动力水力压裂的相场模拟方法

 水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

斜井水力压裂过程中的缝间干扰力学机理研究

根据斜井水力压裂过程中的多裂缝扩展规律的调研,通过建立不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的模型,将位移不连续方法应用于斜井水力压裂过程中的力学干扰分析研究,同时在裂缝扩展准则上运用了修正了的能量释放率准则(G准则)--F准则进行裂缝间的裂缝扩展影响规律研究。根据不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的内外裂尖缝间干扰因子的模拟计算,结果表明:裂缝间距离越近受干扰程度越大,裂缝间的干扰不但有促进裂缝扩展的干扰也有阻止裂缝扩展的干扰。     

基于XSite的钻孔起裂水力裂缝三维扩展研究

为了认识近井筒水力裂缝三维扩展特征,采用基于离散格点理论和合成岩体方法研发的数值模拟软件XSite,分析了井筒方位和地应力对水力裂缝三维扩展的影响。研究结果表明:裸眼井筒起裂条件下,井筒方位变化导致裂缝三维形态产生差异,但整体上裂缝趋向沿垂直于最小主应力的平面扩展。中间主应力的增加抑制了垂直于本方向的裂缝扩展,裂缝在中间主应力方向的扩展轨迹变得更加平直。低应力比(最大主应力与最小主应力之比)条件下,井筒上产生多条裂缝分支,趋向于形成空间缝网。随应力比增加,裂缝分支扩展受到抑制,主裂缝趋于沿最大主应力方向扩展。对于预制切槽压裂情况,裂缝沿切槽方向扩展后会逐渐偏转至垂直于最小主应力的平面,裂缝并未产生多条分支。水力裂缝最终扩展方向不受起裂方式的控制,而是由地应力主导。研究结果可为优化水力压裂设计和施工提供参考。     

盐岩水压致裂溶解耦合数学模型与数值模拟

在建立岩盐水压致裂、溶解、固-流-传质耦合数学模型的基础上,对其进行了相应的数值模拟。数值模拟结果表明,在水力压裂过程中,岩盐水力裂缝呈扇形张开,其裂缝宽度与离开注水井口的距离及时间成非线性关系;随裂缝的扩展及裂缝宽度的变化,裂缝中压力在逐步降低同时向缝尖转移,同时裂缝具有阶段性扩展的特征;在压裂过程中,井口压力的实测结果与数值模拟结果吻合较好。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

岩性差异及界面性质对裂缝起裂扩展的影响

在多薄层状产层组压裂过程中,水力裂缝的起裂扩展行为受到层间应力差、岩性差异、界面性质等因素的影响,使得人工裂缝的起裂扩展规律认识不清。基于此,采用改进的室内真三轴水力压裂物理模拟系统,开展3层介质水力压裂模拟试验,研究岩性差异、界面性质对水力裂缝起裂扩展的影响。试验结果表明:在上覆压力为10 MPa条件下,当层间界面未胶结时,水力裂缝沿层间起裂扩展,对应的泵注压力最低;当层间界面存在弱胶结时,水力裂缝先从强度最低的岩样起裂,在裂缝扩展过程中遇到层间弱胶结面时,水力裂缝发生转向,沿弱胶结面扩展;当层间界面强胶结时,按照岩石抗拉强度的大小关系,水力裂缝在各岩样介质中先后起裂,最终导致3层介质的整体性破坏,裂缝中的压裂液呈现非对称扩展。     

薄互层储层水平井压裂裂缝延伸规律模拟分析

为尝试研究非均匀层状岩层中的复杂水力压裂裂缝延伸行为,以胜利油田某典型砂泥薄互层储层的水平井压裂为背景模型,利用基于有限元的数值模拟软件,开展了一系列水平井压裂裂缝延伸行为的数值模拟研究。在模拟中,表征远场地应力的模型围压、层理(界面)的强度和地层岩性是考虑的主要因素。数值模拟表明,水力压裂裂缝的延伸模式是远场地应力、界面性质及地层岩性的综合作用结果。裂缝延伸过程中遇到层间界面会出现偏转、分叉和钝化终止行为,总体可分为4类延伸模式:直接穿透、钝化、T型扩展、偏转。这些非平面、复杂裂缝并非体积压裂改造裂缝,因此,不但不利于油气的流动,而且也是压裂压力畸高、有效主裂缝长度减少甚至压裂失败的原因之一。数值模拟初步解释了裂缝延伸过程中应力演化及其与层间界面的相互作用机制,可望为水力压裂改造工程相关的设计与机理分析提供参考。     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

爆生气体驱动岩石裂缝动态扩展分析

爆燃产生的气体压力以脉冲荷载形式随裂缝扩展作用于裂缝表面,不仅使裂缝壁岩体产生动态响应,而且爆生气体随裂缝扩展而发生动态变化,进而对岩体的劈裂过程产生耦合影响,这一机理的数值仿真分析尚未见报道。模型中用特殊的裂缝单元模拟裂缝张开和闭合,用Newmark法求解反映接触问题的动态有限元方程,并采用与时间相关的爆生气体压力分布模型,模拟爆生气体驱动下裂缝扩展过程。分析结果指出:①爆生气体在压裂过程中起主要作用,弹性应力波的劈裂作用范围很小;②地应力值越大起裂越晚,且裂缝扩展速度越小;③初始裂缝越长裂缝起裂越早,裂缝扩展速度也越大;④钻井中气体升压越快起裂相对时刻越晚,但对裂缝扩展速度没有明显影响。而裂缝起裂时刻越早以及裂缝扩展速度越快,可以得到更长的裂缝长度。     

