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。     

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。     

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。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

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。     

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。     

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。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

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。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验分析

本文主要采用的是大尺寸的三轴试验系统对页岩进行水力压裂的裂缝扩展实验,通过对压裂后裂缝延伸路径的观察,结合页岩内部实际水力压裂裂缝经过工业CT的扫描,研究出了各种外界因素对页岩压裂裂缝扩展规律的影响。从研究的结果中可以看出,对缝网复杂度的影响排量起到了一定的作用;应力差越大,也就是主裂缝与更多的天然裂缝相连,使缝网更加复杂;岩层的层理和胶结构强度等都会影响到压裂缝网的复杂度;水力压裂可能会使页岩层理分张,形成水平缝与垂直缝的交叉,产生体积裂缝缝网。     

Moment tensor evaluation of acoustic emission sources in salt rock

Various moment tensor methods are applied to acoustic emission (AE) events which were recorded during a series of hydraulic fracturing tests in salt rock. The first two methods are absolute moment tensor methods using peak-to-peak amplitudes and its polarities and full waveforms of compressional and shear waves. The second two methods are relative methods with reference and without reference mechanisms. All methods yield similar source mechanisms with a major double-couple component. A comparison of the macroscopic fracture plane orientation as indicated by AE source locations with the results of FEM stress calculations shows that the macroscopic fracture planes coincide with the direction of the maximum principal stress. On the other hand, the orientation of microcracks as calculated by our moment tensor evaluation does not coincide with the orientation of the macroscopic fracture planes.     

2D-numerical analysis of hydraulic fracturing in heterogeneous geo-materials

A geo-material failure process analysis (F-RFPA2D), considering the coupling of stress distribution, fluid flow, and element damage evolution, is used to investigate the mechanisms of crack initiation and propagation around a 2-D cylindrical cavity in heterogeneous stiff soils during hydraulic fracturing. A large number of numerical analysis on hydraulic fracturing in stiff soil with pre-existing injection cavity have been carried out to study the mechanism of hydraulic fracturing in stiff soil. In addition, the characteristic of acoustic emission (AE) due to hydraulic fractures are studied by numerical simulations. The results provide a better understanding of the crack initiation and propagation mechanisms during hydrofracturing. The simulation software package can be a powerful tool for study of soil behavior during hydraulic fractures.     

人为弱面对坚硬难垮顶板水力压裂的影响研究

弱面对水压裂隙的扩展有着重要影响,为达到有效控制坚硬难跨顶板,需要研究人为弱面对水力压裂的影响。根据水压裂隙产生及扩展机理,运用数值模拟试验方法,通过声发射及剪应力分布研究了3种人为弱面影响下的水力压裂过程中裂隙扩展特征,对比分析了 7种压裂方式下的水力压裂数据。结果表明:预制裂隙开挖形成的层理弱面和监测孔开挖形成的应力卸压圈均能影响水压裂隙的扩展,在扩展方向上水压裂隙往往偏向于高孔隙水压力的区域扩展,且其在扩展一段之后受顶板自由面影响,主裂隙向工作面两端延伸4.5~8.5倍孔径的区域时会发生近90°的空间转向。水力压裂数据研究表明,预制裂隙和监测孔协同作用强化了控制坚硬难垮顶板的效果。     

利用岩石的Kaiser效应测定储层地应力

 用单轴压缩试验测试岩石Kaiser效应特征,进而确定岩体地应力状态的方法,在岩体工程实践中得到广泛的应用。长庆靖安油田长6储层属于低孔低渗储层,需要进行水力压裂后才能得到高效地开发,为此必须研究该储层的地应力。用岩石的Kaiser效应,结合岩芯古地磁定向来研究储层19口井的地应力。研究结果表明,岩石声发射得到的最小主应力与水压致裂瞬时停泵法进行比较,大小吻合较好,而用岩芯古地磁定向结合岩石的声发射测试,能准确测定出地层中主应力分布的方向,与地层倾角测井解释成果比较接近。     

