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具有弹塑性特征的地层水力压裂起裂模型研究

具有弹塑性特征的地层水力压裂起裂模型研究

作者：何颂根西南石油大学

学位级别：硕士

泥页岩、砂泥岩等高泥质含量地层及深部油气储层常具有明显的塑性特征,目前使用的水力压裂起裂模型仅考虑了岩石的弹脆性变形,对塑性特征明显的地层不再适用,因此需要建立考虑岩石塑性变形特征的水力压裂起裂模型。本文首先采用三轴力... 详细信息

泥页岩、砂泥岩等高泥质含量地层及深部油气储层常具有明显的塑性特征,目前使用的水力压裂起裂模型仅考虑了岩石的弹脆性变形,对塑性特征明显的地层不再适用,因此需要建立考虑岩石塑性变形特征的水力压裂起裂模型。本文首先采用三轴力学试验研究了弹塑性岩石的非线性变形特征,并基于塑性全量理论建立了驰段幂强化本构方程和进一步发展了的多段幂强化本构方程。然后在单段和多段幂强化本构方程基础上,建立了弹塑性井周应力场模型并分析了井周应力场特征。据此分析了弹塑性地层的起裂模式并优选了起裂准则,最终建立了弹塑性起裂模型,并对起裂压力和起裂模式进行了参数敏感性分析。随后在建立的井周应力场和起裂模型基础上,叠加压裂液渗滤效应,最终建立了耦合渗滤效应和多段幂强化本构方程的井周应力场和起裂模型,分析了渗滤效应对井周应力场和起裂压力的影响。最后根据建立的最终起裂模型进行了现场实例应用。本文通过对塑性地层本构方程、井周应力场和起裂模型的系统研究,得到以下认识： (1)非线性本构方程是塑性地层应力场研究的物理基础,基于塑性全量理论,采用单段和多段幂强化本构方程可准确描述岩石的力学非线性。 (2)岩石是否屈服受地应力和初始屈服应力大小决定,地应力越大、屈服应力越小,岩石越容易发生塑性屈服。岩石发生塑性屈服主要影响周向应力,周向应力增加,井眼应力集中减小。地应力越大、屈服应力越小、幂强化指数越小、孔隙压力越小、Biot系数越小、泊松比越小,井周屈服程度越高,越难产生拉张应力。 (3)受岩石力学参数和地应力的共同作用,塑性地层井壁在弹性状态下以拉张破坏方式起裂,在塑性状态后则存在塑性拉张起裂和塑性剪切起裂2种破坏模式：①弹性拉张、塑性拉张、塑性剪切起裂的起裂方位均为最大水平主应力方向,但塑性剪切起裂的破裂面与最大水平主应力之间存在破坏角;②岩石进入塑性屈服状态后,幂强化指数≤0.5的岩石只可能产生塑性剪切起裂,幂强化指数>0.5的岩石,塑性拉张和塑性剪切起裂均可能发生。③地应力越大、屈服应力越小、幂硬化指数越小、内摩擦角和内聚力越小、孔隙压力小、Biot系数小、泊松比越小,越容易产生剪切起裂,反之越容易产生拉张起裂。 (4)塑性地层若产生屈服,起裂压力比弹性理论预测值高。地应力越小、屈服应力越大、幂硬化指数越大、内摩擦角和内聚力越小、孔隙压力越大、Biot系数越大、泊松比越大,起裂压力越小,反之起裂压力越大。 (5)基于非线性本构方程的起裂模型,可有效预测塑性地层的起裂模式和起裂压力,对研究及现场应用都具有推广价值。

关键词：弹塑性地层非线性本构方程井周应力场起裂模式起裂压力

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页岩水化及水锁解除机制

石油勘探与开发 2021年第3期48卷 646-653页

作者：曾凡辉张蔷郭建春曾波张宇何颂根西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 中国石油西南油气田公司页岩气研究院成都610056 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院成都618000

选取四川盆地长宁地区龙马溪组页岩样品,开展电镜扫描、CT扫描、高压压汞、低温N_(2)吸附、水化自吸等实验,对比蒙脱石、伊利石水化特征,分析页岩水锁解除能力的主控因素,揭示页岩水化过程中孔隙结构的演变机制。研究表明:页岩水化特征... 详细信息

