南石油大学油气井工程专业,现从事油气井力学与工作液、储层改造等相关井筒力学的研究。:随着常规油气资源的减少,低渗透致密油气藏(致密砂岩、致密碳酸盐岩油气藏)逐渐成为勘探开发的重点,国内长庆、大庆等油田在致密油开发上均立足于体积压裂思
4、路进行改造,并获得了较好的改造效果,同时,四川盆地西南油气田侏罗系页岩油具有较大的勘探开发潜力,围绕此改造目标有序组织技术攻关 。鄂尔多斯盆地长致密砂岩油藏前期主要进行了常规压裂酸化工艺试验,压裂工艺单一、压裂裂缝形态简单而导致无法立体改造储层,改造效果不显著。同时,现场试验表明,前期常规压裂工艺不适用于裂缝欠发育的致密砂岩储层。对于特低渗透油藏,在开发过程中,仅靠单一的压裂主缝很难取得预期的增产效果。近年来,石油科技工作者将目光转向缝网压裂技术,通过利用新张开的裂缝和再次张开的次生裂缝来增大单井泄流体积,达到提高单井产量和动态控制储量的目的 。部分学者基于假设地层建立了不同完井方式下的三维裂
5、缝起裂数值模型,考虑了完井方式及簇间距、地应力及弱界面对压裂裂缝的影响规律 。国内研究起步相对较晚,温庆志、崔明月、蔡萌 等研究了页岩储层复杂缝网形成机理,开展了岩石力学参数测试实验,明确了岩石力学参数对裂缝扩展的影响,从而优化射孔方式及压裂设计参数。等 分析了含天然裂隙的 页岩露头立方体的裂缝扩展规律,研究了地质因素和工程因素对水力裂缝扩展的影响,提出“激活岩体面积”作为水力压裂效果的评价指标。等、林伯韬等、唐鹏飞 等分别通过混凝土相似模拟实验对预制天然裂缝的 、水泥立方体试件进行真三轴水力压裂实验,研究了天然裂缝发育、倾角及走向、不同应力差对压裂裂缝扩展的影响。对于压裂模拟实验的设计参数依
6、据未做充分说明,即室内物模实验参数的可靠性依赖于实验相似准则,从而真实还原现场压裂施工条件。由于室内实验装置及岩样尺寸受限,对于实验模拟完井方式、天然裂缝及层理弱面发育和地应力等因素对压裂裂缝延伸行为的影响规律还尚不完善,压裂模拟实验的设计参数有待进一步优化。本研究采用长区块砂岩露头及自制砂岩试样开展真三轴水力压裂物理模拟实验,从应力差、天然裂缝、液体类型和施工排量等地质工程因素方面探究了致密砂岩储层压裂裂缝延伸行为,明确了地质工程参数对压裂裂缝延伸的影响规律,证明长致密砂岩储层具备体积压裂形成复杂缝网的可行性,为研究区块体积压裂工艺试验提供了实验佐证和理论依据。储层岩石力学特征鄂尔多斯盆地南
7、部地区长储层中上部由一套粉、细砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩组成,中下部为黑色、灰黑色油页岩、碳质页岩。储层厚约 ,埋深 。长油层组孔隙度分布在 ,平 均 值 为 ,渗 透 率 主 要 分 布 在(),平 均 值 为 。长层岩石力学实验测试表明,储层具有高杨氏模量(平均 )、低泊松比()特征(见表)。通过计算长储层井深 的三向地应力梯度,得到最大水平主应力为 ,最小水平主应力为 ,垂向主应力为 ,见表和表。表长储层岩石力学参数测试结果序号温度弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角()纵波()横波()平均 表长储层三向地应力梯度 ()项目最大值 最小值 平均值 注:为最小水平主应力梯度,为垂向应力梯度,为最大
8、水平主应力梯度表长储层三向地应力数据 项目最大值 最小值 平均值 注:为垂向应力,为最大水平主应力,为最小水平主应力。孔祥伟 等真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验 实验相似准则方法由于目前井筒长径比较大,从而排除了几何相似准则;基于真三轴岩石模拟与现场一致,而室内井筒不等比例缩小,限制了运动相似及动力相似。利用量纲分析法(定理),满足原型和模型的雷诺数相等,即雷诺准则,保证了模型实验与原型基本相似。本设计的原则是:几何相似为前提条件,动力相似为辅,量纲分析法(定理)为主要分析方法。实验运用定理进行井筒内压裂液流动的量纲分析,表达式如式()所列。(,)()式中:为现场井筒内压降,;为现场
9、井深,;为现场套管内径,;为现场套管粗糙度,无因次;为现场压裂液密度,;为现场压裂液黏度,;为现场压裂液速度,。现场套管内径、现场压裂液密度、现场压裂液速度个物理量作为基本量,其余量关于这个基本量的无量纲参数,从而与室内真三轴大物模的模拟泵压、模拟井筒、模拟排量、模拟压裂液密度相似。设计理论:通过定理,设计真三轴大物模模拟系统压裂参数,充分关联井筒内压降、管长、管径、粗糙度、压裂液密度等参数,实现真三轴大物模等多种作业模拟功能。泵压模拟:设计了雷诺数及弗洛德数相似,并联立求解,实现压裂起裂与延伸控制过程按相似模拟。排量模拟:利用欧拉准则,通过调节泵排量、泵压,实现全尺寸排量对起裂与延伸相似模拟
10、,还原了现场作业工况。水力压裂真三轴大物模实验方法 实验系统真三轴水力压裂物理实验模拟系统主要包括:真三轴围压系统、水力压裂系统和微压裂信号采集系统实验机、声发射定位系统等(见图)。该装置可分别改变三轴压力来模拟岩石地应力环境,用于研究不同方向压力与裂缝扩展的关系。采用 伺服增压泵和油水分隔器向模拟井眼泵注高压液体。增压泵具有程序控制器,可实现恒定排量和变排量泵注液体。将露头岩体切割成 的立方体岩块,在岩体上钻取一个 、深度为 的圆孔模拟井眼。实验参数设计及评价方法模拟条件:平均地层温度为 、平均弹性模量为 、平均泊松比为 、平均黏聚力为 、平均内摩擦角为 、平均纵波为 、平均横波为 ,实验中
11、岩心三轴应力条件根据长层三向地应力梯度计算得到最大 水 平 主 应 力 为 ,最 小 水 平 主 应 力 为 ,垂向主应力为 。设置不同簇间距及射孔等因素模拟压裂裂缝起裂及扩展形态特征。为研究压裂裂缝的复杂程度,以压裂后出现的所有裂缝网络的裂缝面积为依据进行判断,平均裂缝面积越大,说明裂缝越复杂,压裂效果越好。利用手持三维扫描仪测量压裂后的试样裂缝壁面高程,结合递归函数、三角形法及海伦公式,计算得到波及面积。实验结果分析基于大物模压裂岩体描述,结合岩体破裂时泵注压力及 三 维 扫 描 压 裂 裂 缝 改 造 面 积 数 据 结 果(见表),研究了完井方式、压裂液类型、地应力、天然裂缝及泵注排量
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