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。     

压裂中水力裂缝穿过天然裂缝判断准则

为准确预测水力压裂过程中水力裂缝是否会穿过天然裂缝及其穿出方向,基于弹性力学理论,建立了水力裂缝穿过天然裂缝的判断准则,并给出了水力裂缝穿出天然裂缝时穿出角度的计算方法。计算结果表明：在给定逼近角下对应有确定的水力裂缝穿过天然裂缝所需的水平主应力比值范围,超过或低于这个范围水力裂缝将不能穿过天然裂缝;高逼近角及高水平主应力比值下水力裂缝易直接穿过天然裂缝;在相同逼近角下,水平主应力比值越大,穿出方向总是倾向于靠近增大的水平主应力方向。     

考虑天然裂缝的页岩储层体积压裂数值模拟

为了更真实地模拟页岩储层水平井体积压裂,采用擅长处理非连续结构问题的离散元方法,利用三维离散元程序(three dimension distinct element code,3DEC)及其内嵌fish语言建立表征天然裂缝的离散裂缝网络(discrete fractal network,DFN),并考虑流固藕合建立水力裂缝与复杂DFN相互作用的页岩水平井体积压裂数值计算模型。利用该模型计算分析了水力裂缝在存在DFN情况下的行为、同段多簇同时压裂裂缝形态和簇间距对裂缝网络形态以及破裂模式的影响。结果表明,水力裂缝会沟通天然裂缝产生分支缝;分簇数越多,改造所波及的范围越大,且由于簇间裂缝诱导应力互相干扰,同一段内的压裂簇所形成的裂缝形态可能相差较大;一定范围内,簇间距小沟通DFN彻底,簇间距大剪切滑移多,裂缝网络体积大,但不利铺砂。模拟结果可为进一步认识页岩储层体积压裂裂缝行为研究提供指导。     

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。     

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。     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。     

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。     

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。     

裂隙岩体同步压裂干扰机制的数值模拟研究

为认清裂隙岩体中同步压裂的应力扰动规律,指导页岩气储层压裂的优化设计,应用基于有限元的RFPA^2D-Flow软件,首先对配对井相同压裂段间裂缝静、动态诱导应力扰动机制进行研究,随后研究了天然裂缝对水力裂缝的影响机制,并对裂隙岩体的同步压裂进行模拟。结果表明,相向延伸水力裂缝的诱导应力相互叠加,其对地应力场产生的扰动作用相对单井裂缝更加明显。水平主应力差较小时,配对井相同压裂段裂缝在相向延伸过程中相互吸引的趋势越明显,分支缝越多;小主应力差、小逼近角且高脆性矿物充填的天然裂缝更易使水力裂缝转向;对于非完全充填雁列式裂缝型储层,大主应力方位与天然裂缝呈30°至60°夹角时,天然裂缝起裂及失稳压力适中,可有效降低施工难度,同时该角度范围也利于一定数量的分支缝形成。同步压裂技术可对目标储层实现充分改造,具有良好应用前景。     

近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验

以带不同尺寸裂缝的混凝土块模拟采动裂缝岩体,以黏土、粉土、粗砂和砾砂配制不同颗粒组成的7种土样,采用改装的渗透仪,对松散层经过采煤上覆垮落带和裂缝带发生渗透变形破坏的类型和机制进行研究,得出采煤垮落带和裂缝带上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系.试验结果表明,黏粒含量较少的粉土、粗砂、砾砂比较容易发生水砂突涌,土的d50小于裂隙宽度的1/10时,容易出现潜蚀甚至涌(突)砂现象;当临界水力坡度大于1时,同一种颗粒组成的土样重度越大,液性指数越小,土的黏聚力越大,则临界水力坡度越大;同一种土样发生通过裂缝的渗透变形破坏时,裂隙宽度越大,临界水力坡度越小,发生破坏的临界水力坡度随裂缝宽度的增大呈指数下降.试验还获得溃砂时水砂涌出量与裂缝的宽度和初始水头高度的关系,在相同初始水头条件下,随着突砂口尺寸的加大,突砂量基本呈线性增加;在相同突砂口张开的情况下,涌砂量随着初始水头增大而增大.发生水砂突涌的涌出物中含砂量随时间延续逐渐减少.由此可见,含水层的初始水头和突砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因素.     

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。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验分析

本文主要采用的是大尺寸的三轴试验系统对页岩进行水力压裂的裂缝扩展实验,通过对压裂后裂缝延伸路径的观察,结合页岩内部实际水力压裂裂缝经过工业CT的扫描,研究出了各种外界因素对页岩压裂裂缝扩展规律的影响。从研究的结果中可以看出,对缝网复杂度的影响排量起到了一定的作用;应力差越大,也就是主裂缝与更多的天然裂缝相连,使缝网更加复杂;岩层的层理和胶结构强度等都会影响到压裂缝网的复杂度;水力压裂可能会使页岩层理分张,形成水平缝与垂直缝的交叉,产生体积裂缝缝网。     

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。     

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。     

考虑应力敏感和水力裂缝方位角的页岩产能模型

产能预测对页岩气的高效合理开发有着重要的作用,而目前国内外对于页岩气分段压裂水平井产能的研究没有同时考虑到天然裂缝应力敏感和水力裂缝形态及渗流特征对产能的影响。为此,根据双重介质渗流理论,综合考虑了页岩储层的吸附解吸、扩散运移、天然裂缝的应力敏感效应,建立了页岩储层渗流模型;同时考虑水力裂缝的有限导流能力、裂缝方位角等因素,利用点源函数方法将裂缝离散,之后叠加建立水力裂缝模型,最后将两种模型耦合得到页岩气藏压力水平井不稳定渗流模型和产能模型。根据已建立的页岩气压裂水平井产能模型,编程计算出产能特征曲线;通过对比模拟结果分析出,与实例类似的页岩气压裂水平井的最优水力裂缝导流能为15～18 D·cm,最优缝长分布方式为外高内低的U型,最优水力裂缝间距分布为等间距分布;模拟结果与页岩气井的现场数据的对比,也验证了该模型的准确性。该研究对页岩气开发有着重要的指导意义。     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

清水压裂裂缝闭合形态的力学分析

 近年来,清水压裂以其现场施工简单、压裂成本低等优点受到人们的广泛关注,并且在一些低渗透油层已经取得了明显的压裂增产效果。尽管人们已经认识到清水压裂的效果主要来源于裂缝面的粗糙性和相对剪切错动,但对于清水压裂裂缝的闭合形态等理论问题研究得不多,也缺乏有效的理论指导现场施工。在充分调研国内外相关文献的基础上,从分析清水压裂的裂缝特征入手,从力学角度就清水压裂的裂缝闭合形态等问题进行分析研究,建立清水压裂情况下局部裂缝张开、裂缝面错动和裂缝面抗剪能力的计算模型,深入揭示清水压裂油井增产的机制和原因,为今后清水压裂施工设计提供理论依据。     

硬性结构面的剪切流变模型及试验数值分析

采用广义Kelvin模型、Burgers模型和六元件黏弹性流变模型,分别对硬性结构面的剪切蠕变曲线进行拟合分析,并对FLAC3D中的interface单元进行修正,提出硬性结构面的剪切流变模型及剪切蠕变试验的数值分析方法。研究结果表明:六元件剪切流变模型适合用于硬性结构面的剪切蠕变特性分析;当结构面的爬坡角小于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而增加,而当爬坡角大于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而减小;当法向应力不变时,剪切蠕变变形将随着剪切应力的逐渐增加而增加;当切向应力不变时,剪切蠕变变形将随着法向应力的逐渐增加而减小。     

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。     

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。