页岩储层体积压裂裂缝扩展机制研究

页岩储层天然裂缝、水平层理发育,水力压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝。针对页岩储层体积裂缝扩展问题,基于流-固耦合基本方程和损伤力学原理,建立了页岩储层水力压裂体积裂缝扩展的三维有限元模型。将数值模型的模拟结果与页岩储层裂缝扩展室内试验结果进行对比,二者吻合较好,从而证明了数值模型的可靠性。通过一系列数值模拟发现：（1）水力压裂过程中水平层理可能张开,形成水平缝,水平与垂直缝相互交错,形成复杂的体积裂缝网络;（2）水平主应力差增大,体积裂缝的分布长度（水平最大主应力方向压裂裂缝的展布距离）增加、分布宽度（水平最小主应力方向压裂裂缝的展布距离）减小,体积裂缝的长宽比增加;（3）压裂施工排量增大,体积裂缝的分布长度减小、宽度增加,压裂裂缝的长宽比降低;（4）天然裂缝的残余抗张强度增大,体积裂缝分布宽度减小、分布长度增加,体积裂缝的长宽比增加。研究成果可以为国内的页岩气的压裂设计和施工提供一定的参考和借鉴。     

大尺寸真三轴页岩水平井水力压裂物理模拟试验与裂缝延伸规律分析

采用真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统以及压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸页岩水平井进行了水力压裂物理模拟试验,通过裂缝的动态监测和压裂后剖切等分析了裂缝的扩展规律,并对页岩压裂缝网的形成机制进行了初步探讨。结果表明：（1）水力裂缝自割缝处起裂并扩展、压开或贯穿层理面,形成相对较复杂的裂缝形态;（2）裂缝中既有垂直于层理面的新生水力主裂缝,又有沿弱层理面扩展延伸的次级裂缝,形成了纵向和横向裂缝并存的裂缝网络;（3）水力裂缝在延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力;（4）水力裂缝在扩展过程中遇到弱层理面时的止裂、分叉、穿过和转向现象是形成页岩储层复杂裂缝网络的主要原因,而弱结构面的大量存在是形成复杂裂缝的基础。其研究结果可为页岩气藏水平井分段压裂开采等提供有力技术支持。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸的机理研究

页岩储层中天然节理、裂缝极为发育,水力压裂产生的水力裂缝可激活天然裂缝,形成复杂的弥散性裂缝缝网,起到增渗、增产的效果;另外,天然裂缝也是页岩气储存的介质,一部分气体以游离态的形式存在于天然裂缝当中。采用数值计算方法研究水力裂缝与天然裂缝的相互作用机理,重点探讨水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸形成缝网的机制。计算模型包括单一天然裂缝和3条天然裂缝两种情况,计算变量考虑天然裂缝与水力裂缝的逼近角、主应力差和地层的弹性参数。研究表明:（1）随着逼近角的不同,地层的破裂应力存在一定的差异,逼近角为90°时,地层破裂所需要的临界水压最大,且地层的破裂应力随着主应力差的增大而减小;（2）无论是单一或3条天然裂缝,水力裂缝沟通天然裂缝活化后,分支裂缝的延伸方向基本恢复至与最大水平主应力平行的方向,当逼近角为90°时,裂缝的滑移量最大,激活效果最佳;（3）逼近角为90°时,天然裂缝尖端处容易出现水力裂缝双转向现象,更有利于形成复杂的裂缝网络,并且此时单元破裂数量最大,压裂效果最好;（4）随地层弹性模量的增大或泊松比的减小,激活天然裂缝的临界水压减小,说明储层的弹性属性会影响缝网的形成,在高弹性模量、低泊松比的脆性地层中射孔时会收到较理想的压裂效果。     

