基于室内水力压裂试验的水平井起裂模式研究

为研究水平井水中水力裂缝的起裂模式,利用露头介壳灰岩开展室内水平井水力压裂试验,通过压裂液中添加示踪剂、泵压曲线分析、声发射监测定位、压后试样剖切观察等手段对井壁处水力裂缝的起裂和扩展现象进行描述和分析。得到以下结论:(1)水力裂缝的起裂模式可归纳为3类:I型——单一横向裂缝、II型——多条横向裂缝、III型——纵横交叉裂缝。(2)每种起裂模式有特定类型的泵压曲线与之对应:I型起裂模式对应的起裂压力较小,起裂后压力有较大幅度跌落;II型起裂模式对应的起裂压力较大,起裂后压力持续升高,波动剧烈;III型起裂模式对应的起裂压力较大,但起裂后压力波动较小。(3)试样中水力裂缝的起裂模式具有随机性,且起裂压力具有较大的离散性。(4)声发射的活动性能够较好地反映水力裂缝的起裂扩展,水力裂缝起裂的瞬间,声发射活动性最强。(5)声发射事件点子密集分布的区域与实际的水力裂缝位置有较好的一致性,可利用声发射定位结果初步判断水力裂缝的分布。(6)在较高的排量下,水平井更容易形成单一横向裂缝,而在低排量下水力裂缝的起裂形态可能更趋向于复杂,排量是影响水平井起裂模式的一个关键因素。(7)可尝试结合现场压裂泵压曲线推测储层水力裂缝的起裂与扩展。     

煤岩组合体跨界面压裂及声发射响应特征试验研究

利用自行研制的"TCHFSM-I"型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,研究不同应力条件下煤岩组合体跨界面水力裂缝起裂、扩展规律,分析压裂过程中注液压力与声发射动态响应特征。结果表明:当轴向载荷与最小水平主应力差值≥6 MPa时,水力裂缝能够跨界面扩展进入煤体,形成贯穿型裂缝;反之,水力裂缝沿界面扩展。各试件水力裂缝跨界面扩展行为不同,其注液压力演化规律和声发射动态响应特征也存在差异。当水力裂缝扩展进入煤体时,注液压力呈现明显二次上升,声发射事件累计数占比显著提升,增幅达51.4%,且多位于煤体中;当水力裂缝沿界面扩展时,声发射累计数增幅量仅为6%,且注液压力无二次上升。此外,建立考虑交汇角度、界面摩擦、应力状态等因素作用的水力裂缝跨界面扩展模型,该模型能够很好地描述与预测水力裂缝跨界面扩展行为。研究结果可为煤层气高效开采提供技术指导。     

深层页岩真三轴变排量水力压裂物理模拟研究

针对深层页岩高水平应力差(水平应力差大于10 MPa)条件,为明确深层页岩复杂缝网形成规律,探究促进缝网形成的施工手段。设计脉冲升排量、阶梯升排量和恒定排量3种压裂模式,利用室内大型真三轴水力压裂物理模拟实验,并结合声发射监测和压后岩心剖切照片,分析3种不同压裂模式下水力裂缝起裂、扩展规律。实验结果表明:压裂液总泵注量一定程度能反映压后裂缝的复杂程度,压裂液累计注入量越高,形成的缝网越复杂;脉冲升排量压裂模式停注憋压阶段有利于压裂液渗入天然裂缝,从而激活天然裂缝;压裂液排量对复杂缝网的形成有较大影响,小排量有利于打开原生天然裂缝,而高排量使得水力裂缝直接穿过原生天然裂缝;页岩中天裂缝是形成复杂缝网的物质基础,打开和沟通这些天然裂隙尤为重要。通过室内物理模拟实验研究,以期为现场深层压裂施工设计提供一定参考。     

