不同水压增量下单孔页岩数值模拟研究

页岩储层的脆性矿物含量和分布是影响水力裂缝扩展的主控因素之一,为探究流固耦合作用下单孔页岩水压致裂过程中裂缝扩展规律,利用RFPA2D-Flow页岩破裂分析软件建立7组不同水压增量的数值模型,进行水力压裂数值模拟计算。研究表明：在加载过程中初始裂纹从单孔页岩孔周开始沿着页岩基质和石英交界最薄弱部位先产生微裂纹,裂纹沿着石英颗粒边缘扩展,其最终破坏模式可分为斜Y型和斜X型;由于围压和水压力耦合作用下,破坏过程出现两次损伤劣化,水压增量为0.45 MPa·step^-1时,页岩损伤破坏应力最大,损伤破坏值为60.97 MPa。随着应力水平的增大,裂缝率大致呈增大的趋势,当内部应力平衡被打破时,页岩产生的微裂缝会被压密,当水力压裂增量为0.45 MPa·step^-1时,裂缝率达到最大值。     

FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

液氮致裂层理煤体热–流–固–损伤耦合模型及数值模拟研究

煤体原生层理对煤体力学性质有显著影响,为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固–损伤耦合模型,并利用COMSOL软件模拟获得不同应力比下液氮致裂层理煤体裂纹扩展分布特征,分析压裂过程中煤体损伤、渗透率和温度的演化规律。结果表明：液氮注入煤体初期(5 s),钻孔附近与液氮接触煤体温度急剧下降形成小范围超低温区,产生的热应力超过煤体抗拉强度,在钻孔周围产生损伤破坏区域。随着液氮注入压力增加,煤体内部出现多条主裂纹,主裂纹主要沿层理方向发育并生成次生裂隙,且钻孔周围形成复杂破坏区域,煤体损伤开始增大,渗透率也随之增加;注入压力持续增加煤体进入失稳阶段,煤样内部大量裂纹贯通,煤体发生破坏,煤体损伤和渗透率也逐渐达到峰值。煤体损伤、裂隙压力与渗透率随着煤体层理角度增加呈增加后减小趋势,层理角度为45°时达到最大值;煤体损伤、裂隙压力与渗透率在应力比为0.5时达到最大,应力比从0.5增大到1时大幅减小,应力比超过1后逐渐趋于平稳。层理对煤体液氮压裂的起裂压力影响显著,不同层理角度条件下煤体液氮压裂起裂压力变化规律相似,随层理角度增加,起裂压力呈...     

高温作用下五峰组–龙马溪组页岩动力学特征及损伤演化规律研究

甲烷原位燃爆压裂是一项变革性页岩气储层压裂改造技术，压裂过程井周储层受到高温–冲击波协同作用，研究高温作用下页岩动力学特征及损伤演化，对揭示页岩储层燃爆压裂的致裂增透规律具有重要意义。综合运用热重分析仪、马弗炉、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)技术，对经历不同高温热损伤的页岩试样进行动态冲击实验，得到了页岩动力学特征随温度的演化规律，构建考虑热损伤和压密阶段的页岩动态损伤本构模型，并通过实验数据进行验证，最后利用扫描电镜(SEM)分析高温作用下页岩动力学特性演化的微观损伤机制。结果表明，随温度升高，页岩表面逐渐出现连通裂隙，且高温热效应导致该页岩中水分散失，黏土矿物改性，白云石、方解石等主要碳酸盐矿物热分解，孔、裂隙结构发育连通，综合导致随温度升高页岩损伤劣化作用明显。试样动态冲击破碎形态随温度升高逐渐由单一裂缝转变为粉碎型破坏，碎块平均粒度、动态抗压强度和弹性模量先小幅增大，随后迅速降低；破碎分形维数、平均应变率和能量吸收比先降低后升高，700℃高温作用下页岩动力学特性显著劣化。这说明，燃爆压裂的高温–冲击波协同作用有利于构建页岩储层井周...     

