不同水压增量下单孔页岩数值模拟研究

页岩储层的脆性矿物含量和分布是影响水力裂缝扩展的主控因素之一,为探究流固耦合作用下单孔页岩水压致裂过程中裂缝扩展规律,利用RFPA2D-Flow页岩破裂分析软件建立7组不同水压增量的数值模型,进行水力压裂数值模拟计算。研究表明：在加载过程中初始裂纹从单孔页岩孔周开始沿着页岩基质和石英交界最薄弱部位先产生微裂纹,裂纹沿着石英颗粒边缘扩展,其最终破坏模式可分为斜Y型和斜X型;由于围压和水压力耦合作用下,破坏过程出现两次损伤劣化,水压增量为0.45 MPa·step^-1时,页岩损伤破坏应力最大,损伤破坏值为60.97 MPa。随着应力水平的增大,裂缝率大致呈增大的趋势,当内部应力平衡被打破时,页岩产生的微裂缝会被压密,当水力压裂增量为0.45 MPa·step^-1时,裂缝率达到最大值。     

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。     

页岩气储层定向射孔压裂裂缝转向影响因素分析

针对页岩气藏水力压裂过程中裂缝起裂、扩展和转向规律的认识尚不够清楚的问题,基于扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)建立了用于页岩气储层直井定向射孔水力压裂裂缝同步扩展和转向状况模拟的流-固耦合2D模型,分析了射孔方位角、压裂液注入速率、地层水平应力差异等因素对水力裂缝的起裂压力和转向半径的影响。研究结果表明:1)随着射孔方位角的增大,裂缝的起裂压力和转向半径均越来越大,不利于具有较好压裂改造效果的平直裂缝的形成;2)在较大的压裂液注入速率下,裂缝起裂压力较大,转向半径也较大,储层的压裂改造效果更好;3)对于地应力差异较大的储层,裂缝起裂压力会更小,裂缝转向会表现得更为显著。研究结果全面揭示了不同因素对裂缝起裂和转向的影响,可以为页岩气水力压裂设计提供参考和理论支持。     

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。     

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。     

钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现：在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。     

水、ScCO_2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究

为研究不同压裂条件下致裂煤体裂纹形态与形成机制,采用无烟煤试件在轴压/围压分别为12/10,14/10和16/10MPa下开展水力、ScCO_2压裂试验,综合运用显微CT和三维形貌扫描表征压裂后裂隙煤体的内部裂纹形态、裂纹面粗糙度特征,并讨论不同压裂条件下致裂煤体裂纹的起裂扩展机制。结果表明:ScCO_2压裂形成的裂纹数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高,显微CT得到的孔裂隙率表明ScCO_2压裂改造范围大于水力压裂;与水力压裂不同,ScCO_2压裂影响范围更大、释放的能量更多,导致裂纹网络趋于一次形成;水、ScCO_2压裂裂纹起裂扩展均受地应力状态、层理弱面的影响,只有垂向地应力差异系数大于0.6,才能产生纵向主裂纹,反之,产生横向主裂纹;采用最大拉应力理论能较好预测产生纵向裂纹的临界起裂压力,而基于莫尔–库仑理论推导的起裂准则,能较好预测水、ScCO_2致裂煤体下产生横向裂纹的临界起裂压力,相对误差在5%以内。     

煤岩组合体跨界面压裂及声发射响应特征试验研究

利用自行研制的"TCHFSM-I"型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,研究不同应力条件下煤岩组合体跨界面水力裂缝起裂、扩展规律,分析压裂过程中注液压力与声发射动态响应特征。结果表明:当轴向载荷与最小水平主应力差值≥6 MPa时,水力裂缝能够跨界面扩展进入煤体,形成贯穿型裂缝;反之,水力裂缝沿界面扩展。各试件水力裂缝跨界面扩展行为不同,其注液压力演化规律和声发射动态响应特征也存在差异。当水力裂缝扩展进入煤体时,注液压力呈现明显二次上升,声发射事件累计数占比显著提升,增幅达51.4%,且多位于煤体中;当水力裂缝沿界面扩展时,声发射累计数增幅量仅为6%,且注液压力无二次上升。此外,建立考虑交汇角度、界面摩擦、应力状态等因素作用的水力裂缝跨界面扩展模型,该模型能够很好地描述与预测水力裂缝跨界面扩展行为。研究结果可为煤层气高效开采提供技术指导。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。     

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。