选取四川盆地长宁地区龙马溪组页岩样品,开展电镜扫描、CT扫描、高压压汞、低温N_(2)吸附、水化自吸等实验,对比蒙脱石、伊利石水化特征,分析页岩水锁解除能力的主控因素,揭示页岩水化过程中孔隙结构的演变机制。研究表明:页岩水化特征与黏土组成密切相关,伊利石含量高的页岩不易水化膨胀,改善储集层孔隙结构的能力有限;蒙脱石含量高则易水化膨胀,改善储集层孔隙结构的潜力较大;页岩伊利石含量高,初期自吸作用相对较强,但扩散能力不足,易形成水锁;页岩蒙脱石含量高,初期自吸作用相对较弱,扩散能力较好,具有一定的水锁解除能力;页岩存在最佳水化时间,此时储集层物性最好,水化时间过长,则对储集层物性形成伤害,伊利石含量高的页岩最佳水化时间较短;无机阳离子对黏土矿物吸水膨胀具有抑制作用,对伊利石的抑制作用更强,K^(+)抑制效果较好,蒙脱石含量高的储集层可以通过降低压裂液阳离子含量促进黏土水化作用;伊利石含量高的储集层可注入高K^(+)含量的压裂液抑制水化作用。

关键词：页岩黏土矿物水化作用微观孔隙结构水锁效应压裂液扩散最佳水化时间水锁解除

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川南深层页岩压裂裂缝导流能力测试技术

油气井测试 2020年第3期29卷 38-44页

作者：周雷力何颂根陈迟营山县天然气公司四川南充637700 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院四川德阳618000 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500

随着埋深增加,深层页岩压裂后,裂缝导流能力能否有效保持是个关键问题。以川南龙马溪组深层页岩为例,对比测试了支撑裂缝及自支撑裂缝的导流能力,开展了主控因素影响规律分析及适应性评价。结果表明,应力增加,支撑裂缝及自支撑裂缝导流... 详细信息

随着埋深增加,深层页岩压裂后,裂缝导流能力能否有效保持是个关键问题。以川南龙马溪组深层页岩为例,对比测试了支撑裂缝及自支撑裂缝的导流能力,开展了主控因素影响规律分析及适应性评价。结果表明,应力增加,支撑裂缝及自支撑裂缝导流能力均呈指数式下降;支撑裂缝受粗糙度、铺砂浓度、支撑剂类型、粒径等影响,在低铺砂浓度下受裂缝面粗糙度主控,在高铺砂浓度下受支撑剂铺置主控;自支撑裂缝受裂缝产状、粗糙度、滑移量、力学性质等影响;对深层页岩而言,垂直自支撑裂缝、石英砂及覆膜砂铺置的支撑裂缝满足生产初期需求,陶粒铺置的支撑裂缝更有利于生产后期的导流能力保持。形成的压裂缝导流能力测试方法可为深层页岩的压裂优化设计提供借鉴。

关键词：川南龙马溪组深层页岩自支撑裂缝支撑裂缝导流能力主控因素适应性评价

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致密砂岩气藏压裂水平井裂缝参数的优化

天然气工业 2012年第11期32卷 54-58,118-119页

作者：曾凡辉郭建春何颂根曾立军 "油气藏地质及开发工程"国家重点实验室·西南石油大学中国石油青海油田公司钻采工艺研究院

为了解决压裂水平井的多参数综合优化问题,基于不稳定渗流原理,应用复位势理论、叠加原理和数值求解方法,建立了考虑裂缝干扰的压裂气藏水平井产量预测模型,研究了影响压裂水平井产量的单因素变化规律;结合正交试验设计方法和灰色关联理... 详细信息

为了解决压裂水平井的多参数综合优化问题,基于不稳定渗流原理,应用复位势理论、叠加原理和数值求解方法,建立了考虑裂缝干扰的压裂气藏水平井产量预测模型,研究了影响压裂水平井产量的单因素变化规律;结合正交试验设计方法和灰色关联理论,确定了影响压裂水平井产能的敏感因素排序,并实现了考虑多参数综合作用的压裂水平井参数优化设计。计算结果表明:算例中影响产量的重要性排序依次为地层渗透率、储层厚度、孔隙度、水平段长度、裂缝条数、裂缝长度和导流能力;优选区块水平井组合参数为水平段长度1 000m、裂缝条数10条、裂缝长度60m、导流能力10μ***,按照优化参数施工后,无阻流量显著增加。

