水力压裂施工污染源分析及防控建议

文章通过结合水力压裂施工及工艺特点,分析了水力压裂污染源及可能造成的伤害：水力压裂对油层造成伤害、施工不当引起的相邻水层的污染以及对环境的污染。认为需要重视水力压裂带来的潜在问题,应在技术方面完善、改进,减少对储层及环境的污染与危害;我国在水力压裂法律方面应加快完善相应法律、法规;还应建立完整的监管体系,管控水力压裂存在的污染风险,减少污染危害,水力压裂才能可持续发展。     

含界面储层水力压裂试验与数值模拟研究进展EI北大核心CSCD

深部储层含有大量的天然裂缝、断层、层理等各种不连续界面,这些界面直接影响并制约了水力压裂缝网形成及应用效果。从水力压裂试验、理论及数值模拟3个方面系统分析含界面储层的水力压裂研究进展。首先,梳理了水力压裂物模试验研究进展,探讨了不同含界面储层水力压裂物模试验方法,如加载方式、试样制备、监测手段。其次,基于含界面试样压裂物模试验结果,分析了水力裂缝与界面相互作用理论及影响缝网压裂效果的关键因素。然后,从水力裂缝与界面相互作用数值模拟的难点入手,重点阐述了裂缝交叉处理过程,水力裂缝与界面相互作用及压裂缝网形成机制数值模拟研究进展。最后,总结现阶段含界面储层水力压裂研究中存在的问题及发展趋势。     

降低塔河油田储层破裂压力技术优选分析

在分析岩石破裂压力影响因素基础上,分析了国内外常用的7种压裂技术：水力压裂、自生热气体压裂、高能气体压裂、泡沫压裂、超临界CO_2压裂、酸化压裂与液氮压裂技术,总结分析了各种技术中影响破裂压力的关键因素、优势及存在的问题,以及适用范围与破裂压力降低幅度,针对西北塔河油田地质特点,优选出四种可行的技术,并提出了优化建议。     

中美页岩气水力压裂返排液环境影响与治理

对比分析中美页岩气水力压裂返排液,发现两者均具有产生量大、成分复杂、难生物降解、高COD、高 TSS、高TDS等特点,若压裂返排液进入到地表水及土壤中,可能造成不利影响,甚至对人类健康造成 影响。目前常用的处理压裂返排液的技术有深井回注法、处理后回用法及处理后排放法。我国页岩气水力压 裂返排液处理技术尚不成熟,部分地区仍沿用石油行业处理采出水的方法;部分页岩气田以借鉴国外压裂返排 液处理技术为主,结合自身返排液情况制定处理流程;返排液回收后重新用于水力压裂的水处理技术还不成 熟,应积极开展压裂返排液处理技术的研究。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

页岩气开发中水力压裂的环境影响及对策

水力压裂是提高页岩气产量的关键技术之一,其在促进页岩气发展的同时可能带来一些环境影响。文章分别从设计和施工两方面介绍了水力压裂技术,分析了其在耗费水资源、污染地表水和地下水、引发地质灾害等方面可能产生的不利环境影响,并针对存在的问题从水资源利用、返排液排放以及压裂过程等方面提出对策和建议。     

压裂过程中水力裂缝动态宽度实验研究

 裂缝宽度及其变化规律对验证水力压裂模型及指导压裂施工设计具有重要意义。由于水力裂缝宽度比其长度和高度小3～4个量级,且储层埋藏较深,目前尚无法直接测量实际地层中的水力裂缝宽度,仅能大致通过模型估算或数值模拟获得。通过在室内压裂试件中布置单根或多根布拉格光纤光栅(FBG)应变传感器,对类混凝土材料的水力裂缝宽度进行多点同步动态监测,得到不同时刻多点水力裂缝宽度的变化,并依据裂缝宽度变化得到了裂缝扩展速度,从而对水力压裂裂缝扩展中的尺度变化进行了过程描述。实验研究表明,室内水力压裂模拟实验中水力裂缝的宽度为微米级别,裂缝扩展速度为0.1 mm/s量级;在水力压裂过程中,裂缝宽度随裂缝扩展呈现波动式变化,并非随着裂缝扩展单调增加。研究结果对认识水力压裂裂缝的扩展及提升压裂工艺技术具有重要参考价值。     

