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。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

盐岩水压致裂溶解耦合数学模型与数值模拟

在建立岩盐水压致裂、溶解、固-流-传质耦合数学模型的基础上,对其进行了相应的数值模拟。数值模拟结果表明,在水力压裂过程中,岩盐水力裂缝呈扇形张开,其裂缝宽度与离开注水井口的距离及时间成非线性关系;随裂缝的扩展及裂缝宽度的变化,裂缝中压力在逐步降低同时向缝尖转移,同时裂缝具有阶段性扩展的特征;在压裂过程中,井口压力的实测结果与数值模拟结果吻合较好。     

储层非均质性对水力压裂裂缝扩展的影响研究

为了研究滤失和储层非均质性对水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展形态的影响,在前期建立的水力压裂流固耦合模型基础上,增加考虑多孔介质内流体流动,裂缝-孔隙间的流体交换和射孔流量分配的物理过程,形成了用于多簇射孔水力压裂裂缝扩展的裂缝-孔隙流固耦合模型,并数值模拟研究了致密砂岩气储层性质均质、非均质下水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展。研究发现:(1)滤失对中间簇射孔水力压裂裂缝扩展影响较大;(2)在储层均质情况下,多裂缝呈对称扩展,而在储层杨氏模量、抗拉强度、基质渗透率等非均质分布情况下,多裂缝呈非对称、非均匀扩展;(3)在储层复杂非均质情况下,四簇和三簇射孔水力压裂存在射孔簇过度改造、欠改造、甚至未起裂扩展的情况,尤其是在小间距条件下的四簇射孔。而两簇射孔水力压裂即使在间距较小时裂缝也能正常起裂扩展。因而,为了裂缝更多地有效扩展,在实际工程中,如果水力压裂密集施工,建议采取两簇射孔压裂;如果水力压裂不密集施工,兼顾施工成本建议采取三簇或四簇射孔压裂。     

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。     

基于微元法的低渗透储层定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型

为明确低渗透非常规油气储层定向射孔转向压裂改造过程中裂缝扩展轨迹及其偏转距离的变化规律,综合考虑水平地应力差、射孔参数、注液参数、地层力学参数等因素对水力裂缝偏转扩展的影响,建立基于微元法的定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型(MEM模型)。该模型通过VisualBasic语言编制的迭代运算程序完成缝尖微小步长增量与偏转角之间的循环迭代计算,实现对转向裂缝动态扩展过程的模拟。通过比较MEM模型计算的裂缝扩展轨迹与现场压裂微地震监测结果、XFEM模型计算结果及室内压裂试验结果之间的差异,验证MEM模型的准确性。以临兴区块石盒子组致密砂岩储层为例,研究各因素对裂缝扩展轨迹及其偏转距离的影响规律与机制。研究结果表明:不同因素下裂缝扩展轨迹的变化趋势基本一致,裂缝从射孔端起裂后逐渐向水平最大地应力方向偏转,偏转幅度先增大后减小;裂缝偏转距离随水平地应力差的增加呈负对数规律减小,随射孔方位角、注液速率及压裂液黏度的增加呈线性规律增大;射孔长度对裂缝偏转距离几乎没有影响。该模型和结论对进一步认识定向射孔转向压裂过程具有重要意义。     

斜井水力压裂过程中的缝间干扰力学机理研究

根据斜井水力压裂过程中的多裂缝扩展规律的调研,通过建立不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的模型,将位移不连续方法应用于斜井水力压裂过程中的力学干扰分析研究,同时在裂缝扩展准则上运用了修正了的能量释放率准则(G准则)--F准则进行裂缝间的裂缝扩展影响规律研究。根据不同裂缝缝长和不同裂缝分布关系的内外裂尖缝间干扰因子的模拟计算,结果表明:裂缝间距离越近受干扰程度越大,裂缝间的干扰不但有促进裂缝扩展的干扰也有阻止裂缝扩展的干扰。     

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。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。     

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。     

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。     

Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM

This paper presents an improved understanding of coupled hydro-thermo-mechanical(HTM) hydraulic fracturing of quasi-brittle rock using the bonded particle model(BPM) within the discrete element method(DEM). BPM has been recently extended by the authors to account for coupled convective econductive heat flow and transport, and to enable full hydro-thermal fluidesolid coupled modeling.The application of the work is on enhanced geothermal systems(EGSs), and hydraulic fracturing of hot dry rock(HDR) is studied in terms of the impact of temperature difference between rock and a flowing fracturing fluid. Micro-mechanical investigation of temperature and fracturing fluid effects on hydraulic fracturing damage in rocks is presented. It was found that fracture is shorter with pronounced secondary microcracking along the main fracture for the case when the convectiveeconductive thermal heat exchange is considered. First, the convection heat exchange during low-viscosity fluid infiltration in permeable rock around the wellbore causes significant rock cooling, where a finger-like fluid infiltration was observed. Second, fluid infiltration inhibits pressure rise during pumping and delays fracture initiation and propagation. Additionally, thermal damage occurs in the whole area around the wellbore due to rock cooling and cold fluid infiltration. The size of a damaged area around the wellbore increases with decreasing fluid dynamic viscosity. Fluid and rock compressibility ratio was found to have significant effect on the fracture propagation velocity.     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

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。     

水力压裂中的近井筒效应

针对目前水力压裂过程中遇到的有些井施工压力高、脱砂等一系列问题，在对近几年国外有关文献研究分析的基础上，给出了地应力和射孔对近井筒区域裂缝延伸影响的物理模拟和数值模拟研究成果。通过研究发现，水力裂缝方位不但与井筒在现场地应力场中的方位有关，而且主应力的大小也会影响到裂缝的延伸情况。研究中还给出了实际生产中如何诊断近井筒效应潜在的可能性以及应采取的措施。     

Fracture propagation in sandstone and slateeLaboratory experiments,acoustic emissions and fracture mechanics

Fracturing of highly anisotropic rocks is a problem often encountered in the stimulation of unconventional hydrocarbon or geothermal reservoirs by hydraulic fracturing. Fracture propagation in isotropic material is well understood but strictly isotropic rocks are rarely found in nature. This study aims at the examination of fracture initiation and propagation processes in a highly anisotropic rock, specifically slate. We performed a series of tensile fracturing laboratory experiments under uniaxial as well as triaxial loading. Cubic specimens with edge lengths of 150 mm and a central borehole with a diameter of13 mm were prepared from Fredeburg slate. An experiment using the rather isotropic Bebertal sandstone as a rather isotropic rock was also performed for comparison. Tensile fractures were generated using the sleeve fracturing technique, in which a polymer tube placed inside the borehole is pressurized to generate tensile fractures emanating from the borehole. In the uniaxial test series, the loading was varied in order to observe the transition from strength-dominated fracture propagation at low loading magnitudes to stress-dominated fracture propagation at high loading magnitudes.     

Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs

Hydraulic fracture propagation behavior and fracture geometry in naturally fractured reservoirs are studied through a series of servo-controlled tri-axial fracturing experiments. Three interaction types between induced fractures with pre-fracture were observed. Difference of horizontal stress, angle of approach and shear strength of pre-fracture were considered to control the fracture propagation behavior. With increasing shear strength of these pre-fractures, the area of arrested behavior also increased. The geometry of hydraulic fracture is mainly controlled by in-situ stress and natural fractures in natural reservoir. Two hydraulic fracture patterns were observed in different stress regimes. In a normal stress regime, it was found to cause fractures, with interacting branches because of pre-existing fracture. Tortuous fractures were found along the direction of fracture height when one of the horizontal stresses is the maximum principle stress.