关键词：水平井压裂(岩石) 裂缝参数正交试验灰色关联多因素优化

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超深海相碳酸盐岩储层可压性主控因素

断块油气田 2020年第5期27卷 573-578页

作者：何颂根龙永平李永明颜晋川中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院四川德阳618000 中国石化西南油气分公司采气四厂重庆402160

川西气田雷口坡组储层是超深层低渗高含硫气藏,面临高破裂压力的难题,而且由于储层可压性的主控因素不明,准确评价难度大,限制了降低破裂压力工艺措施的针对性使用。为此,文中首先基于施工特征描述,将储层可压性由好到差依次划分为1,2,... 详细信息

川西气田雷口坡组储层是超深层低渗高含硫气藏,面临高破裂压力的难题,而且由于储层可压性的主控因素不明,准确评价难度大,限制了降低破裂压力工艺措施的针对性使用。为此,文中首先基于施工特征描述,将储层可压性由好到差依次划分为1,2,3,4类;进而以可压性排序为目标,基于施工统计、理论计算和实验分析,明确了储层可压性影响因素,即地应力、岩性、构造、物性、天然裂缝等5个方面;最后,基于灰色关联法定量分析了这些因素对储层可压性的影响程度,筛选了地应力、岩性、倾角、中高角度缝数量、平均孔渗、Ⅰ类储层厚度、储层深度、构造位置作为可压性评价参数。可压性主控因素的明确,为类似超深碳酸盐岩储层的可压性评价、降破措施选择提供了有效的技术支撑。

关键词：超深层碳酸盐岩可压性主控因素评价参数

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页岩多重孔隙水相自吸能力评价

断块油气田 2022年第5期29卷 598-603页

作者：何颂根冉旭于丹王峻峰邹枫中国石化西南油气分公司油气开发管理部四川成都610041 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院四川德阳618000 中国石化中原油田分公司采油气工程服务中心河南濮阳457001

体积压裂是有效动用页岩气的关键技术,而大规模的水基压裂液进入地层后的流动机理是研究热点之一。页岩具有多重孔隙特征,可划分为有机孔、脆性矿物孔、黏土矿物孔(简称黏土孔)。文中首先利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对比分析了3类... 详细信息

体积压裂是有效动用页岩气的关键技术,而大规模的水基压裂液进入地层后的流动机理是研究热点之一。页岩具有多重孔隙特征,可划分为有机孔、脆性矿物孔、黏土矿物孔(简称黏土孔)。文中首先利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对比分析了3类孔隙的尺寸大小和形态特征,利用接触角测试和混合润湿性模型分析了页岩的混合润湿性,进而利用岩石物理模型对页岩的多重孔隙进行了劈分计算;考虑页岩不同的自吸作用力(毛细管力、渗透压)、毛细管形态、多重孔隙劈分,建立了页岩多重孔隙水相自吸模型。分析结果表明:3类孔隙在尺寸、形态、润湿性、自吸作用力方面差异显著。自吸能力方面,黏土孔最强,其次为脆性矿物孔,最弱为有机孔;黏土孔又因黏土矿物类型不同差异明显。

关键词：页岩多重孔隙水相自吸作用力自吸模型

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油基钻井液对碳酸盐岩吸酸效果影响规律研究

中文科技期刊数据库（全文版）自然科学 2023年第5期 94-97页

作者：冉旭何颂根王峻峰中国石化西南油气分公司油气开发管理部四川成都610041 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院四川德阳618000

油基钻井液具有抗盐钙侵、保持井壁稳定、高润滑性、低摩阻等优点,在碳酸盐岩油气藏中广泛应用,但目前缺乏油基钻井液对储层及后续酸化影响的研究。本文取四川盆地某碳酸盐岩工区现场油基和水基钻井液,对比测试了粒径、泥饼厚度、酸溶... 详细信息