基于扩展有限元法的碳酸盐岩地热储层岩体裂缝扩展行为

水力压裂作为一种主要的地热能开采手段,其压裂效果除与岩体基本物理力学性质有关外,还与裂隙分布、地应力状态、压裂工程参数等密切相关.为了探究以上因素对水力压裂过程中裂缝扩展行为的影响,以冀中坳陷碳酸盐岩储层岩体为研究对象,基于扩展有限元法,建立裂缝扩展流固耦合模型,分析了水平应力差、射孔方位角、注入液排量和压裂液黏度等参数对裂缝扩展行为的影响.结果表明:单裂缝扩展时,射孔方位角越小、注入量越大、越有利于裂缝扩展;双裂缝扩展时,水平应力差增大,裂缝偏转程度变小;水力裂缝与天然裂缝相交时,较小水平应力差有利于天然裂缝开启.      

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术。为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验。通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、连接割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机制、现场施工参数的选取提供技术支持。     

基于PFC2D数值模拟的交替压裂中应力阴影效应研究

为了探究应力阴影效应对交替压裂中压裂间距选取的影响,基于优化后的颗粒流离散元流固耦合计算模型,模拟并分析了双初始水力裂缝下因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,并与理论解析解进行对比,证明了该数值方法的合理性。在此基础上,分析了应力阴影效应在不同各向异性地应力场及初始压裂间距条件下对新水力裂缝的起裂压力及扩展形态的影响,研究结果表明：初始各向异性应力场不改变裂缝周边的应力场,不影响新水力裂缝的起裂压力;随着初始压裂间距的减小,应力阴影效应增强,新水力裂缝的起裂压力逐渐增加。初始水力裂缝间距与初始各向异性应力场共同影响新水力裂缝的扩展形态,随着初始水力裂缝间距或初始水平地应力场差异系数的增大,应力阴影对新水力裂缝的扩展方向的影响逐步减弱;初始水力裂缝对新水力裂缝的扩展有一定的限制作用,在一定程度上不利于形成复杂的裂缝网络。根据以上分析结果,对交替压裂中压裂间距的优化进行了定性的探讨。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论：致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5. 7倍和1. 7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

页岩水平井多段分簇压裂起裂压力数值模拟

页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

软煤储层顶板水平井穿层工况下压裂缝扩展模型

为了探索煤层顶板中水平井向目标层穿层压裂的裂缝扩展规律,以华北石炭-二叠纪煤田为例,运用断裂力学、损伤力学以及流体力学等经典理论并结合现场实测资料,开展了压裂缝延伸距离与压裂时间时空演化规律的建模与验证。首先,基于原生裂缝特性、渗透特性以及压裂射孔段附加应力等因素,提出了顶板水平井垂向造缝的起裂压力计算公式;其次,在考虑裂缝性煤岩体损伤效应的基础上,引入Dougill损伤因子,将该计算模型拓展为延伸压力计算模型;最后,基于改进的经典PKN裂缝模型和压裂液滤失理论,建立了连续穿层工况下压裂缝延伸距离与压裂施工时间的函数关系。实践验证表明,根据理论模型合理调配时间参数,可以控制穿层裂缝的延伸距离。      

水平井多段压裂应力场计算新模型

为了准确认识水平井多段压裂过程中井筒周围应力场变化,指导裂缝起裂和延伸机制研究,综合考虑井筒内压、地应力、压裂液渗流、热应力、射孔和先压开裂缝等因素的影响,根据应力叠加原理,建立了水平井多段压裂应力场计算模型。该模型利用位移不连续法,重点考虑了先压开裂缝在水平井筒周围水平面上产生的诱导应力大小,克服了裂缝诱导应力解析模型只能计算裂缝高度平面诱导应力大小的局限。结果表明,通过应力场模型进行的破裂压力预测与实际破裂压力值吻合度较高,验证了建立模型的准确性;人工裂缝形成后会对水平井筒周围应力场造成很大影响,在裂缝尖端出现应力集中,造成应力分量降低,在裂缝周围一定区域造成应力分量有较大的升高;多段压裂压开人工裂缝越多,应力之间干扰越严重,水平井筒周围应力分布越复杂。该研究对认识多段压裂存在先压裂缝干扰下后续裂缝的起裂和延伸机制,指导压裂施工具有一定意义。     

