油气层爆燃压裂裂缝条数计算模型研究与实验

摘要

目前石油工业正面临后备储量紧张及探明未动用石油储量中低渗透储量占很大比例等问题。为有效动用低渗透油田的储量,各种油气层增产技术发挥着重要的作用。其中油气层爆燃压裂技术效果良好,但对其影响因素、裂缝延伸过程中动态分析以及目的层裂缝条数与效果的预测缺乏研究,影响其技术发展。本文基于固体药柱燃烧分析、火药的燃速方程、质量、能量守恒方程及爆燃产物状态方程,结合井简爆燃压裂的边界条件,建立了密闭条件下油气层爆燃压裂加载数学模型。研究火药爆燃过程中P-t、T-t关系曲线及不同初始压力、装药质量、内外径、初始空间体积对P-t、T-t曲线的影响;基于油气层爆燃压裂加载模型,研究了地层破裂、止裂压力计算模型、爆燃气体渗滤计算模型、裂缝延伸长度、宽度和裂缝体积计算模型以及爆燃气体的质量和能量守恒计算模型,建立了火药爆燃加载-地层开裂-裂缝延伸的爆燃压裂裂缝动态延伸模拟的耦合动力学模型,分析了爆燃压裂过程中井筒压力、温度变化规律、裂缝几何形态变化规律,编制了计算软件,并进行耦合求解。研究结果表明,火药爆燃后,井筒中的压力、温度迅速上升,达到地层破裂压力时起裂,裂缝开始延伸;在火药爆燃、气体渗滤作用下,爆燃气体的压力先增加后减小直到降为地层初始压力。在爆燃加载条件相同的情况下,峰值压力的大小随裂缝条数的增加而降低,裂缝长度随裂缝条数的增加而减小;裂缝宽度随着压力的变化先增大后减小,裂缝条数越少裂缝宽度最大值和裂缝宽度的最终值越大。根据裂缝延伸模型绘制不同裂缝条数的P-t曲线,结合现场实测P-t变化曲线,通过曲线相似原理找出与实际曲线最吻合的P-t曲线,从而推测现场爆燃压裂的裂缝开裂情况。包括裂缝条数、裂缝延伸长度、宽度等;运用一级模糊综合评判,结合原有大量岩石冲击开裂实验数据,研究影响其裂缝条数的影响因素,得到各因素的权重,建立其裂缝条数预测模型。设计26组试验得到新的实验数据,验证模型假设的正确性及预测模型的精度。通过爆燃压裂的一系列的研究为其技术工艺参数设计和控制提供了理论依据,对其技术的发展和应用具有重要的现场指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 各种油气层压裂技术增产机理

1.2.1 爆燃压裂技术

1.2.2 低频电脉冲油气层处理技术

1.2.3 水力裂缝层内爆燃压裂技术

1.2.4 压胀松动压裂增产技术

1.3 各种油气层增产技术国内外研究现状

1.3.1 高能气体压裂研究进展与技术水平

1.3.2 低频电脉冲油气层处理技术水平与状况

1.3.3 水力裂缝层内爆燃压裂技术研究水平与状况

1.3.4 压胀松动增产技术目前的研究水平与状况

1.4 裂缝条数的确定方法

1.4.1 裂缝条数实验研究

1.4.2 裂缝条数计算模型研究

1.5 研究的主要内容及技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

第二章 油气层爆燃压裂加载模型研究与分析

2.1 物理模型

2.2 加载模型的数学推导

2.2.1 固体火药爆燃分析

2.2.2 质量守恒关系推导

2.2.3 能量守恒关系式

2.2.4 初始条件及边界条件

2.3 模型求解方法

2.4 计算软件的编制

2.4.1 软件流程图

2.4.2 软件运行界面

2.5 曲线规律及影响因素分析

2.5.1 曲线规律分析

2.5.2 影响因素规律分析

2.6 小结

第三章 油气层爆燃压裂裂缝延伸动态模型研究

3.1 裂缝延伸物理模型

3.2 爆燃压裂加载模型

3.3 爆燃压裂裂缝延伸模型

3.3.1 地层破裂、止裂压力计算模型

3.3.2 爆燃气体滤失量计算模型

3.3.3 裂缝延伸长度计算模型

3.3.4 裂缝宽度计算模型

3.3.5 裂缝体积计算模型

3.4 爆燃气体的质量和能量守恒计算模型

3.4.1 质量守恒方程

3.4.2 能量守恒方程

3.5 裂缝动态延伸的耦合求解

3.6 计算分析

3.6.1 计算分析基础数据表

3.6.2 软件操作流程

3.6.3 爆燃气体压力温度变化曲线

3.6.4 裂缝几何尺寸变化规律

3.7 小结

第四章 油气层爆燃压裂裂缝条数计算模型

4.1 曲线相似性概述

4.1.1 相似曲线的判定

4.1.2 曲线模糊相似性定义

4.2 曲线相似性识别方法

4.2.1 欧式距离识别方法

4.2.2 基于离散Fr'echet距离新的曲线相似性的判定

4.2.3 基于相似系数判断两曲线相似度的方法

4.3 实际与理论曲线的模拟分析

4.3.1 离散相似度的计算方法

4.3.2 相关系数判断两曲线相似度的方法

4.3.3 相似性性方法对比

4.4 小结

第五章 冲击开裂裂缝条数预测模型的建立与实验

5.1 岩石冲击开裂裂缝条数影响因素研究

5.2 裂缝条数预测模型的建立

5.2.1 模糊综合评价方法基本原理

5.2.2 模糊综合评价方法模型的建立

5.2.3 评判矩阵R的确定方法

5.2.4 权重集X的确定

5.3 岩石冲击开裂实验

5.3.1 实验条件

5.3.2 实验岩心开裂情况分析

5.3.3 实验结果数据表

5.4 预测模型软件的编制

5.4.1 软件流程图

5.4.2 软件的运行界面

5.5 实验结果与预测结果的对比分析

5.5.1 分析方法

5.5.2 实验结果与预测结果对比

5.6 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