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。     

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。     

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。     

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。     

压裂中天然裂缝剪切破坏机制研究

 采用理论分析、实验验证和算例分析研究裂缝性储层水力压裂过程中天然裂缝张开和剪切破坏机制。理论分析表明：水平主应力差、逼近角、裂缝面摩擦因数是影响天然裂缝剪切破坏的主要因素,在低应力差、低逼近角或者是摩擦因数较小的条件下,由于水力裂缝的影响,天然裂缝易发生剪切破坏;水平主应力差和近缝面岩石力学特性是影响天然裂缝张开程度的主要因素;试验结果表明,在低水平主应力差或低逼近角情况下,当水力裂缝与天然裂缝干扰后,闭合的天然裂缝张开,易发生剪切破坏;在高水平主应力差和高逼近角情况下,水力裂缝易直接穿过天然裂缝,天然裂缝仅仅被渗透,没有发生剪切破坏。通过算例分析,提出裂缝的张开边界和剪切破坏边界,阐述天然裂缝对流体的极限容量;分析表明逼近角越大,天然裂缝对压裂液的极限容量越小。     

基于弥散式裂缝模型的水力压裂研究

针对水力压裂数值模拟中传统分离式裂缝模型计算量大、需要预置裂缝及扩展路径等缺点,提出采用弥散式裂缝模型模拟水力压裂过程的解决办法,并根据流–固耦合理论,导出基于弥散裂缝的应力–渗流耦合方程,从而为实现在大尺度储层中模拟裂隙网络的演化提供参考。对混凝土试样进行水力压裂试验研究和基于弥散裂缝的数值分析,由2种方法得到的起裂值基本一致;试验和数值分析中,裂缝扩展主要受地应力影响,其方向垂直于水平最小地应力方向,最后在试件内形成主裂缝并贯穿整个试件。     

基于损伤理论双重介质水力压裂岩体劣化与孔渗特性变化理论研究

 首先,针对石油储层水力压裂岩体损伤机制,考虑岩体受载后基质孔隙和微裂缝体积均发生变化,采用基质孔隙和微裂缝体积变化分别定义岩体损伤和裂缝演化的张量型损伤变量,建立水力压裂岩体损伤模型;然后,假设水力压裂过程微裂缝动态演化满足Logistic分岔标准模型,建立基于损伤理论的微裂缝动态演化损伤模型,根据水力压裂能量守恒原理,确定岩体损伤演化过程体积应变和介质孔隙度、损伤变量的内在联系;最后,建立水力压裂岩体基质孔隙和微裂缝渗透张量演化模型。将新方法和传统方法通过模块程序导入有限元软件对吉林油田29–3,4生产井进行产能模拟,计算结果对比表明,基于损伤理论的新模型与实际情况吻合更好。     

大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析

采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件,对天然岩样和人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟实验,并实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监测。讨论了地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩展的影响。     

水力压裂中多孔岩体的等效弹性常数应用

水力压裂调研结果认为，地下岩体中所含随机分布孔隙能够影响水力压裂的造缝过程。将多孔岩石的孔隙简化成规则排列的球形孔洞，采用渐近均匀化方法建立了等效弹性常数随孔隙比变化的关系；与基于Budiallsky自治理论得到的有效弹性常数进行比较，两曲线能较好地吻合；为水力压裂法准确地预测出水力压裂的造缝结果提供了可行方案。     

多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统研制及验证

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,为真实模拟多簇压裂过程,了解段内多裂缝扩展规律及相互干扰机制,研制多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统.该试验系统在已有大型真三轴水力压裂试验系统的基础上设计多通道压裂井筒、复合包裹层状人工试样,增加多簇分流与监测系统、应变监测系统,具体特点如下:(1)多通道压裂井...     

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。     

水压致裂地应力测量中系统柔度影响试验研究

为了系统研究水压致裂测量中测试系统柔度的影响作用,利用新型水压致裂测试系统开展了现场试验。试验通过监测水压致裂测试过程中井口、压裂段和封隔器压力变化特征,分析了测试系统柔度对压裂参数和主应力的影响。结果表明,测试系统柔度影响会造成井口的压裂参数P_s,P_r,P_b和S_H值总体上大于压裂段对应结果。井口和压裂段的P_s,P_r,P_b,S_H之间的绝对差值分布范围分别为0～0.375,0～0.75,0.125～0.875和-0.25～0.875 MPa,相对差值分布范围分别为0～5%,0～6%,0～4%和0～5%。P_b绝对差值除受测试系统柔度影响控制外,还受地层力学性质和地应力水平影响,而测试系统柔度影响P_r绝对差值机制复杂,需要进一步补充流量数据分析。同时,利用新型水压致裂测试系统,提出了准确获取关闭压力的新方法——关闭试验法。试验数据表明,关闭试验法能有效消除测试系统柔度和管路摩...     

水力压裂体积张开度模型

水力压裂体积张开度是指水力作用引起的单位体积岩石内部张开体积大小,包括孔隙体积张开度和裂缝体积张开度,是进行水力压裂效果预测和评价的重要指标。为了建立孔隙–裂缝融合一体的水力压裂体积张开度模型,提出一个三阶段水力压裂体积张开演化过程模型,利用孔隙弹性力学理论和黏聚断裂损伤演化模型,建立三阶段的体积张开度演化表达式。通过将裂缝体积张开度与经典平行板裂缝张开宽度的演化规律进行匹配拟合,将断裂传播机制对裂缝张开度的影响纳入到体积张开度模型。该模型在孔裂隙的弹性张开网络中引入平行板裂缝,实现经典平行板裂缝理论与孔隙弹性理论的有机融合。作为实例,阐明在4种极限断裂传播机制下,如何利用该模型对水力压裂张开度进行评价和预测。     

动力水力压裂的相场模拟方法

 水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

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。     

基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型

 以改进刚体弹簧方法为基础,结合等效离散裂隙网络模型,提出二维岩石水压致裂模拟方法。水压和力学响应的相互作用通过Biot理论描述。同时,推导了弹性条件下厚壁圆筒水力耦合解析公式,通过与数值解的对比,验证了数值模型的准确性。将该数值模型用于平面应力条件下厚壁圆筒的水压致裂过程分析,重点探讨了Biot系数对水压致裂过程的影响。研究表明,Biot系数作为反映水力耦合效应的重要参数,对水压致裂过程中的位移和破坏强度有显著影响。     

原生裂隙对水压致裂应力测量结果的影响

以水压致裂原地应力测量实际测试结果为例,通过对测试记录曲线及地应力计算结果的分析,结合破裂的印模定向和钻孔超声波测试结果,讨论和分析了原生裂隙对水压致裂原地应力测量结果的影响,并对相关的数据处理方法提出了合理的建议。     

裂隙岩体的水力劈裂分析

随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、矿井采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多岩体工程稳定性研究者的关注。本文主要研究裂隙岩体的材料和力学特性以及裂隙岩体的数值模型与数值分析,并通过工程实例提出了作者的见解;最后展望了水力劈裂的前景和提出几个重要的待解决问题。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

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。