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。     

土石坝心墙水力劈裂分析

简要分析了水力劈裂的发生条件、力学机理。基于水压楔劈机理,利用有限元方法建立了一种水力劈裂的发生判定方法。该方法假定心墙预先存在局部渗透弱面（裂缝）,通过将裂缝位置的单元材料改为裂缝软材料,考虑库水进入裂缝后对裂缝周围土体的作用,建立水力劈裂分析的平面有限元模型,确定裂缝端部垂直于裂缝面的正应力,进而依据该正应力判断水力劈裂发生的可能性,该方法同时可模拟水力劈裂的发展过程。     

煤储层水力压裂支撑剂的优选实验研究

针对我国600 m以深煤层气井采用石英砂支撑剂和活性水压裂液,难以取得商业化开发价值产气量的现状,运用FCES-100裂缝导流能力评价仪,分别测试了石英砂、陶粒和覆膜酸枣仁在不同闭合压力下的导流能力,统计了支撑剂的破碎率,并通过扫描电镜观测支撑剂的圆度和球度。实验结果表明：闭合压力小于15 MPa时,陶粒、石英砂和覆膜酸枣仁均有良好的导流能力;当闭合压力为15~25 MPa时,陶粒和覆膜酸枣仁的导流能力相对较高;当闭合压力大于25 MPa时,只有陶粒保持相对较高的导流能力。在煤层气井水力压裂设计时,可根据煤层埋深选择水力压裂支撑剂。若煤层埋深小于600 m,选用石英砂支撑剂;若煤层埋深介于600~1 000 m,采用木质支撑剂（覆膜酸枣仁）或陶粒;若煤层埋深大于1 000 m,建议用陶粒支撑剂。     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。     

水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究

以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题,推导出裂缝面内的压降方程表达式,并编写出用户子程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、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,采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的;提出了临界宽度的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据;其结论对于压裂作业优化具有参考价值。     

裂隙岩体水力劈裂研究综述

作为裂隙岩体渗流-应力耦合研究的一个子课题,岩体水力劈裂问题的研究尚处于初始阶段,许多基本的理论问题尚待深入研究。当今许多大型工程的建设已经在向地下发展,建设在地下的各种建筑结构离不开水压的作用。工程建设的需要正在推动岩体水力劈裂理论的研究。水力劈裂作为一种技术最初在石油工业用来增加油井产量,后来逐渐用于初始地应力测量等其他工程项目。随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、井工矿产采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多工程岩体稳定性研究者的关注。通过对水力劈裂研究的现状作较为详细地综述,列举了当今研究的理论、方法和成果,以及目前水力劈裂研究的热点问题,并作了简单评述。最后,指出了目前需要重点研究的几个关键问题。     

压裂液黏度对循环水力压裂影响的试验研究

中国石油大学（北京）石油天然气工程学院,北京 102249     

水压致裂试验过程中诱发的声发射

为了研究水压致裂过程中裂缝的扩展机制,在北京房山花岗岩体中开展了大型水压致裂试验。试验是在一个深 301 m的岩石新鲜完整的FR钻孔中进行的,其周围半径约40 m的范围内布置了4个120 m深的声发射观测孔。在FR孔中深度60 m至140 m的范围内选取了7段没有天然节理的部位进行了水压致裂。在所有的试验中,发现水压致裂形成的裂缝通过天然节理与AE孔连通,只在深度118.5 m进行的试验,观测到由水压致裂产生的AE事件。由声发射的震源机制解得到的P轴和T轴的方向与水压致裂应力测量的方向一致。     

水力劈裂过程中裂隙体积的估算

由于水力劈裂技术应用领域越来越广泛,评价裂隙劈裂效果变得越来越重要.本文对水力劈裂过程中裂隙的体积进行简单的探讨.文中给出了水力破裂过程中裂隙的概念模型,推导了该模型下求解裂隙体积的计算公式,并利用现场水力劈裂试验结果对裂隙进行估算.     

