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。     

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。     

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。     

陆相页岩储层水平井无限级压裂工艺优化

相较于传统压裂工艺，新型无限级滑套压裂技术在非常规储层改造上已被证实具有诸多优势，包括层级改造均匀和级数不受限制。然而，基于此压裂工艺的裂缝扩展和诱导应力分布的主控因素仍未厘清。为此，以陆相页岩储层为例，基于离散格子法建立多裂缝扩展模型。通过对比射孔压裂与无限级压裂在不同页岩岩性、层理参数、压裂施工参数下的裂缝形态，针对无限级压裂的裂缝扩展规律展开定性与定量分析。结果表明，复杂岩性、发育的层理弱面以及应力阴影效应是造成射孔分段压裂各级裂缝扩展不均的主要原因。相较之下，无限级压裂不仅能克服陆相页岩储层的层理缝影响，还能形成更多有效裂缝、更均匀的单簇裂缝改造体积。此工艺的改造效果受储层岩性、分簇设计、施工排量及起始簇几何尺寸影响。当簇间距过大、排量过高、起始簇半径过大时，无限级压裂的改造效果变差。2种压裂工艺所产生的沿井筒方向诱导应力场分布也不同，无限级压裂形成的裂缝诱导应力场会叠加进而影响后续压裂作业。研究成果可为我国陆相页岩储层压裂工艺优化提供理论支撑与技术指导。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而，到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此，对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明，页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致，因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力，与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的，这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外，对微裂纹长度的统计分析表明，页岩在断裂韧性方面表现出各向异性，并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Mesoscale fracture behavior of Longmaxi outcrop shale with different bedding angles:Experimental and numerical investigations

The mechanical properties and fracturing mechanism of shale containing beddings are critically important in shale gas exploitation and wellbore stability.To investigate the effects of shale bedding on crack behavior and fracturing mechanism,scanning electron microscope(SEM)with a loading system was employed to carry out three-point bending tests on Longmaxi outcrop shale.The crack initiation and propagation of Longmaxi shale were observed and recorded by taking photos during loading.The cracking paths were extracted to calculate the crack length through a MATLAB program.The peak load,fracture toughness and fracture energy all increase with the bedding angle from 0°to 90°.The crack length and energy were also found to increase with the bedding angle in the range of 0°-600 and then drop slightly.The fracturing mechanism of shale includes the main crack affected by the bedding angle and disturbed by randomly distributed particles.The main cracking path was accompanied by several microcrack branches which could form an interconnected crack system.When the main crack encounters larger sedimentary particles,it will deflect around the particles and then restore to the initial direction.A numerical technique using extended finite element method(XFEM)coupled with anisotropic cohesive damage criteria was developed,which is able to capture the dependence of crack propagations on bedding angle and sedimentary particles.This study sheds light on understanding and predicting mesoscale fracture behavior of shale with different bedding angles.     

页岩巴西劈裂裂缝形态评价及功率谱特征分析

定量评价页岩破坏的裂缝形态是评估水力压裂裂缝网络复杂程度的重要前提。通过对黑色页岩试件进行巴西劈裂试验,同时结合数字图像相关技术和声发射技术,建立声发射功率谱频带特征与页岩试件微损伤机制的对应关系,并对裂缝形态进行定量评价。结果表明：层理是页岩功率谱特征、微损伤机理、裂缝形态差异的根本原因。页岩基质张拉、剪切破坏引起高频声发射信号,页岩层理张拉、剪切破坏引起低频声发射信号。随层理与加载方向之间的夹角角度增加,主频、次主频逐渐从低频带向高频带扩散,且高低频数量比H：L也逐渐增加。0°页岩试件的H：L为4.28%∶95.72%,裂缝为直线形;30°和60°页岩试件的H：L分别为15.89%∶84.11%和36.93%∶63.07%,裂缝为圆弧形;90°页岩试件的H：L为93.85%：6.15%,形成圆弧-直线复合型裂缝。研究结果将为解析现场微震数据提供借鉴,为控制页岩储层水力压裂裂缝轨迹提供理论基础。     

注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。