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.      

基于最大周向应变断裂准则定向射孔水力裂缝扩展研究

利用最大周向应变断裂准则,基于裂纹扩展增量法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果表明,上述裂缝扩展方法能有效模拟水力裂缝扩展过程。在此基础上利用该方法分析了定向射孔水力裂缝初始起裂水压、扩展路径和裂缝"偏转角"受射孔长度与倾角、地应力差、泊松比和注水压力的影响。通过预测裂缝初始起裂水压和扩展路径,可以优化选择合适的射孔参数。减小地应力差有助于降低裂缝起裂水压,同时可以使裂缝在扩展过程中沟通更大的有效储层。泊松比在临界荷载条件下对裂缝起裂特性产生显著影响,但是在高水压条件下对裂缝扩展路径无明显影响。敏感性分析表明,射孔倾角是影响压裂效果的关键性因素。对上述多因素的影响分析可以为定向射孔水力压裂设计与施工提供重要的参考依据。     

定面射孔新工艺对水力裂缝扩展影响研究

定面射孔技术是为了提高体积压裂改造效果而提出的一种新的射孔方案。根据岩石力学及流-固耦合理论,建立了定面射孔地层的三维弹塑性流固-耦合地应力模型,采用数值方法进行求解,结合最大拉应力准则,研究了定面射孔水力裂缝的起裂规律。经过大量计算发现：定面射孔条件下,裂缝首先在射孔面内的射孔眼起裂,然后射孔眼相互贯通而形成扇形裂缝面,增大了水力裂缝的波及体积及井筒的连通性;同一平面内两侧孔眼在中间孔眼上产生的附加应力降低了Y方向主应力而增大了X方向和Z方向主应力,导致正断层采用定面射孔时,起裂压力较大,起裂压力随射孔方位角的增大而降低,只有当射孔方位角大于60°时,定面射孔起裂压力低于螺旋射孔起裂压力;对于逆断层,射孔方位角越小,起裂压力越低,且均低于螺旋射孔起裂压力;减小射孔间夹角、增大射孔直径及深度均可降低起裂压力。     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

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。     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。     

多级循环泵注水力压裂模拟实验研究

超深储层地层起裂压力较高,水力压裂受现场泵注设备的限制严重,文中重点研究了大尺度水力压裂物模实验水泥样品尺寸（762 mm×762 mm×914 mm）在循环和常规两种泵注条件下的起裂扩展和声发射规律。实验结果显示,（1）相对于普通泵注,采用循环泵注方式进行水力压裂可以有效降低起裂压力,类似于单轴和三轴循环加载岩石力学行为,都是由于循环加载引起疲劳损伤;（2）对于螺旋射孔完井方式,水力压裂裂缝只从最薄弱射孔处起裂,一旦起裂后其他射孔孔眼很难再开启,水力压裂现场应合理选择分段距离和簇间距,实现储层改造效率最优化;（3）循环泵注水力压裂存在Kaiser效应（当加载应力到前次加载最高应力值时出现的声发射信息）。因孔隙流体扩散到岩石并导致孔隙压力的局部上升,破坏模式仍然可以由摩尔圆表示。研究成果对循环泵注条件的裂缝扩展规律研究以及发展新型压裂改造技术具有重要意义。     

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。     

煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σ_H > 垂向应力σ_v > 最小水平主应力σ_h,水力压裂裂缝沿着垂直于σ_h的方向扩展。σ_v和σ_h一定,随着σ_H的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σ_H远大于σ_v和σ_h时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。      

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。     

水平井中多条裂缝同步扩展时裂缝竞争机制

水平井中多条水力裂缝间的应力干扰行为,造成了压裂液排量的非均匀分配,影响了水力裂缝的几何形态。采用边界元法研究岩体在压裂液作用下的变形程度,以幂律流体泊肃叶平板流动方程来研究水力裂缝内部的压裂液流场,考虑了多条裂缝间应力干扰和压裂液流量分配,建立了流-固耦合的水平井多条水力裂缝同步扩展模型。模型可模拟水平井多条水力裂缝几何形态、应力干扰情况和压裂液排量的分配情况,可解释水力裂缝之间的竞争机制。多条裂缝同步扩展时,压裂液排量并非均等地分配到各个裂缝之中,进入到内部裂缝的压裂液流量最小,内部裂缝宽度最小;内部的水力裂缝增长一定长度后,停止增长,并且在应力干扰下逐渐闭合。     