页岩气藏缝网压裂裂缝间距优化研究

页岩气藏一般具有低孔隙、低渗透等特征,对其实施缝网压裂是高效开发页岩气的最佳途径。采用位移不连续法建立线弹性二维均质地层诱导应力场分布数学模型,通过水平应力差异系数对顺序压裂和交替压裂的裂缝间距进行优化研究。结果表明,水平应力差异系数受到裂缝净压力、裂缝缝长、原地应力场等因素的影响;裂缝净压力越大、缝长越长,水平应力差异系数越小;随着与裂缝距离的增加,水平应力差异系数呈现先减小后增加的趋势,因此,存在后续裂缝形成复杂网络的最佳裂缝间距;顺序压裂裂缝间距不宜过大,且后续压裂裂缝间距应适当减小;交替压裂裂缝间距最优时,缝间水平应力差异系数最小,对中间裂缝形成缝网最有利。     

Cluster spacing optimization of multi-stage fracturing in horizontal shale gas wells based on stimulated reservoir volume evaluation

The multi-stage fracturing in horizontal well is a common technique for shale gas reservoir exploitation, in which cluster spacing governs the fracturing performance. Undersized cluster spacing might make the stimulated reservoir volume (SRV), activated by the respective hydraulic fracture, excessively overlap with each other, while oversized cluster spacing might leave a large unstimulated volume between neighboring hydraulic fractures; in either case, fracturing would be inefficient. Previous design of cluster spacing has failed to maximize the SRV due to the absence of a dynamic SRV evaluation model. A numerical model of SRV evaluation in shale reservoir was established by integrating four main modules, including fracture propagation, reservoir pressure distribution, formation stress distribution, and natural fracture failure criterion. Then, a method to optimize cluster spacing was developed with the goal of maximizing SRV. In order to validate this method, it was applied in Fuling shale gas reservoir in Southwest China to determine the optimal cluster spacing. The sensitivity of key parameters on the optimal cluster spacing has been analyzed. This research proposed a compelling cluster spacing optimization method, which could reduce the uncertainty in cluster spacing design, and provides some new insights on the optimal design of multi-stage fracturing in horizontal shale gas well.     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

水力压裂扩展特性的数值模拟研究

采用ABAQUS建立了水力压裂计算模型,模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论：（1）在注入压力一定的情况下起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液黏度、最大水平地应力、弹性模量无关;（2）裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关;（3）水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。研究结论对于水力压裂作业优化具有参考价值。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

Numerical investigation of hydraulic fracture network propagation in naturally fractured shale formations

Hydraulic fracture network (HFN) propagation in naturally fractured shale formations is investigated numerically using a 3D complex fracturing model based on the discrete element method. To account for the plastic deformation behavior of shales, the Drucker–Prager plasticity model is incorporated into the fracturing model. Parametric studies are then conducted for different Young's moduli, horizontal differential stresses, natural fracture (NF) properties, injection rates, and number and spacing of perforation clusters. Numerical results show that horizontal differential stress primarily determines the generation of a complex HFN. The plastic deformation of shale can reduce the stimulated reservoir volume; this is more obvious with Young's modulus of less than 20 GPa. In addition, a higher injection rate could largely increase the fracture complexity index (FCI). Moreover, increasing perforation cluster numbers per fracturing stage is beneficial for increasing the FCI, but it also increases the potential merging of neighboring fractures, which may lead to non-uniform development of HFN in far-wellbore regions. To achieve uniform development of HFN within a fracturing stage, the distribution of NFs should be fully considered. The results presented here may provide improved understanding of HFN generation and are favorable for optimizing fracturing treatment designs for shale formations.