砂岩轴向预制裂缝的起裂和扩展规律试验研究

针对坚硬顶板难垮带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向压裂技术。采用300mm×300 mm×300 mm红砂岩试样,进行了真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同预制裂缝方位角对裂缝的起裂与扩展规律的影响。结果表明:不同预制裂缝方位角时,压裂裂缝均沿预制裂缝的尖端起裂,并形成单一裂缝。随着预制裂缝方位角的增大,起裂压力逐渐增大;达到相同偏转角时,裂缝延伸长度逐渐减小并在45°时取得最小值,45°之后,裂缝延伸长度先增大后减小。     

砂岩顶板预制裂缝水力压裂扩展规律的数值模拟

针对坚硬顶板难垮带来的冲击灾害,提出运用垂直层面预制裂缝定向水力压裂技术。运用RFPA-2D分析软件,模拟试件尺寸为300 mm×300 mm的砂岩预制裂缝水力压裂的裂缝扩展过程,以及预制裂缝的长度、方位角(α)及围压比(σH/σh)对裂缝扩展的影响。模拟结果表明:人工预制裂缝对裂缝的扩展起到导向作用,裂纹首先在预制裂缝的尖端产生并延伸;预制裂缝扩展方向的转向角随着围压比的减小而减小,最大主应力与最小主应力接近时,预制裂缝对裂缝扩展的导向作用最明显,预制裂缝扩展方向的转向角随着预制裂缝与最大主应力夹角的增大先增大后减小,预制裂缝的长度在20 mm以内对裂缝扩展方向的转向角影响较小;破裂压力随着围压比的增大而减小,随着预制裂缝与最大主应力夹角α的增大而增大,在α为0°~45°时增加缓慢,α大于45°时急剧增加,破裂压力随着预制裂缝长度的增加而减小。     

泵流量对纵向切槽水力压裂裂缝偏转距的影响

水力压裂技术近年来越来越多地被应用于强烈动压巷道的卸压工程中,水力压裂卸压的核心是如何人为控制水力裂缝的开裂、扩展方向及路径。将裂缝起裂点与裂缝扩展路径上与切槽方向呈1/2切槽角度的点之间的连线长度定义为裂缝偏转距,并作为试验重点考察指标。采用真三轴物理试验的方法,对尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的预留钻孔和纵向切槽水泥试块水力压裂过程中不同泵流量对裂缝偏转距的影响规律进行了详细研究。研究结果表明:纵向切槽水力压裂裂缝首先沿切槽方向起裂,在扩展的过程中逐渐转向最大主应力方向;裂缝呈S型非对称形态,裂缝较为单一,无复杂微裂隙产生,裂缝在横向扩展的同时沿纵向扩展且扩展过程中无较大偏转。压裂过程明显呈现3个阶段性特征:初次起裂阶段、裂缝持续扩展阶段和裂隙贯通阶段;随着泵流量的增加,起裂压力略有增高,压裂时间明显缩短。在水平应力比为1.5条件下,泵流量由0.5 mL/s增加到1.0 mL/s,裂缝偏转距增加了54.9%;泵流量由1.0 mL/s增加到1.5 mL/s,裂缝偏转距增加了16.7%;随着泵流量的增加,裂缝偏转距明显增大,增大趋势呈半抛物线特征。水平应力比为2.0条件下,泵流量由1.0 mL/s增加到1.5 mL/s,裂缝偏转距增加了30.6%;泵流量由1.5 mL/s增加到5.0 mL/s,裂缝偏转距增加了67.9%;与应力比为1.5相比,相同泵流量条件下裂缝偏转距明显减小。试验采用真三轴试验方法仅能对小尺寸试块进行物理模型试验,下一步将选取合适的数值计算方法,进一步开展大尺度岩层水力压裂效果试验研究。     

煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验

为揭示煤矿基本顶细砂岩定向水力压裂裂缝起裂、扩展规律,在煤矿井下原位获取并加工成300 mm×300 mm×300 mm大尺寸细砂岩,在试样正中布置直径26 mm的压裂孔,采用专用切槽钻头垂直钻孔轴向预制长12 mm的三维楔形横槽,开展大型真三轴定向水力压裂试验与高能工业CT扫描,研究了原生层理方向与水平应力差大小对水力裂缝起裂压力、扩展形态、水压-时间曲线、压裂体积的影响规律,并引入定向偏转距概念(预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的距离)来表征定向压裂效果。试验结果表明:预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、扩展,裂缝形态分为单一横切型和复杂"H"型;水压-时间曲线根据裂纹扩展阶段的不同,分为平缓式波动型和断崖式跌落型。水平应力差对切槽处的裂缝定向偏转距影响程度大于层理方向。高水平应力差作用下切槽尖端应力集中程度更高,穿越层理面能力更强,裂缝从切槽尖端起裂后与层理交汇后不发生偏转,切槽定向效果较好;而低水平应力差作用下裂缝扩展时遇到层理易发生转向,切槽定向效果差。高水平应力差作用下裂缝定向偏转距为低水平应力差作用下的10倍,前者切槽可定向裂缝扩展至试样边界,后者切槽仅可控制其附近裂缝扩展方向,之后逐渐偏转至与最大水平主应力方向平行。层理平行切槽时,裂缝平均起裂压力、压裂体积是垂直切槽时的1. 7倍;高水平应力差作用下裂缝平均起裂压力、压裂体积是低水平应力差作用下的1. 3倍。层理效应在低水平应力差作用下明显,当切槽与层理方向一致时,切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展,裂缝宽度与形态复杂多样,反之,较难被激活,裂缝形态单一;而高水平应力差作用下不同方向的层理均能被激活,裂缝扩展充分,形成形态复杂多样的缝网。     

压裂过程中储层压力场变化对水力裂缝扩展的影响

非常规油气资源开发过程中,通过水力压裂形成复杂裂缝网络是实现高效开发的关键技术之一,压裂过程中储层压力场的变化对裂缝扩展具有重要影响。本文基于扩展有限元理论,建立耦合损伤-滤失-应力的水力压裂裂缝动态扩展模型,研究储层压力分布对同步压裂和顺序压裂过程中裂缝动态扩展、起裂压力和延伸压力影响,对比了不同储层压力增量条件下水力裂缝偏转程度和压力变化情况。研究结果表明:(1)压裂液滤失诱发的局部孔隙压力增加会引起储层压力场发生变化,使得水力裂缝在延伸过程中的偏转程度增加,同时水力裂缝的延伸压力和起裂压力也会增加,算例显示裂缝的起裂压力和延伸压力将分别增加27.49%和27.58%;(2)对比同步压裂和顺序压裂下裂缝扩展动态,发现采用顺序压裂时裂缝偏转程度更大,且裂缝延伸压力更高。研究成果可为致密砂岩储层的有效开发提供理论依据和技术支持。     

基于最大周向拉应力准则的水力裂纹起裂特征研究

为研究水力裂紣起裂特征,优化水力压裂设计及施工,采用最大周向拉应力准则作为水力裂紣的开裂判据,推导裂紣起裂角和临界水压的计算方程.分析起裂角和临界水压与预制裂紣倾角、注入水压、应力差和孔隙压力等的关系.研究结果表明:起裂角随预制裂紣倾角的增加呈先增加后减小的趋势;随着水压增高,裂紣起裂角逐渐减小;起裂角随应力差的增加呈单调递增趋势,随孔隙水压增加呈单调递减趋势.临界水压随裂紣倾角的增加呈单调增加的趋势.整体而言,临界水压随应力差增大而增加;随预制裂紣长度的增加而逐渐降低;随断裂韧度的增加呈单调递增趋势;随孔隙水压增加呈单调递减趋势.理论预测的起裂角及临界水压与水力压裂试验结果较为吻合.研究结论可为水力压裂设计及施工提供借鉴.     