基于连续损伤的水平井射孔-近井筒三维破裂模拟

射孔作为井筒与储层之间的液流通道,是水力压裂过程中的重要可控性参数。为研究水平井射孔-近井筒破裂机制,采用岩层变形-流体渗流方程描述应力状态变化,应用连续损伤破裂单元表征三维破裂位置与形态演化,并开发有限元求解程序模拟分析了射孔对水平井初始破裂压力、破裂位置及近井筒裂缝复杂性的调控作用。通过与解析模型及射孔压裂物理模型试验结果对比,验证了模型及有限元程序的有效性;水平井破裂压力数值分析结果与现场测试数据吻合较好。研究表明：射孔可调控水平井破裂压力与初始破裂位置,同时对近井筒区域裂缝扩展形态影响显著。通过优化射孔参数可以引导初始破裂向最优破裂面扩展、有效降低破裂压力,减小由于螺旋射孔空间排布引起的水平井近井筒裂缝迂曲与复杂程度,提高致密油气藏压裂改造效果。     

危岩水力劈裂分析的扩展有限元法

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用

岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。     

Finite element modeling of hydraulic fracturing in 3D

A procedure based on the finite element method is suggested for modeling of 3D hydraulic fracturing in the subsurface. The proposed formulation partitions the stress field into the initial stress state and an additional stress state caused by pressure buildup. The additional stress is obtained as a solution of the Biot equations for coupled fluid flow and deformations in the rock. The fluid flow in the fracture is represented on a regular finite element grid by means of “fracture” porosity, which is the volume fraction of the fracture. The use of the fracture porosity allows for a uniform finite element formulation for the fracture and the rock, both with respect to fluid pressure and displacement. It is demonstrated how the fracture aperture is obtained from the displacement field. The model has a fracture criterion by means of a strain limit in each element. It is shown how this criterion scales with the element size. Fracturing becomes an intermittent process, and each event is followed by a pressure drop. A procedure is suggested for the computation of the pressure drop. Two examples of hydraulic fracturing are given, when the pressure buildup is from fluid injection by a well. One case is of a homogeneous rock, and the other case is an inhomogeneous rock. The fracture geometry, well pressure, new fracture area, and elastic energy released in each event are computed. The fracture geometry is three orthogonal fracture planes in the homogeneous case, and it is a branched fracture in the inhomogeneous case.     

Prediction and analysis of the stimulated reservoir volume for shale gas reservoirs based on rock failure mechanism

The ultra-low-permeability shale gas reservoir has a lot of well-developed natural fractures. It has been proven that hydraulic fracture growth pattern is usually a complex network fracture rather than conventional single planar fractures by micro-seismic monitoring, which can be explained as the shear and tensile failure of natural fractures or creation of new cracks due to the increase in reservoir pore pressure caused by fluid injection during the process of hydraulic fracturing. In order to simulate the network fracture growth, a mathematical model was established based on full tensor permeability, continuum method and fluid mass conservation equation. Firstly, the governing equation of fluid diffusivity based on permeability tensor was solved to obtain the reservoir pressure distribution. Then Mohr–Coulomb shear failure criterion and tensile failure criterion were used to decide whether the rock failed or not in any block on the basis of the calculated reservoir pressure. The grid-block permeability was modified according to the change of fracture aperture once any type of rock failure criterion was met within a grid block. Finally, the stimulated reservoir volume (SRV) zone was represented by an enhancement permeability zone. After calibrating the numerical solution of the model with the field micro-seismic information, a sensitivity study was performed to analyze the effects of some factors including initial reservoir pressure, injection fluid volume, natural fracture azimuth angle and horizontal stress difference on the SRV (shape, size, bandwidth and length). The results show that the SRV size increases with the increasing initial pore reservoir and injection fluid volume, but decreases with the increase in the horizontal principal stress difference and natural fracture azimuth angle. The SRV shape is always similar for different initial pore reservoir and injection fluid volume. The SRV is observed to become shorter in length and wider in bandwidth with the decrease in natural fracture azimuth angle and horizontal principal stress difference.