裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

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。     

滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

基于岩石超低温破裂机理的液氮辅助重复压裂研究

为提高重复压裂裂缝复杂程度,基于超低温作用对岩石物理力学性质的影响,提出了液氮辅助重复压裂技术,并开展了超低温条件下的岩石物理力学性质试验和液氮辅助重复压裂模拟试验。试验发现超低温作用后岩石的剪切强度、抗拉强度以及I型断裂韧性均明显减小;液氮浸泡后岩石表面产生大量微裂缝;液氮辅助重复压裂裂缝没有沿老裂缝延伸,而是发生了转向和分叉,裂缝形态更加复杂。试验结果表明,超低温作用对岩石物理力学性质影响显著,液氮辅助重复压裂技术可以大幅提高重复压裂裂缝复杂程度。     

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。     

花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

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。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

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。     

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。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

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。     

水力压裂时岩石破裂压力数值计算

 以多孔介质流体渗流与岩石应力–应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

燃爆强加载条件下油井破裂压力试验研究

 针对燃爆压裂设计中难以定量确定强动载条件下破裂压力的问题,利用“岩石动态损伤模拟试验装置”对3种抗拉强度岩心进行5种加载速率下的19组岩石冲击开裂试验;经试验验证该装置可模拟定压供给边界条件下中心一裸眼井的油藏条件,并直接对小型岩心试样中模拟井孔进行水压冲击破岩试验,且可形成153.17 MPa/ms以内的加载速率,完全可以模拟燃爆压裂的实际情况。经过对试验数据回归分析,发现动/静破裂压力差值与加载速率呈现很好的对数关系,经验证该回归模型计算误差为0.95%,具有较高精度;该研究成果可为燃爆压裂设计中的最低峰值压力确定提供指导,对提高该增产措施的普适性和成功率具有一定指导意义。     

液氮超低温诱导岩石类材料裂缝形成机制研究

液氮压裂是一种采用温度极低的液氮对储层进行压裂的方法。与常规压裂方式不同,液氮的超低温作用会使得储层岩石温度急剧降低,产生强烈的温度应力,诱导储层岩石产生裂缝。为探究液氮超低温作用诱导岩石裂缝的起裂和扩展机制,分别对裸眼井筒、预制裂缝和水力裂缝进行液氮超低温冲击作用模拟实验,获得诱导裂缝分布特征,并测量超低温冲击作用过程中井筒径向和预置裂缝法向温度场变化,研究最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则,判定超低温诱导裂缝扩展范围的适用性。结果表明,超低温诱导裂缝主要垂直于裸眼井筒井壁、预制裂缝和水力裂缝等已有裂缝面起裂,且诱导裂缝两侧同样会出现垂直于诱导裂缝起裂的次级诱导裂缝,形成复杂裂缝网络。根据超低温诱导裂缝扩展尺度的实验结果,提出采用最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则分别判定诱导裂缝扩展长度下限和上限的方法。此外,提出水力压裂结合液氮压裂改造储层的方法,并进行实验验证。研究结果为液氮压裂可行性和设计提供了依据。     

瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。     

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。