定向射孔多孔同步压裂裂缝交互扩展规律研究

针对传统切顶卸压沿空留巷技术很难控制顶板变形垮落等问题，为了更好地掌握切顶卸压时顶板的裂缝扩展规律，提出定向射孔多孔同步压裂切顶卸压方案并进行试验研究。在传统压裂试验过程中，射孔间距、注液速率对裂缝扩展效果影响较大，通过结合真三轴压裂渗流模拟试验系统与声发射监测系统，对300mm的立方体砂岩试件进行模拟试验。结果表明：声发射监测的声发射(AE)事件分布图能很好地反映出试件压裂过程中每个阶段的裂缝扩展形态和裂缝扩展规律；裂缝长度、起裂压力和裂缝缝网面积随横向射孔间距的增大而增大，裂缝宽度随射孔间距的增大而减小；随着注液速率的增大，主裂缝产生的次生裂缝减小，裂缝偏移现象也减少，复杂的裂缝也变得单一；压裂初期，裂缝从各射孔端部起裂，随着压裂的进行，射孔端部的裂缝变得复杂，主裂缝会沿着射孔方向扩展，形成横向射孔之间的贯通缝，最终裂缝从试件表面中部起裂扩展延伸至两端。研究结果可为定向射孔切顶卸压设计与施工提供一定的参考依据。     

储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析

掌握储层水力压裂裂缝的起裂与扩展规律对非常规油气资源开采和提高采收率至关重要。采用水泥砂浆模拟天然页岩,获得了与页岩基本力学参数和断裂韧性一致的相似材料。运用FRANC3D和ANSYS,模拟分析了不同水平应力比和射孔布置方式对水力压裂起裂和扩展的影响。研究表明:利用FRANC3D+ANSYS可以较好地模拟射孔压裂裂缝的起裂和三维空间中的扩展行为。射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小,射孔方向与最大水平主应力成夹角时,裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布,射孔线性排布时的起裂压力较小。     

基于ABAQUS的三维水力压裂裂缝扩展规律研究

水力压裂是目前油气田开发中增产增注的关键技术,为研究裂缝起裂和扩张过程中裂缝形态的变化,利用ABAQUS有限元软件,通过嵌入Cohesive单元模拟裂缝扩展位置,系统分析了水平井裂缝扩展影响因素对裂缝几何形态的影响。研究表明,(1)当压裂液黏度由0.01 Pa·s增加到0.11 Pa·s时,缝长减小,缝宽增大,黏度大易形成短宽缝,黏度小则易形成长窄缝;(2)当压裂液排量较低时,难以达到地层破裂条件,排量较大时,地层开始扩展起裂,也容易形成新裂缝,采用变排量压裂,压力平稳式增长,有助于形成复杂裂缝网格;(3)当水平应力差由1 MPa增加到5 MPa时,缝长增大,缝宽和缝高减小,水平应力差增大,岩石破裂所需克服的阻力变小,易于起裂,而在压裂液压入的过程中,压裂液主要流经于裂缝延伸长度上。     

不同滤失面下砂岩定向压裂声发射响应特征研究北大核心

为了研究不同滤失面下滤失对岩石定向水力压裂的影响规律,选用300 mm×300 mm×300 mm中间钻孔并且定向预制裂缝的砂岩试件,采用在试件表面涂抹防水剂的方法控制滤失,制作出滤失面依次减小的4组砂岩试件:未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D,进行真三轴定向水力压裂并开展声发射实时监测,分析研究不同滤失面下砂岩试件声发射能量率、累积能量以及压裂后裂缝扩展延伸规律。结果表明:随着滤失面增大即滤失越大,砂岩试件声发射的能量率峰值呈现逐渐下降的趋势,而试件完成压裂破坏过程所需的累积能量逐渐升高;在压裂裂缝扩展延伸过程中,随着滤失面增大即滤失越大,压裂裂缝向最大主应力σ_(H)方向偏转越快,当压裂裂缝偏转到同一偏转角α时,压裂裂缝扩展延伸长度L会逐渐减小。     