考虑T应力下受压岩体水力压裂特性分析

自然状态下岩体多处于受压状态,分析受压岩体水力压裂性质对于完善和发展水力压裂技术有着重要意义。基于线弹性断裂力学的基本理论,对受压岩体水力压裂性质开展研究,通过最大周向应变准则,考虑裂隙尖端非奇异项即T应力的影响,推导出闭合和非闭合状态下临界水压和临界起裂角计算式。将该计算式用于某岩石水力压裂工程实例计算,所得计算值与实际值较为吻合。最后分析了闭合和非闭合情形下泊松比和侧压力系数对临界水压和临界起裂角的影响。该文研究可为实际水力压裂技术提供一定的理论参考。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

浅埋顺槽难垮顶板水力压裂技术研究

针对新疆某煤矿143运输顺槽生产过程中端头支架后部顶板悬顶25m左右不垮、上隅角瓦斯超限等问题,提出了采用水力压裂弱化方式处理顺槽难垮顶板.根据B42煤层和顶板岩石物理力学特征,利用RF-PA2D-Flow模拟软件对顶板水力压裂孔壁周围岩体应力分布规律、最大主应力同压裂孔距离的关系进行了数值模拟,确定了水力压裂卸压设计...     

模拟水压致裂的二维FDEM-flow方法

 水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑流–固耦合驱动下的岩体破裂问题提供完整的解决方案,并给出实现流–固耦合的整个计算流程。通过2个含有解析解的裂隙渗流算例,验证本文提出方法求解纯裂隙渗流问题的正确性。最后,通过一个流体驱动下的岩体破裂算例,展现提出的方法在模拟流–固耦合驱动下的岩体破裂问题的巨大潜力,为模拟页岩气开采中的水压致裂问题提供了新途径。     

脆性岩石热–水–力耦合断裂的断口分析

 利用自行设计的热–水–力(THM)耦合断裂试验和扫描电镜试验,研究脆性岩石THM耦合断裂的宏微观特征;通过有限元法和新型应力强度因子比断裂准则,判断THM耦合断裂模式,揭示出THM耦合断裂机制。结果表明：红砂岩试件具有3种THM耦合宏观断裂轨迹和对应的3种THM耦合微观断裂特征,即低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹为横向断裂,微观上表现为穿晶的剪切断裂;高温、高水压、低围压条件下的断裂轨迹为纵向断裂,微观上表现为沿晶的拉伸断裂;中等温度、中等水压、中等围压条件的断裂轨迹为双向断裂,微观上表现为含沿晶和穿晶的拉剪复合型断裂。基于有限元法和新型最大应力强度因子比断裂准则判断出的红砂岩试件THM耦合断裂模式与基于宏微观断口分析得到的THM耦合断裂机制完全一致。     

岩体水力劈裂非稳定渗流影响机制初探

 水力劈裂是石油开采、土石坝安全控制、原位地应力测试、隧洞突涌水防治等中的常见突出问题。首先,构建一维非稳定渗流模型,推导其解析解,并将水力劈裂关键因素水压力、水力梯度随时间的变化规律与有限元模拟结果进行对比,从而证明该理论解的正确性。其次,非稳定渗流结果与稳定渗流对比表明,在非稳定渗流状态下水压突增时刻,靠进水口处水力梯度最大,而趋于稳定状态时,水力梯度逐渐减小并最终达到稳定。同时,渗透性越小,高水力梯度作用时间越长,岩体发生水力劈裂的危险性越大。因此,采用非稳定渗流研究岩体水力劈裂作用机制是十分必要的。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

