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页岩气储层水平井水力压裂物理模拟试验研究

孙彪  
【摘要】:页岩气储层具有低孔低渗、自生自储、吸附饱和成藏的地质特点,页岩气储层中的页岩气以吸附或游离状态富集于具有生烃能力的泥岩及页岩地层中。储层中的气流阻力比常规天然气大,这使得页岩气开采面临储层特性复杂和气体采收率低等不利因素。由于储层页岩渗透率较低、力学各向异性明显,故页岩气一般采用水平井水力压裂技术进行开采。国内外实践表明,水平井结合水力压裂技术已成为开发低渗透油气藏的一个重要技术手段,尤其是开发致密页岩油气藏,是实现其经济高效开采的关键技术。我国页岩气储层水平井水力压裂开采技术仍不成熟,储层改造体系亦存在不少技术难题。本文依托863计划“页岩气储层改造技术研究”课题开展室内水力压裂物理模拟试验研究工作。论文首先介绍了针对页岩气藏的水平井水力压裂基础理论,然后进行室内水平井水力压裂物理模拟试验设计,包括试验设计原理,室内水力压裂试验系统设计和模拟模型的相关设计;最后对典型试样开展室内水力压裂试验,描述试样压裂结果,分析时间泵压曲线,以及不同压裂参数对水力压裂效果和裂缝形态的影响。研究成果为后续水平井分段压裂模拟试验研究奠定基础,能为课题完成水力压裂工艺参数优化提供试验依据。论文主要研究内容及结论如下: 1、对页岩气的赋存机制和渗流机理、压裂裂缝物理模型,以及裂缝形态和扩展准则等基础理论进行了探讨,这可为室内水力压裂物理模拟试验研究奠定理论基础,也为压裂试验结果解译和分析提供理论依据。经理论分析,通过采用室内物理模拟试验这种方法可以对页岩水力压裂及其裂缝扩展情况进行模拟研究,并针对不同压裂参数对水力压裂效果的影响进行系统分析。 2、针对课题研究目标开展室内试验设计工作。对水力压裂伺服泵压系统、声波测试系统和试样制备装置进行了研究,建立室内水力压裂模拟试验系统;详细论述了室内模拟试验设计原理及其模拟试验方法、模拟试验参数设计和模型设计,以及模拟试样的制备步骤和过程。试验结果表明:压裂试样采用300mm×300mm×300mm大尺寸人工模拟岩样,保证了裂纹起裂和扩展有充足的空间维度;设置多种射孔相位角度、分段射孔和预制裂缝等压裂试验参数,能深入研究不同压裂参数对水力压裂试验结果的影响。 3、依据试验设计方案展开室内水力压裂物理模拟试验工作,包括模拟试验操作步骤和过程、压裂试验结果描述与分析。通过典型试样压裂后的裂缝通道形态及其相应的泵压时间曲线,可以解译裂缝起裂与扩展的变化过程和基本延伸规律。压裂结果分析表明:试样在水力压裂过程中产生主裂缝和次生两种裂缝,主裂缝通道是由于试样内部发生剪切破坏后逐步扩展演化而产生;次生裂缝通道面是试样发生拉伸破坏后逐步扩展演化而产生。水力裂缝在扩展和延伸过程中均遵循水力破坏准则和裂缝延伸机理。 4、典型试样的试验结果表明:试样压裂后产生的裂缝形态大致呈规则平面和不规则曲面两种。裂缝扩展基本规律是:先沿射孔方向上发生起裂,后形成初始裂缝,随着压裂液不断泵入,裂缝继续扩展,当延伸至一定距离后瞬间贯通,演变成压裂液渗流通道。裂缝通道形成的机理是:在水力作用下,试样内部先发生剪切破坏,后压裂液进入剪切破裂面发生拉伸破坏促使裂纹张性扩展,致使裂缝演变成压裂液渗流通道面。对于本试验,射孔夹角、射孔段数和预制裂缝等参数不仅影响对水力压裂试验效果,而且对裂缝的形成机理和裂缝空间形态能产生实质性影响。 总之,通过室内水力压裂物理模拟试验研究可以初步探索页岩储层水力压裂裂缝的形成机理和扩展规律,以及确定各种参数对水力压裂效果的影响大小。论文研究成果能为课题组实现研究目标提供一些试验依据,也为现场压裂施工技术参数的选取提供技术支持。


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