顶煤预制裂隙定向水力压裂研究

为改善厚硬顶煤冒放性和工作面作业环境,提出顶煤预制定向裂隙水力压裂技术。利用理论分析研究了定向压裂基本原理,分析了钻孔和裂隙的受力模型,得到裂隙的起裂条件、扩展过程及其形态。利用RFPA2D-Flow渗流软件研究顶煤定向压裂规律:在压裂起始阶段,定向裂隙尖端出现高应力集中现象,在钻孔和定向裂隙两面形成卸压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大;钻孔和定向裂隙周围形成高水压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大。压裂初期煤体发生剪切破坏,压裂后期出现大量拉伸破坏。定向裂隙倾角α介于0°~60°时,裂隙尖端首先起裂、扩展,然后发生转向;当倾角α=75°和α=90°时,裂隙沿最大水平主应力方向扩展。     

不同扩孔半径下的钻孔水力压裂数值模拟研究

利用RFPA数值模拟软件构建了钻孔水力压裂数值物理模型,分析了应力平衡状态对钻孔水力压裂的影响,研究了不同扩孔半径下的钻孔水压裂纹的发展演化规律。研究得出:破煤压力在钻孔开挖完待应力平衡后加载水压明显降低;随着钻孔扩孔半径的增加,破煤压力、分支裂纹初现水压、最终水压及平均范围角都将降低,水压主裂纹的长度将增加。研究为煤矿井下现场实施水力压裂技术提供了一定的理论支撑。     

基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。     

双孔爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系; 预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式; 而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效; 裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。     

水平井分段多簇压裂裂缝扩展数值模拟

目前,非常规储层复杂裂缝扩展数值模拟的裂缝形态多为二维形态,并且将注入地层中的压裂液视为纯液体,但实际压裂液中有支撑剂的存在,导致模拟结果与现场实际结果存在较大差异,难以直接应用于现场优化设计。因此,本文基于三维位移不连续法,考虑压裂液、支撑剂在井筒和水力裂缝中的流动情况,建立了三维分段多簇压裂数值模型,采用Newton-Raphson法求解数值模型,分析了压裂液排量、黏度、砂比和簇间距等工程因素对多裂缝扩展的影响规律。结果表明,高黏度、高排量的压裂容易形成多条宽而短的裂缝,有利于支撑剂运移形成高导流通道,而低黏度和低排量的压裂会形成多条窄而长的裂缝,影响支撑剂的运移和压裂效果。随着砂比的增加裂缝高度逐渐变大、长度变小,此时裂缝中支撑剂分布浓度增大、远端裂缝缝宽变小,裂缝内流体和支撑剂流动受阻会导致砂堵现象;随着簇间距增大,裂缝间应力阴影效应减小,各裂缝更容易独立扩展,当簇间距减小时,中间裂缝扩展受到抑制且缝宽变小。研究结果可为水平井分段多簇压裂优化设计提供理论指导。     

低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

基于PPCZ模型的KGD水力压裂数值模拟

Pore pressure cohesive zone模型以Barenblatt裂尖黏聚力模型为基础,考虑了裂尖断裂过程区对裂缝扩展的影响,对模拟水力裂缝扩展问题具有一定优势。采用该数值模型对KGD水力压裂问题进行研究,验证了模型模拟KGD水力裂缝的能力,分析了裂尖断裂过程区及流体黏度μ对裂缝扩展的影响,揭示了排量Q_0、黏度μ和注入时间t三者之间的联系。研究表明:(1)断裂过程区对压裂结果有较大影响,其内在原因是:随着裂缝刚度K_(nn)的变化,缝内流体不同程度地渗透到裂尖断裂过程区,改变了裂尖断裂的难易程度和缝内流体压力的响应行为;(2)流体黏度增加导致缝内净压力和缝宽的增加、缝长的减小;(3)对于两种主控型水力裂缝,排量Q0、黏度μ和注入时间t之间存在着内在联系:μQ_0不变、Q_0t不变情况下,最终可得相同的缝压、缝宽和缝长值;(4)相比于弹性状态,弹塑性状态下的岩体需要更高的缝内净压力,才能使得岩体开裂扩展。数值模型具有模拟不同类型水力压裂的能力。