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。     

水平井射孔压裂完井下控制近井筒裂缝复杂度的参数优化

水平井射孔压裂完井是开发非常规油气储层的关键手段,但水力裂缝在射孔孔眼的竞争起裂与近井筒的非平面扩展行为仍不明确。为此,以某页岩油储层HX井为例,结合离散格子方法建立三维全耦合螺旋射孔压裂数值模型,精细描述多孔眼裂缝竞争扩展中的相互干扰行为以及空间演化,系统研究水平主应力差、射孔密度和射孔相位角等关键因素影响下的水平井近井筒裂缝起裂与扩展行为,提出控制近井筒裂缝复杂度的工程措施建议。结果表明,在压裂初期,各射孔孔眼根部存在径向和横向的“十”型裂缝;随后在地应力的控制下,各孔眼的横向裂缝发生优势扩展而纵向裂缝扩展受到抑制;最后在相邻孔眼裂缝发生不同程度的沟通与连接下,在远井端形成了垂直于最小水平主应力方位的横向主裂缝。当水平井筒沿着最小水平主应力方位时,低水平主应力差、高射孔密度和低相位角有利于在近井筒形成简单连续的横向主裂缝,而高水平主应力差、低射孔密度和高相位角下由于各孔眼裂缝之间沟通困难,导致形成含多条分支缝的复杂裂缝。提出的三维全耦合射孔压裂数值模型有效地描述了多孔眼裂缝起裂与扩展行为,同时研究成果为通过优化射孔完井参数以降低近井筒裂缝复杂度提供了理论指导。     

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。     

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。     

薄互层储层水平井压裂裂缝延伸规律模拟分析

为尝试研究非均匀层状岩层中的复杂水力压裂裂缝延伸行为,以胜利油田某典型砂泥薄互层储层的水平井压裂为背景模型,利用基于有限元的数值模拟软件,开展了一系列水平井压裂裂缝延伸行为的数值模拟研究。在模拟中,表征远场地应力的模型围压、层理(界面)的强度和地层岩性是考虑的主要因素。数值模拟表明,水力压裂裂缝的延伸模式是远场地应力、界面性质及地层岩性的综合作用结果。裂缝延伸过程中遇到层间界面会出现偏转、分叉和钝化终止行为,总体可分为4类延伸模式:直接穿透、钝化、T型扩展、偏转。这些非平面、复杂裂缝并非体积压裂改造裂缝,因此,不但不利于油气的流动,而且也是压裂压力畸高、有效主裂缝长度减少甚至压裂失败的原因之一。数值模拟初步解释了裂缝延伸过程中应力演化及其与层间界面的相互作用机制,可望为水力压裂改造工程相关的设计与机理分析提供参考。     

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。     

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。     

液氮压裂作用下页岩破裂特征试验研究EI北大核心CSCD

液氮压裂作为一种新型无水压裂方法,有望为页岩气高效开发提供一条新途径。为揭示液氮压裂作用下页岩破裂特征,利用自主研制的试验装置开展了液氮压裂试验,获得不同初始温度及液氮处理方式下页岩的破裂压力及裂缝形态,在此基础上探讨液氮压裂对页岩的致裂机制,进而提出一种新的液氮压裂方法。研究表明,超低温液氮产生的热冲击效应会对页岩破裂压力及破裂模式造成显著影响,当页岩温度从室温(25℃)升高至80℃和150℃时,破裂压力分别降低22.58%和32.26%,破裂模式从室温状态下的沿初始弱面破坏转变成沿孔眼轴线的拉张破坏。经液氮低温处理页岩的破裂模式以随机分布的局部裂缝为主,局部裂缝的复杂性随页岩初始温度的升高而增大。在液氮低温冷冻状态下,由于页岩的渗透性的增大,在压裂过程中岩样表面出现了严重的漏气现象,破裂模式转变为开度较小的局部裂缝。液氮低温冷冻会导致页岩破裂压力升高,但能够降低流体进入页岩的难度,有利于页岩内压力的传递。液氮压裂可对页岩储层产生热冲击、低温损伤、冷冻开裂和压力致裂多重致裂效应,建议采用氮气压裂–液氮冷冻交替作业的施工方式,以充分发挥液氮的低温冷冻作用。     

煤系页岩储层多气共采水力裂缝扩展规律试验研究

多岩性组合煤系页岩储层在纵向上交替发育页岩、煤岩及灰岩等多类含气层,压裂后储层间的连通程度与裂缝复杂程度是决定多气共采成败的关键。通过制作模拟煤系页岩储层的多岩性组合层状岩石试样,开展真三轴压裂物理模拟试验,分析了水力裂缝纵向扩展形态及多因素影响规律。试验结果表明：岩性界面、页岩层理及煤岩割理等非连续结构面对水力裂缝垂向扩展具有显著抑制作用,水力裂缝缝高扩展往往呈非对称扩展模式;值为0.1的低垂向应力差系数更易被弱结构面捕获,高垂向应力差系数、高压裂液注入速率有利于裂缝垂向穿层扩展,水力裂缝穿透至煤岩中可激活割理系统形成复杂裂缝网络。试验结果证实了多岩性煤系页岩储层多气共采的可行性,研究结果亦可为认识煤系地层水力裂缝形态及指导现场压裂施工提供参考。     

应力波时延与结构面刚度的关联性分析

首先基于波动理论和非连续位移模型,推导倾斜入射P波在线弹性结构面处的透、反射关系式,得到的入射P波透、反射系数与结构面刚度之间的关系式与前人的结果一致。根据应力波的时延理论,进一步推导应力波透射线弹性结构面的相时延和群时延关系式。运用离散元法的数值软件UDEC模拟中心频率为100 Hz的高斯余弦应力波穿越单一节理与多条平行节理岩体,在此基础上分析应力波时延特征,并将该数值结果与相应的解析解进行比较。研究结果表明：(1)应力波垂直入射单一结构面的岩体模型后,利用未经滤波的透射波波形和包络线得到的应力波相时延与解析解基本一致,而群时延有一定差别;对透射波进行带宽为97～103 Hz滤波得到的相时延与群时延完全一致。(2)对存在多条平行结构面的岩体模型,当结构面间距大于1/2高斯余弦波波长λ时,经滤波后的群时延与解析解基本一致;当结构面间距小于1/2λ时,数值模拟得到相时延、群时延均与解析解相差很大。(3)透射波波前一般不会受到结构面多次反射波的干扰,在3种不同间距的结构面模型中利用透射波波前得到的初至波时延近乎相同,与单一结构面时初至波时延和结构面数量的乘积也相差不大。当结构面为线弹性体时,本文研究结果有助于利用应力波时延特征来预测结构面刚度或结构面数量。