基于脉冲致裂储层的改造新技术研究

针对水平层理发育、地应力差值大或天然裂缝不发育的非常规储层,常规水力压裂技术实现复杂裂缝的难度大,改造效果不理想,探索一种新型动力学脉冲致裂岩石的改造技术。首先建立脉冲致裂试验装置,实现对三向就地应力场的独立加载,以及脉冲致裂和水力压裂模拟技术的结合。利用龙马溪组页岩露头开展大尺度(762mm×762 mm×914 mm)试验,直观揭示脉冲致裂裂缝形态及延伸规律;在试验数据基础上,建立更优化的数值模型,并对影响裂纹延伸距离的因素进行量化分析。结果表明:脉冲冲击波能够在页岩储层形成多方向复杂致裂裂纹,同时不会对井筒产生破坏;提高冲击能量可明显提高页岩储层致裂效果,但冲击次数存在合理的设计区间;与常规压裂模式相比,脉冲致裂与水力压裂复合的改造新模式更易形成复杂水力裂缝形态,有利于提高储层垂向和平面动用程度,在非常规储层开发中具有良好应用前景。     

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。     

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。     

水力压裂裂缝相互干扰应力阴影效应理论分析

针对油气田水力压裂工程中多裂缝相互干扰应力阴影效应问题,引入三类断裂力学干扰因子,采用权函数理论求解有限尺度地层剖面内部裂缝尖端应力强度因子,分析裂缝干扰与竞争起裂行为。研究结果表明:(1)基于权函数理论所得应力强度因子精度高于采用传统无限大裂缝模型所得应力强度因子;(2)提高破裂压力以增大应力阴影效应作用范围受局限,破裂压力达临界值时,扰动因子出现奇异性最值;(3)应力阴影效应对裂缝间距变化非常敏感,距离直井双翼裂缝扩展总长度一半位置相互干扰行为更加显著;(4)裂缝应力阴影效应随垂直地应力增大呈线性规律增强;(5)裂缝扩展角度变化造成裂缝相互干扰规律极其复杂,并依赖于破裂压力、诱导应力及地应力变化;(6)应力强度因子为负值的特殊闭合裂缝与常规水力裂缝干扰规律明显不同,干扰因子对定量分析闭合裂缝扰动也具有作用;(7)破裂压力与诱导应力交替作用可导致非等长裂缝竞争起裂效果产生差异性转变。研究结果在页岩油气、薄差油层及干热岩等资源开发的水力压裂工程中定量分析多裂缝干扰力学行为具有参考意义。     

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。     

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。     

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。     

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。     

超临界CO_2/清水压裂煤体起裂和裂缝扩展试验研究

为了探究超临界CO_2与清水压裂煤体的压裂效果,运用TCHFSM–I型大尺寸真三轴压裂渗流装置,对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm煤试样施加三轴压力来模拟煤系地层压裂过程,结合压裂理论基础和试验数据,对比分析了压力–时间曲线、表面裂缝形态及裂缝宽度,结果表明:相比于清水压裂,相同的3种三轴压力条件下,超临界CO_2压裂更容易起裂,起裂压力分别减小了28.3%,28.0%,27.4%,且随着约束压力的增大,减少比例逐渐减小;超临界CO_2压裂能够生成明显的层理裂缝及分叉裂缝,其数量越多主裂缝扩展范围越小;压裂过程中超临界CO_2易渗透到煤样内部的层理裂隙及微孔裂隙内导致压力变化迟缓,而且试样破裂后压力不易保持,裂缝宽度较狭窄;清水压裂的裂缝宽度集中分布于0.450～0.650 mm和1.250 mm区间,而超临界CO_2的裂缝宽度集中分布于0.050～0.250 mm区间,两者相差3～6倍,对于局部分叉裂缝及层理裂缝,甚至相差2个数量级左右。     

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。     

多场耦合作用下页岩渗透特性实验研究

页岩气开采过程,其储层页岩渗透率受多重因素的影响。采用自主研发的多场耦合作用下不同相态CO₂致裂驱替CH₄实验装置,实验研究了有效应力、孔隙压力、温度以及吸附膨胀效应等因素对裂隙页岩体与型岩渗透特性的影响。结果表明:(1)页岩渗透率随有效应力增加呈负指数关系减小,且型岩对于有效应力变化具有更强的敏感性;(2)在相同应力状态下,由于吸附引起的差异性膨胀效应会降低页岩渗透率,不同气体作用下测得的页岩渗透率表现为He＞N₂＞CO₂。(3)两种页岩中渗透率随孔隙压力变化规律具有差异性。SC-CO₂致裂页岩在低压条件下Klingkenberg效应不明显,渗透率随平均孔隙压力的增大而增大,型岩在低压阶段由于Klingkenberg效应对渗透率变化起主导作用,随着孔隙压力增加,其渗透率降低,在达到极小值后,随着孔隙压力的增加,Klingkenberg效应减弱,有效应力起主导作用,渗透率随孔隙压力增加而增加;(4)温度作用通过改变页岩的孔隙结构、力学性质等控制页岩渗透率的变化,随着温度增加,页岩渗透率降低。因此,在页岩气开采过程以及CO₂强化页岩气开采过程需要考虑多因素耦合作用对页岩渗透率的影响。     