双井筒试验下页岩水力裂缝扩展与机制研究

水力压裂是页岩气开采的主要技术,研究水力裂缝的扩展规律有利于促进复杂缝网的形成。为了研究裂缝扩展规律和破裂机制,对页岩进行了真三轴双井筒水力压裂模型试验。结果表明:(1)竖向应力越大,裂缝形态越单一,多条水力裂缝间越不易沟通,页岩破裂压力越大;(2)水平应力差越大,双井筒水力裂缝与天然层理沟通越明显,越易形成垂直于水平最小主应力的裂缝;(3)双井筒出口在不同层理面时,两条水力裂缝形态相似,各自会沟通层理和天然裂缝;(4)双井筒出口在同一层理面时,两条主裂缝容易相交,与天然裂缝的沟通较少,不易产生缝网;(5)通过对上升斜率RA和频度FA值综合分析得到,页岩水力压裂以剪切破坏为主,在不同层理压裂更易产生复杂缝网。     

陆相页岩CO2压裂裂缝起裂和扩展特征试验研究

富含黏土矿物的陆相页岩气储层在传统水基压裂过程中易出现基质黏土吸水膨胀现象,降低页岩双重孔隙介质渗透特性,使得页岩气开采遇到一定的阻碍。因此,针对高水敏性页岩气储层,采用CO₂等无水压裂技术的特性研究显得愈发重要。采用延长陆相页岩和致密砂岩试样开展CO₂与清水室内压裂对比试验,揭示了CO₂压裂起裂及扩展特征。实验结果表明:CO₂压裂起裂压力远低于清水压裂,平均值仅为后者的60%;页岩丰富软弱层理面削弱最大主应力对主裂缝扩展的影响,导致沿层理面产生剪切裂缝;低黏度CO₂的高渗滤导致孔隙压力升高,并降低基质缺陷及弱面处的有效应力,有利于裂缝尖端沿着试样内部缺陷薄弱区域扩展,从而形成粗糙裂隙表面。可见,CO₂无水压裂技术适用于超低渗透性页岩气储层改造,研究结果可为水敏性陆相页岩气的现场压裂施工与参数优化提供支撑。     

土石坝水力劈裂发生过程的有限元数值模拟

在总结国内外关于水力劈裂机理分析及数值模拟方法的基础上,将所提出的渗透弱面水压楔劈作用模型引入基于比奥固结理论的有效应力法,采用弥散裂缝理论描述水力劈裂裂缝的发展过程,建立了用于描述水力劈裂发生和扩展过程的数学模型及有限元计算模式。模拟了挪威Hyttejuvet坝水力劈裂破坏的发生过程。计算结果表明:本文建立的数学模型和相应计算模式能够较好地模拟土石坝水力劈裂的破坏过程,可用于土石坝工程的安全性评价。     

Propagation and aperture of staged hydraulic fractures in unconventional resources in toughness-dominated regimes

Simultaneous multistage hydraulic fracturing of unconventional gas shale in parallel multilateral wells is an effective technique to raise the connectivity of the reservoir to the wellbore and improve reservoir permeability for an economical production. However, this technique should be accompanied with some optimization procedures to obtain an efficiently fractured reservoir with the highest production and the lowest cost. In unconventional hydraulic fracturing, fracture deviation/collapse and trapping are familiar phenomena which occur when a non-optimized fracturing pattern is used. These problems occur respectively when stress shadow size has not been considered in optimization and fracturing pressure is higher than the available pressure in the sealed section. Therefore, in an optimized hydraulic fracturing, having straight fractures with no deviation or collapse needs consideration of stress shadow effect (SSE). Apart from that, having efficiently propagated fractures to the extent of the reservoir without any fracture trap requires consideration of stress intensity factor (SIF) and aperture. SSE was studied and published by the authors in 2014. For the case of SIF, investigating any change in mode I SIF and aperture with different influencing variables such as fracture geometry and pattern are studied in the current research work. Three different fracturing techniques are assumed as multistage fracturing, simultaneous single-stage fracturing, and simultaneous multistage fracturing techniques. Since obtaining SIF for three-dimensional fractures is a challenging issue, a stress ratio technique is used for calculation of SIF ratios of different fracturing scenarios compared to the case of a single fracture. Therefore, changes of SIF for different fracturing schemes are estimated and analyzed to understand whether or not a fracturing scheme is efficient and all the spaced perforations are activated and change to hydraulic fractures.