循环渐进升压对页岩压裂效果的影响

为了揭示循环渐进升压对页岩压裂效果的影响规律,开展页岩真三轴水力压裂试验,对比分析一次性压裂与循环渐进升压致裂的破裂效果。试验结果表明:(1)基于泵压曲线、声发射能量对比分析,一次性压裂方式,倾向于单次造缝;循环渐进升压致裂方式,倾向于多次造缝和沿着不同方向造缝。(2)基于声发射定位展布特征对比分析,一次性压裂声发射定位,呈现条带状分布,对应单一裂缝;而循环压裂声发射定位呈现离散化分布特征,对应更大压裂体积范围。(3)基于宏观裂纹形态、数量和分形维数对比分析,循环压裂方式能显著提高页岩缝网密度和改善页岩渗透特性,可以优化和改进现场水力压裂施工方法。(4)基于扩展有限元数值模拟分析,循环注入方式能产生更加偏转和路径更长主裂缝,沿途倾向支生更多次生裂隙,可以增加缝网密度并提升体积压裂的效果。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

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。     

酸液预处理对深部裂缝性页岩储层压裂的影响机制

深层裂缝性页岩油气藏具有高温、高应力、高破裂压力以及低渗透的特点,极大提高了现场压裂施工难度,如何有效改善近井筒岩石学性质及降低施工压力是安全高效压裂的关键。从岩石力学性质的影响因素入手,分析了酸化过程中酸与矿物的化学反应,从宏观和微观两方面阐述了酸液预处理改善近井筒岩石性质、降低破裂压力的力学机理。选取川东南地区龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂物理模拟试验,采用酸液预处理压裂试件的裸眼井段,分析酸岩反应对水力裂缝起裂及扩展规律的影响。试验结果表明,酸液浸泡裸眼井段能够显著降低页岩破裂压力,酸岩反应会引起天然裂缝面性质的变化,容易导致近井筒附近复杂多裂缝的形成;裂缝扩展穿透酸化区时会引起二次憋压,酸化区内的天然裂缝越发育,酸岩反应越剧烈,近井筒裂缝形态越复杂,压裂曲线波动越频繁。室内试验和现场施工结果吻合程度良好,证实了通过酸液预处理提高深部页岩地层改造效果的有效性。     

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

 射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明：利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM

This paper presents an improved understanding of coupled hydro-thermo-mechanical(HTM) hydraulic fracturing of quasi-brittle rock using the bonded particle model(BPM) within the discrete element method(DEM). BPM has been recently extended by the authors to account for coupled convective econductive heat flow and transport, and to enable full hydro-thermal fluidesolid coupled modeling.The application of the work is on enhanced geothermal systems(EGSs), and hydraulic fracturing of hot dry rock(HDR) is studied in terms of the impact of temperature difference between rock and a flowing fracturing fluid. Micro-mechanical investigation of temperature and fracturing fluid effects on hydraulic fracturing damage in rocks is presented. It was found that fracture is shorter with pronounced secondary microcracking along the main fracture for the case when the convectiveeconductive thermal heat exchange is considered. First, the convection heat exchange during low-viscosity fluid infiltration in permeable rock around the wellbore causes significant rock cooling, where a finger-like fluid infiltration was observed. Second, fluid infiltration inhibits pressure rise during pumping and delays fracture initiation and propagation. Additionally, thermal damage occurs in the whole area around the wellbore due to rock cooling and cold fluid infiltration. The size of a damaged area around the wellbore increases with decreasing fluid dynamic viscosity. Fluid and rock compressibility ratio was found to have significant effect on the fracture propagation velocity.     

Fracture propagation in sandstone and slateeLaboratory experiments,acoustic emissions and fracture mechanics

Fracturing of highly anisotropic rocks is a problem often encountered in the stimulation of unconventional hydrocarbon or geothermal reservoirs by hydraulic fracturing. Fracture propagation in isotropic material is well understood but strictly isotropic rocks are rarely found in nature. This study aims at the examination of fracture initiation and propagation processes in a highly anisotropic rock, specifically slate. We performed a series of tensile fracturing laboratory experiments under uniaxial as well as triaxial loading. Cubic specimens with edge lengths of 150 mm and a central borehole with a diameter of13 mm were prepared from Fredeburg slate. An experiment using the rather isotropic Bebertal sandstone as a rather isotropic rock was also performed for comparison. Tensile fractures were generated using the sleeve fracturing technique, in which a polymer tube placed inside the borehole is pressurized to generate tensile fractures emanating from the borehole. In the uniaxial test series, the loading was varied in order to observe the transition from strength-dominated fracture propagation at low loading magnitudes to stress-dominated fracture propagation at high loading magnitudes.     

射孔参数对非均质砂岩水力压裂裂缝扩展规律的影响

射孔参数对非常规油气资源储层压裂改造具有重要影响.目前人们对不同射孔参数条件下非均质储层岩石压裂裂缝的扩展机理认识不足,很大程度地制约了水力压裂技术的现场实施.以天然非均质砂岩为对象,运用CT成像、X射线衍射、电子探针等方法,分析天然砂岩内部矿物颗粒的成份、尺寸和空间位置等分布情况,建立砂岩矿物颗粒成分与尺寸和空间位置...