水力加砂压裂试验装置的研制及应用

为研究非常规天然气开采过程中支撑剂的运移规律,自主研发水力加砂压裂试验装置。该装置主要由岩石三轴试验机、压裂液泵压伺服控制系统、声发射监测系统3个部分组成,且具有以下特点:1可以模拟不同地应力、不同排量条件下携砂压裂试验;2压裂液注入可以通过流量模式和压力模式控制;3改进的声发射探头具有耐高油压性能,能够用于三轴室内。采用该装置进行了不同地应力、不同排量以及携砂条件下水力压裂试验,结果显示:地压力越大、排量越大红色砂岩起裂压力越大;携砂压裂后的压裂面离裸眼越远,支撑剂浓度越低且支撑剂并不是遍布所有压裂面;声发射累计计数在初期比较稳定,呈线性增加,在起裂前迅速增多。     

A novel true triaxial test system for microwave-induced fracturing of hard rocks

This study introduces a test system for microwave-induced fracturing of hard rocks under true triaxial stress. The test system comprises a true triaxial stress loading system, an open-ended microwaveinduced fracturing system, a data acquisition system, an acoustic emission(AE) monitoring system, and an auxiliary specimen loading system. Microwave-induced surface and borehole fracturing tests under true triaxial stress were fulfilled for the first time, which overcomes the problem of microwave leakage in the coupling loading of true triaxial stress and microwave. By developing the dynamic monitoring system, the thermal response and fracture evolution were obtained during microwave irradiation. The monitoring system includes the infrared thermometry technique for monitoring rock surface temperature, the distributed optic fiber sensing technique for monitoring temperature in borehole in rock, the AE technique and two-dimensional digital speckle correlation technique for monitoring the evolution of thermal damage and the rock fracturing process. To validate the advantages of the test system and investigate the characteristics of microwave-induced fracturing of hard rocks, the study demonstrates the experimental methods and results for microwave-induced surface and borehole fracturing under true triaxial stress. The results show that thermal cracking presented intermittent characteristics(calm eactiveecalm) during microwave-induced surface and borehole fracturing of basalt. In addition, true triaxial stress can inhibit the development and distribution of thermal cracks during microwave-induced surface fracturing. When microwave-induced borehole fracturing occurs, it promotes the distribution of thermal cracks in rock, but inhibits the width of cracks. The results also prove the reliability of the test system.     

基于非平衡统计的塌陷区岩体断裂失稳声发射信号分析

尝试利用裂隙演化的非平衡统计理论对岩体断裂的非线性动力学问题进行简单描述，借助统计理论和扫描电镜(SEM)手段，对塌陷区围岩断裂失稳的声发射信号的特征参数进行系统分析，为塌陷区失稳位置的反演和准确推断提供了依据。     

Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission

In highly stressed conditions, the excavation damaged zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the deformation and fracture characteristics of rock must be investigated. In this study, the fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by moment tensor analysis, as well as by the moving point regression technique, both of which were applied to acoustic emission (AE) and strain data obtained from triaxial compression tests. Damage thresholds before the peak strength of rock under triaxial compression were determined by the moving point regression technique using acoustic emission data. The results showed that damage thresholds, except the crack closure stress, increased linearly with confining pressure. The results of the moment tensor analysis showed that shear failure was a major microscopic failure mechanism of rock under triaxial compression. In addition, shear failure became more dominant as the confining pressure increased. In this analysis, the expression of the damage magnitudes in each AE source as relative crack volumes leads to accurate prediction of macroscopic failure mechanisms, as well as major failure planes in the rock. In addition, the orientation of the macroscopic failure plane could be estimated by the orientational distribution of microcracks.     

水压致裂法测定岩石的断裂韧性

提出了一个利用液体压力对空心厚壁圆柱形岩样进行压裂而测定岩石断裂韧性的简单方法，在自行设计加工的岩样制备和断裂韧性测试装置上，对部分砂、页岩试样进行了测试。通过对岩样破裂面和声发射曲线的分析，对水力压裂过程中岩石破裂的有关机理进行了探讨。