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。     

焦石坝地区页岩气水平钻井井壁稳定性实验研究

为揭示涪陵焦石坝地区页岩储层井壁岩石垮塌失稳诱因,探索页岩气水平井井壁垮塌主要控制因素,应用室内力学实验测试方法,研究了井下应力环境下页岩岩体力学空间各向异性及层理缝面力学性质,并结合焦页1HF井水平井实钻井下复杂情况,探讨了页岩的独特力学特性及其影响井壁岩石垮塌失稳的力学机理。实验结果表明:焦石坝页岩岩体平行层理极为发育,层理缝面间力学强度弱,沿层理走向的页岩剪切强度远低于垂直层理走向;焦石坝地区页岩具有极强的力学参数各向异性,页岩的力学参数变化与取心方向密切相关,当取心方向与层理法向夹角β满足β=0°和β=90°时,页岩力学强度最高,在30°β90°范围内,页岩力学强度呈先减小后增加的趋势,β=60°时,页岩力学强度最低。该研究成功解释了涪陵焦石坝地区页岩水平钻井井壁岩石垮塌失稳的力学主控因素,为焦石坝地区页岩气水平钻井井身结构及工程参数优化设计奠定基础,具有较高的现场应用价值。     

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。     

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。     

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。     

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。     

页岩层理对水平井井壁稳定的影响

中国南方海相页岩气区硬脆性页岩储层层理/裂缝发育,层理性页岩水平井钻井井壁坍塌问题已严重制约页岩气勘探开发进程。为此,以线弹性井壁稳定力学模型和单一弱面强度理论为基础,建立了考虑页岩层理产状、层理弱面强度、岩石强度、水平井方位、强度弱化(含水量)等因素影响的层理性页岩水平井井壁稳定模型。在此基础上定量分析了层理产状和含水量对水平井井壁坍塌压力的影响。结果表明:坍塌压力与层理面产状、井眼方位关系密切,地层倾角0°<θDIP<15°、75°<θDIP<90°时有利于水平井井壁稳定;页岩层理弱化是导致井壁坍塌失稳的重要原因,无论层理产状如何变化,随着层理含水量的增加,井壁坍塌压力迅速增加,坍塌压力增量约为4.30～22.62MPa,含水量20%时坍塌压力增幅可达100%。     

直剪条件下页岩裂缝扩展演化机制研究

为深入认识页岩剪切裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应,通过直剪试验,系统研究不同法向应力下不同层理方位页岩剪切裂缝的扩展演化形态,探讨直剪过程中雁列状裂缝成核、扩展、连接及贯通后形成宏观剪切裂缝的力学机制及其层理方向效应。结果表明:(1)直剪时,剪切力诱导的张拉作用在剪切面附近产生雁列状微裂缝,而雁列状微裂缝的进一步扩展、连接及贯通等形成宏观剪切破裂带,剪切破裂带的宽度不均一,表现出明显的非均质性。(2)对层状页岩,直剪时一般沿层理形成雁列状裂缝,而层理的开裂程度与开裂方向与层理方位直接相关,表现出明显的层理方向效应;沿层理剪切时极难形成斜穿层理的雁列状裂缝,剪切面为层理面,较平直、光滑;与层理成30°和60°角剪切时,均形成了沿层理的雁列状裂缝,且30°时更明显;垂直层理剪切时,仍能观察到一定程度的层理开裂,但已较微弱。(3)雁列状裂缝相互沟通后形成的剪切破裂面多呈锯齿状,摩擦滑动时易出现擦痕和磨损现象,而法向压力能明显抑制雁列状裂缝的产生,使剪切面趋于光滑。(4)当剪切力与层理成一定夹角时,剪切力能诱导大量的层理开裂,形成复杂的裂缝形态,而该裂缝形态多局限于剪切破裂带,表现出明显的变形局部化。     

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。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。