油基钻井液具有抗盐钙侵、保持井壁稳定、高润滑性、低摩阻等优点,在碳酸盐岩油气藏中广泛应用,但目前缺乏油基钻井液对储层及后续酸化影响的研究。本文取四川盆地某碳酸盐岩工区现场油基和水基钻井液,对比测试了粒径、泥饼厚度、酸溶蚀率、侵入深度、渗透率恢复率、酸化深度等参数指标。从结果来看,相比水基钻井液,油基钻井液中值粒径更大,泥饼厚度和重量更高,固相酸溶蚀率更低,侵入伤害深度更大,侵入后酸液解除时的渗透率恢复率更低,水平段充填钻井液后酸化深度更小。综合说明,采用油基钻井液在有利于钻完井顺利实施的同时,对储层的伤害性更高,后续酸化作业需采取针对性污染解除措施,如采用盐酸的渗透率恢复效果优于胶凝酸。本文研究成果对于应用油基钻井液的储层具有重要指导意义。

关键词：油基钻井液碳酸盐岩污染深度酸溶蚀率酸化深度

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喷砂射孔降破技术在超深海相碳酸盐岩的应用

断块油气田 2019年第5期26卷 653-656页

作者：林永茂何颂根杨永华王兴文苏镖中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院

川西气田雷口坡组海相碳酸盐岩储层具有超深、低渗、高应力等特征,面临异常高破裂压力、储层压开难度大、常规降破措施效果差的难题。针对以上难题,开展了高温高围压射孔打靶试验,明确了射孔孔眼穿深不足是降破效果有限的重要原因;引入... 详细信息

川西气田雷口坡组海相碳酸盐岩储层具有超深、低渗、高应力等特征,面临异常高破裂压力、储层压开难度大、常规降破措施效果差的难题。针对以上难题,开展了高温高围压射孔打靶试验,明确了射孔孔眼穿深不足是降破效果有限的重要原因;引入喷砂射孔降破技术,通过工艺优化,优选20/40目石英砂为磨料,确定了喷砂参数(喷砂质量浓度100 kg/m3、喷嘴直径5 mm、喷射排量1.8~2.0 m3/min、喷砂时间25~50 min),采用了基液、冻胶、清水液体组合携砂。现场试验表明,常规降破措施无法压开的井,在喷砂射孔后,成功实现了酸压改造。喷砂射孔降破技术具有显著的降破效果,可为同类超深、高破裂压力储层改造提供借鉴。

关键词：超深层高破裂压力海相碳酸盐岩喷砂射孔降破

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威荣区块深层页岩气井体积压裂技术

断块油气田 2021年第6期28卷 745-749页

作者：王兴文何颂根林立世栗铁峰王峻峰中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院四川德阳618000

威荣区块页岩气储层埋藏深(3550~3880 m),地应力高(垂直地应力86.0~97.7 MPa),水平地应力差大(7~17 MPa),岩石脆性指数低(小于0.50),天然裂缝不发育,压裂面临施工压力高、压力窗口窄、敏感砂比低、加砂难度大的难题。大型物理模拟实验表... 详细信息

威荣区块页岩气储层埋藏深(3550~3880 m),地应力高(垂直地应力86.0~97.7 MPa),水平地应力差大(7~17 MPa),岩石脆性指数低(小于0.50),天然裂缝不发育,压裂面临施工压力高、压力窗口窄、敏感砂比低、加砂难度大的难题。大型物理模拟实验表明,威荣区块深层页岩气井压裂裂缝形态以主缝+分支缝为主,裂缝复杂程度较低。根据地质、工程因素优化分段分簇位置,以最大改造体积为目标优化分段分簇数量,实现了对地层的密切割;采用密切割及复合暂堵压裂技术,提高了水平段裂缝的横向覆盖率;通过研究支撑剂输送规律,优化了3级粒径支撑剂的铺置方式,提高了加砂强度;采取缝内暂堵、二次压裂、增加压裂液黏度和施工排量等措施,提高了缝内净压力及裂缝复杂程度。采用以上技术,最终提高了压裂有效改造体积和最终可采储量。研究成果在威荣区块页岩气井得到了成功应用,平均单井加砂强度提高到2.00 m^(3)/m,平均单井无阻流量为48.2×10^(4) m^(3)/d,平均单井最终可采储量为1.10×10^(8) m^(3),改造效果较前期显著提高。压后评估表明,最终可采储量与加砂强度呈正相关关系。提高深层页岩气加砂强度、控制用液强度,是经济有效压裂的关键。

关键词：深层页岩气密切割压裂加砂强度暂堵转向压裂改造体积