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。     

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。     

高温条件下炮孔围岩爆炸冲击损伤特性研究EI北大核心CSCD

高温条件下脆性岩石的冲击损伤总体上反映了其开裂特性,对干热岩能源具有实际工程意义。通过对不同温度下花岗岩的霍普金森压杆破坏过程的模拟,得到能反映温度作用效应的HJC本构模型参数,研究不同温度条件下的花岗岩炮孔围岩的爆炸冲击损伤和开裂特性。结果表明,在爆炸冲击荷载作用下,炮孔周围的粉碎区对温度变化不敏感,而爆炸裂隙区在100℃温度时较常温显著增大,100℃~500℃范围则变化不大;其次,在保持爆炸冲击荷载峰值1 500 MPa不变的条件下,爆炸荷载加载速率增大,对常温围岩裂隙区有显著影响,而对高温围岩影响不明显;当爆炸荷载冲量增大或作用时间延长时,裂隙区范围显著增加,100℃~500℃范围高温围岩增加幅度更大。因此,在干热岩开采井下致裂过程中,为减小孔壁粉碎区、增大裂隙区范围,建议采用低爆速炸药,以控制炮孔周围粉碎区的范围,同时需增加装药量以延长荷载作用时间,从而增大裂隙区范围,达到更好的致裂效果。高地温虽然会在一定程度上影响炸药的冲击性能,但更有利于爆炸冲击致裂。     

岩石室内的水压致裂研究

本文根据石英粉砂岩、层凝灰岩、页岩三类岩石共97个试件的室内三轴水压致裂实验的研究,得到以下几点认识:(1)在水压致裂的全过程中,岩石的变形以环向为主.主破裂前σ-ε呈线性关系;致裂瞬间ε突然增大,σ-ε呈非线性,但岩石材料仍可视为弹性.(2)致裂时的应变速率随围压的增大而线性下降.(3)水压致裂法与劈裂法所得的岩石抗拉强度基本一致,前者略高.(4)低围压条件下试件致裂时的孔压差(孔压减围压)随围压的升高而升高,当围压超过某一值后,它却随围压的升高而降低.(5)岩石水压致裂所需的环向正应力(拉应力)随围压的升高而降低.(6)水压致裂的AE率图象与常规三轴的截然不同,前者反映张性破裂机制,后者反映剪性或压剪性破裂机制.(7) AE率图反映出水压致裂是沿一个或有限的几个面发生,而常规实验的破裂往往在全体积内发生.(8)水压致裂主要为张性破裂.许多张性总破裂由多次破裂组成.张破裂为环向正应力所致,由内孔壁沿径向扩展至外壁.     

二连盆地褐煤断裂行为加载率效应及对压裂裂缝调控的启示

室内试验尺度对煤岩断裂行为及加载率效应的认识同样有助于地下储层压裂过程中压裂裂缝延展规律分析及压裂造缝形式的调控。利用SHPB试验对采取自内蒙古二连盆地褐煤半圆弯曲试样在层理平行、层理垂直及层理斜交方向上的断裂行为及加载率效应开展研究，据此构建研究区褐煤储层水力压裂造缝模式。结果表明：二连盆地褐煤试样冲击下断裂过程包括弹性变形、断裂及卸载阶段；随加载率提升，试样断裂强度、断裂韧度随之线性增大，研究区褐煤断裂性能加载率效应非常显著。随加载率增大试样破碎程度加剧，层理平行型试样冲击下以层理剪切破碎形式为主，垂直层理及斜交层理试样以冲击压碎式破坏为主并形成大量煤粉，对煤层气排采较为不利。冲击下褐煤岩断裂方位基本与加载方位一致。同时随加载率增大，研究区褐煤断裂过程耗能线性增加。以上表明二连盆地褐煤断裂行为受外部加载率深刻控制。最后提出一种基于加载率效应的煤储层压裂造缝模式调控程序。其中深部应力主控型褐煤储层压裂，压裂中主要采取由近到远逐级增大加载率，而浅层由天然裂缝主控的褐煤储层压裂，压裂中由近到远逐级减小加载率的泵注程序，使压裂裂缝初期由应力主控，后期转为天然裂缝主控。形成近井地带主干裂缝，...