高压水射流辅助压裂机理与实验研究
【摘要】：
水力压裂技术经过了半个多世纪的发展,在缝高控制技术、高渗层防砂压裂及大砂量多级压裂等方面都取得了长足进展,但仍存在不少问题,如裂缝位置及方向难以控制、起裂压力较高、压裂裸眼段时压裂液的大量漏失(有天然裂缝时更为严重)、裸眼水平井段只在端部开裂等,这些问题增加了压裂成本、降低了压裂效果。采用水力喷射辅助压裂可望解决上述问题。
本文采取了理论研究、数值模拟、室内实验和现场试验相结合的研究方法。根据岩石断裂力学、破碎力学等基础知识,分析裂缝起裂、扩展的机理;应用有限元软件,数值模拟不同射孔参数下裂缝起裂、扩展规律;制作岩样,改变岩样中孔眼参数,室内实验不同条件下的起裂压力、起裂时间、裂缝扩展形态等,并采用分形几何的有关理论,对裂缝形态进行了分析;制订现场施工工艺,设计施工参数,初步进行了现场试验,取得了显著效果。
本文的研究取得以下主要成果:(1)理论分析了射孔孔眼壁面应力分布,得出了孔眼壁面裂缝起裂位置和地应力的关系;从分析应力强度因子入手,得出了岩石中微裂纹达到临界扩展状态需要满足的条件,推导了维持裂纹继续扩展的条件;(2)通过数值方法得到了孔眼参数对起裂压力的影响规律以及裂缝扩展形态;(3)室内实验得出了孔眼参数对起裂压力、起裂时间的影响规律;(4)采用分形方法分析了压裂实验后形成的裂缝面问题,计算得出了确定的分形维数,证实压裂实验的裂缝面具有明显的分形特征,对现场压裂作业中判断裂缝形态奠定了基础;(5)提出了“水力密封环”的概念,计算了水力喷射过程中地层孔眼内外的压差,制定了多种现场施工方案;(6)根据理论和实验研究结果及施工方案,进行了初步现场试验,增产效果十分显著。
【关键词】：水力喷射 辅助压裂 起裂压力 分形 现场试验 【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TE357.1
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.226420
【目录】：
- 中文摘要4-5
- 英文摘要5-7
- 创新点摘要7-11
- 第1章 绪论11-42
- 1.1 论文所研究的问题11
- 1.2 国内外研究现状以及研究目的和意义11-41
- 1.2.1 地应力确定方法16-19
- 1.2.2 地应力在水力压裂的作用19-20
- 1.2.3 水力压裂理论研究进展20-31
- 1.2.4 水力压裂实验研究进展31-36
- 1.2.5 水力喷射技术及水平井压裂研究进展36-41
- 1.3 研究方法及技术路线41-42
- 第2章 裂缝起裂与扩展机理42-53
- 2.1 射孔孔眼壁面上裂缝的起裂与扩展机理43-48
- 2.2 裂缝的起裂位置模型和确定方法48-52
- 2.2.1 裂缝的起裂位置模型48-51
- 2.2.2 裂缝的起裂位置确定方法51-52
- 2.3 本章小结52-53
- 第3章 裂缝起裂及扩展的数值试验53-64
- 3.1 数值试验软件简介53-55
- 3.2 数值试验过程55-57
- 3.3 试验条件57-58
- 3.4 试验结果分析58-63
- 3.4.1 起裂压力和射孔直径的关系58-59
- 3.4.2 起裂压力和射孔深度的关系59-60
- 3.4.3 起裂压力和孔眼与最大水平应力之间夹角的关系60-61
- 3.4.4 起裂压力和垂直应力的关系61-62
- 3.4.5 裂缝扩展形态分析62
- 3.4.6 试验模型尺寸对试验结果的影响62-63
- 3.5 本章小结63-64
- 第4章 射孔参数对裂缝起裂影响的实验及裂缝分形分析64-79
- 4.1 实验装置介绍65-66
- 4.2 岩样制备66-68
- 4.3 实验方法与流程68-70
- 4.3.1 模拟实验中的相似准则68-69
- 4.3.2 实验条件69
- 4.3.3 实验流程及内容69-70
- 4.4 实验结果分析70-74
- 4.4.1 射孔直径的影响70-71
- 4.4.2 射孔深度的影响71-72
- 4.4.3 孔眼与最大水平应力夹角的影响72-74
- 4.5 裂缝形态的分形分析74-77
- 4.5.1 分形判别标准74-75
- 4.5.2 平面裂缝分形维数计算75-77
- 4.6 本章小结77-79
- 第5章 水力喷射孔眼内压力和速度分布研究79-88
- 5.1 水力喷砂射孔技术原理和特点79-83
- 5.1.1 磨料射流的混合方式79-80
- 5.1.2 水力喷砂射流冲蚀切割机理80-82
- 5.1.3 水力喷砂射孔技术特点82-83
- 5.2 水力喷射孔眼内压力和速度分布的数值计算83-84
- 5.3 孔眼内压力上升效应实验84-86
- 5.3.1 实验条件85
- 5.3.2 喷枪结构85
- 5.3.3 水力参数设计85-86
- 5.3.4 实验过程86
- 5.3.5 孔眼内压力升高效应86
- 5.4 本章小结86-88
- 第6章 水力喷射辅助压裂施工工艺和现场试验88-95
- 6.1 水力喷射辅助压裂施工工艺88-89
- 6.2 水力喷射辅助压裂现场试验89-94
- 6.2.1 郑408-8 井基本情况89-91
- 6.2.2 施工设备、工作液和工艺步骤91-93
- 6.2.3 现场试验效果分析93-94
- 6.3 本章小结94-95
- 第7章 结论与建议95-96
- 参考文献96-103
- 致谢103-104
- 个人简历及在学习期间的研究成果104-105
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