水平井多级脉冲气体加载压裂机理研究与应用

摘要

为进一步提高水平井的产量和最终采收率，改善开采的经济效益，本文对水平井多级脉冲气体加载压裂展开了系统的研究与应用，并编制相关软件对压裂水平井进行方案优化设计，具有重要的科学意义与明确的应用前景。从优化方法出发本文研究内容与主要成果为： （1）根据水平井的结构特点，对多级脉冲加载压裂装置和延时控制装置在井筒中的作用特点进行了分析，设计出了合理的装药结构，并评价了该技术的安全可靠性。 （2）根据弹性力学理论和断裂力学理论，在裸眼完井、射孔完井条件下，建立了爆燃压裂水平井井筒周围应力场分布的新模型以及裂缝起裂压力和起裂角的计算模型，并进行了求解。 （3）通过设计室内冲击实验模拟多级脉冲爆燃气体压裂等强动载条件对油气水井附近油层的处理。对比了动载破裂压力与静载破裂压力的差值、动静载破裂压力差值与抗拉强度的比值、动载破裂压力与静载破裂压力的比值四个物理量与加载速率关系，根据实验数据数值回归动载、静载破裂压力表达式，以修正爆燃压裂水平井起裂压力。 （4）根据爆燃压裂水平井井下工作条件，参考流体质量、动量和能量守恒方程建立裂缝内爆燃气体流动模型；采用设定裂缝内气体压力分布函数的方法，实现流动模型的数值求解；在岩石弹性理论下，建立了多级脉冲压裂作用下水平井预存裂缝起裂张开位移公式；根据叠加原理推导了水平井爆燃压裂各项荷载作用下裂缝尖端应力强度因子，建立裂缝延伸判据，利用裂尖能量守恒方程确定裂缝扩展速度；将多级脉冲压裂气体响应模型与气体流动模型相结合，实现了爆燃气体流动和裂缝扩展藕合求解；根据具体储层、施工参数对水平井多级脉冲气体加载压裂中各级压裂过程进行了模拟计算，确定具体的裂缝形态；并用能量平衡理论考虑裂缝尖端动态响应，以反映裂缝动态扩展的特性。 （5）利用建立的数学模型开发水平井多级脉冲气体加载压裂模拟计算软件，并对影响水平井爆燃压裂效果的几个主要因素展开了系统的数值优化设计，分析了不同裂缝参数对产能的影响，为现场施工提供指导。 （6）进行了多级脉冲气体加载压裂水平井的井下压裂施工设计及效果预测，研究了该工艺技术在水平井下的操作流程及压裂后产能对比，为进一步的现场应用奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

创新点摘要

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.2高能气体压裂国内外研究现状与发展趋势

1.2.1高能气体压裂理论研究进展

1.2.2高能气体压裂应用技术方面进展

1.2.3高能气体压裂发展趋势

1.3本课题研究的主要内容

1.4本课题研究的技术路线

第二章多级脉冲气体加载压裂装置设计及原理分析

2.1多级脉冲气体压裂的作用特点分析

2.1.1压力-时间(P-T)曲线对比分析

2.1.2压裂裂缝形态对比分析

2.1.3压裂作用时间对比分析

2.2多级脉冲气体加载压裂水平井装置研究分析

2.2.1点火药的选择设计

2.2.2点火药静态点火试验

2.2.3延时控制点火技术研究

2.2.4多级脉冲压裂装置结构设计

2.2.5井筒内多级燃速可控装置峰值压力设计计算

2.2.6压裂装置火药爆燃压力持压时间的确定

2.2.7模拟装置地面试验

2.3本章小结

第三章多级脉冲气体压裂水平井井筒周围裂缝起裂研究

3.1爆燃气体压裂水平井静态裂缝起裂理论分析

3.1.1水平并井筒周围的应力分布

3.1.2裂缝起裂压力和起裂角的计算

3.1.3 特例与讨论

3.2实例计算与结果分析

3.2.1基本参数输入界面

3.2.2结果分析

3.3考虑爆燃气体动载性的水平井起裂分析

3.3.1高加载速率下岩石起裂压力实验研究

3.3.2爆燃气体压裂动载裂缝起裂模型回归

3.4本章小结

第四章多级脉冲爆燃气体驱动水平井裂缝扩展理论研究

4.1爆燃气体在预裂缝内流动分析

4.1.1裂缝入口气体质量流速分析-qo的确定

4.1.2压裂装置火药燃烧模拟

4.2多级脉冲气体压裂水平井裂缝扩展模型

4.2.1准静态裂缝延伸理论分析

4.3多级脉冲气体流动和裂缝延伸耦合求解思路与实现

4.3.1裂缝内气体压力分布函数

4.3.2裂缝内气体质量守恒方程

4.3.3裂缝内气体状态参数相互关系

4.3.4裂缝、井筒及枪内气体流动关系

4.3.5气体流动与裂缝扩展耦合求解程序

4.4水平井多级脉冲气体压裂模拟计算分析

4.4.1相关参数分析

4.4.2水平井裂缝延伸过程中数值模拟分析

4.5考虑裂尖动态响应的裂缝延伸理论分析

4.5.1井壁裂缝体能量方程

4.5.2动能增量近似计算

4.5.3算例分析

4.6本章小结

第五章多级脉冲气体压裂水平井数值优化与效果评价

5.1多级脉冲气体加载压裂水平井模拟软件的研制

5.1.1压裂模拟计算软件的实现

5.1.2压裂模拟计算软件的主要模块

5.1.3压裂模拟计算软件的主要功能

5.2数值分析结果的验证

5.2.1半解析解验证

5.2.2算例2—地面水泥靶试验验证

5.3多级脉冲气体加载压裂水平井优化设计

5.3.1优化设计主要考虑因素

5.3.2数值优化结果讨论

5.4压裂效果评价

5.4.1措施前地层未污染

5.4.2措施前地层已污染

5.5本章小结

第六章多级脉冲气体压裂水平井工艺设计及效果预测

6.1欧35-40-20水平井基本概况

6.2欧35-40-20井多脉冲气体加载压裂施工设计

6.3试验应用效果分析

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢

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