致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究

开发低孔、低渗的致密灰岩储层需要进行大规模的水力压裂。致密灰岩的成岩过程、矿物组成以及岩石力学性质与致密砂岩等储层差异很大,在不同应力状态以及施工参数条件下水力裂缝扩展形态有待研究。采用真三轴水力压裂试验系统对致密灰岩露头展开压裂物模试验,研究地应力差、压裂液黏度、变排量、酸处理等多种因素对水平井压裂裂缝扩展规律的影响。试验结果表明:当水平地应力差在2~8 MPa之间时,水力裂缝易于沟通天然裂缝形成复杂裂缝网络;压裂液黏度升高,会降低剪切滑移和滤失膨胀的可能性,从而降低裂缝的复杂程度;在走滑断层的应力状态下,即σ_Hσ_Vσ_h,容易形成水平缝,特别是当井眼方向沿着层理面时极易沿着层理起裂;变排量压裂可以激活更多的天然裂缝,有助于形成复杂的裂缝网络;酸液预处理裸眼井段能够显著降低破裂压力,随泡酸时间的增加,破裂压力下降幅度逐渐增大。研究成果为现场压裂施工提供参考。     

须家河组致密砂岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为研究建南地区须家河组致密砂岩储层水力压裂裂缝延伸特征及空间展布规律,利用室内真三轴水力压裂物理模拟系统,开展致密砂岩水力压裂试验研究。基于试验结果,初步揭示水力裂缝的起裂与扩展机制,分析水力裂缝的裂缝形态,讨论压裂液排量、类型及地应力差异系数对水力裂缝的影响。研究结果表明:致密砂岩水压致裂后主要形成单一、单翼的水力裂缝,较少形成交叉网络裂缝。水力裂缝主要有4种起裂模式和6种扩展模式,岩石性质是控制起裂与扩展模式的主要因素之一。泵压曲线可分为4大类,第1类泵压曲线对应于单一、单翼的平面型裂缝,第2~4类曲线对应于交叉网络裂缝。破裂压力与排量呈正相关的关系,而与地应力差异系数没有明显规律。压裂液为蒸馏水时,必须考虑滤失效应,而压裂液为液压油时,则不考虑。     

水力裂缝扩展行为的声发射特征实验研究

已有研究在进行页岩压裂物模实验时,多局限于对压后裂缝形态的描述,且缺乏对泵压曲线的分析。针对上述问题,开展室内真三轴水力压裂物理模拟实验,结合声发射数据与压后裂缝形态,分析垂向地应力差异系数、压裂液排量、黏度对水力裂缝实时扩展行为的影响。对压裂泵压曲线进行小波分解,研究泵压曲线特征与水力裂缝实时扩展行为的关系。研究结果表明,垂向地应力差异系数、压裂液排量、黏度对压裂过程中的水力裂缝与天然弱面的沟通方式、水力裂缝的扩展速度有重要影响,进而决定压后裂缝形态。此外,泵压曲线的高频细节信息与声发射能量高点及压后水力裂缝形态相符程度较好,能用于准确识别水力裂缝的起裂和沟通天然裂缝等行为。此研究对现场压裂施工参数设计及泵压曲线分析有一定的指导意义。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。     

页岩气储层变排量压裂的造缝机制

裂缝性页岩储层压裂时,如何通过调节压裂泵排量,使水力裂缝沟通更多天然裂缝,是缝网压裂的关键。选取龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂试验,压裂过程中以逐步阶梯式方式提高排量,实时分析变排量压裂时水力裂缝扩展行为以及与天然裂缝的沟通情况。试验结果表明：采用变排量压裂,初始阶段,随着压力逐渐升高,会在井筒周围的弱面附近产生多个待破裂点,随排量突然提高会使水力裂缝沿着多个破裂点动态分叉扩展。随着排量阶梯式升高,泵压明显升高,排量越大,泵压波动越大,水力裂缝与天然裂缝沟通形态越复杂,天然裂缝产状和缝内净压力等影响到水力裂缝进一步沟通程度。试验结果证实,变排量压裂可以激活更多天然裂缝,有助于形成复杂裂缝网络。     

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。     

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。     

Ground source energy in crystalline bedrock-increased energy extraction using hydraulic fracturing in boreholes

The paper discusses the use of hydraulic fracturing to increase the yield in ground source heat pump systems in crystalline bedrock by creating a larger heat exchange area in the bedrock. It reports pilot tests using water-only hydraulic fracturing and hydraulic fracturing with the injection of sand. The use of sand as a propping agent appears to be more necessary in fractures with high counter pressures (>40 bars). The particle size of the sand should be adjusted to the counter pressure; for fractures with lower counter pressures a coarser sand is recommended.      

Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing in laboratory and field

In the hydraulic fracturing tests, water was injected into four kinds of granitic rock specimens with different grain sizes. The fault plane solutions of acoustic emission (AE) indicated that the shear fracturing is dominant in the specimens with larger grains whereas the tensile fracturing is dominant in those of smaller grains. In addition, the experiments were conducted in granitic rock specimens of the same kind, under three different conditions: injection of water, injection of viscous oil and pressurization via a urethane sleeve. The shear fracturing was dominant due to water injection and the pressurization whereas the tensile fracturing was dominant due to viscous oil injection. Further in a field, AE was monitored by a borehole sonde in the hydraulic fracturing to measure rock stress. The AE count rates increased with closing and reopening hydraulically induced cracks. The result suggested that AE monitoring could improve the reliability and the accuracy of hydraulic fracturing stress measurements.     

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。     

CO2–水两相条件下砂岩致裂特征与有效应力模型的试验研究

 CO2–水两相条件下的岩石力学行为是CO2地质封存中的关键科学问题之一。利用自主研发的厚壁圆筒式两相致裂仪进行CO2–水两相条件下砂岩压裂试验,并研究CO2–水两相有效应力模型。通过向试样加载内压、围压和轴压形成与井壁围岩类似的最小主应力为负的真三轴应力状态,采用半透隔板法进行CO2驱水试验以精确控制试样孔隙中CO2–水两相流体的组分压力和饱和度,最后通过内压致裂试样获得致裂压力。还进行了不同有效围压下含单相水孔流试样的致裂试验,得到其致裂压与有效围压的拟合函数。为研究CO2–水两相有效应力模型,选用4种可应用于岩石的非饱和介质有效应力公式与拟合函数联立推导得到破裂压力预测模型,与试验结果对比以间接验证这4种有效应力公式对于表征CO2–水两相流体条件下有效应力的适用性。结果表明,考虑Biot系数的Bishop非饱和有效应力模型能够较好地描述CO2–水两相流体下所测试砂岩的张性开裂行为,可直接作为CO2–水两相有效应力模型使用。     

砂土环剪力学特性与数值模拟

鉴于常规直剪仪与三轴仪等受其应变范围所限,本文首先利用环剪仪开展干砂环剪试验,通过控制剪切速度与固结压力,获得了不同条件下的干砂剪切强度,试验结果证明剪切速度与固结压力对干砂残余强度影响较大,几乎呈线性关系。根据砂土剪切强度,进一步获得不同围压和剪切速率条件下的表观黏度系数。然后从微观角度入手,通过运用一种新型力学方法——分子动力学方法(简称MD)分析了低围压下砂土的流动特性,进而验证了分子动力学数值模拟方法在砂土流动问题中的适用性,有利于进一步提高防治土体大变形流动灾害的研究水平,具有重要的现实意义。     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。     

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。     

厚壁圆筒式两相流体致裂仪研制

 两相条件下岩石强度是重要力学参数,是CO2地质封存、油气田开发、非常规能源开采等工程中压裂增采与安全控制共性科学问题。厚壁圆筒式两相流体致裂仪的开发,可以对含有两相流体的厚壁圆筒试件施加不同内压、轴压、围压和孔隙压力的应力组合,实现两相条件下岩石拉破坏试验控制。该研究解决了试验过程中温度稳定、饱和度控制、内压和孔隙压力密封性等技术问题。为检验仪器的性能,采用某砂岩进行可重复性验证试验、两相流体条件下致裂试验和不同应力路径下致裂试验。试验结果表明：致裂仪的温度及压力稳定性好,控制精度高,试验结果可重复性强,可以为两相流体岩石拉剪破坏特性研究提供新的手段。