A stabilized extended finite element framework for hydraulic fracturing simulations

We present a stabilized extended finite element formulation to simulate the hydraulic fracturing process in an elasto‐plastic medium. The fracture propagation process is governed by a cohesive fracture model, where a trilinear traction‐separation law is used to describe normal contact, cohesion and strength softening on the fracture face. Fluid flow inside the fracture channel is governed by the lubrication equation, and the flow rate is related to the fluid pressure gradient by the ‘cubic’ law. Fluid leak off happens only in the normal direction and is assumed to be governed by the Carter's leak‐off model. We propose a ‘local’ U‐P (displacement‐pressure) formulation to discretize the fluid‐solid coupled system, where volume shape functions are used to interpolate the fluid pressure field on the fracture face. The ‘local’ U‐P approach is compatible with the extended finite element framework, and a separate mesh is not required to describe the fluid flow. The coupled system of equations is solved iteratively by the standard Newton‐Raphson method. We identify instability issues associated with the fluid flow inside the fracture channel, and use the polynomial pressure projection method to reduce the pressure oscillations resulting from the instability. Numerical examples demonstrate that the proposed framework is effective in modeling 3D hydraulic fracture propagation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

用水力压裂法获取煤储层地应力参数

地应力可反映煤储层的应力状况,它是认识和评价煤储层的重要参数之一。从水力压裂法获取煤储层地应力的原理和方法入手,通过对3组典型实测数据的分析,着重探讨了用时间平方根法和双对数曲线法在分析地应力时如何准确识别闭合压力和提高地应力测试精度,对煤层气工作者具有很好的借鉴价值。     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

水劈裂过程中岩体渗透性规律及机理分析

岩体的结构及其透水性直接关系到建筑物围岩的稳定及安全。通过水力劈裂试验,可以真实地反映高水压作用下岩体的结构和渗透性的变化规律。以某水电站工程坝址区岩体所作的水力劈裂试验资料为基础,分析了在水力劈裂过程中,岩体的结构和渗透性发生的变化及其规律以及在该过程中岩体裂隙形成的机理。     

Uniform investigation of hydraulic fracturing propagation regimes in the plane strain model

The hydraulic fracturing propagation regimes in the plane strain model are uniformly investigated using a numerical method based on the finite element method. The regimes range from toughness‐dominated cases to viscosity‐dominated cases, covering zero leak‐off situations and small leak‐off situations. Unlike the asymptotic solutions, the numerical method is independent of the energy dissipation regimes and fluid storage regimes. The numerical method pays no special attention to the fracture tip, and it simulates fracture tip behaviors by increasing the number of functions in a natural and uniform manner. The numerical method is verified by comparing its results with the asymptotic solutions. The effect of the model sizes on the numerical method is discussed along with the robustness of the numerical method. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

On the risk of hydraulic fracturing in CO2 geological storage

We present a contribution on the risk of hydraulic fracturing in CO₂ geological storage using an analytical model of hydraulic fracturing in weak formations. The work is based on a Mohr–Coulomb dislocation model that is extended to account for material with fracture toughness. The complete slip process that is distributed around the crack tip is replaced by superdislocations that are placed in the effective centers. The analytical model enables the identification of a dominant parameter, which defines the regimes of brittle to ductile propagation and the limit at which a mode‐1 fracture cannot advance. We examine also how the corrosive effect of CO₂ on rock strength may affect hydraulic fracture propagation. We found that a hydraulically induced vertical fracture from CO₂ injection is more likely to propagate horizontally than vertically, remaining contained in the storage zone. The horizontal fracture propagation will have a positive effect on the injectivity and storage capacity of the formation. The containment in the vertical direction will mitigate the risk of fracturing and migration of CO₂ to upper layers and back to the atmosphere. Although the corrosive effect of CO₂ is expected to decrease the rock toughness and the resistance to fracturing, the overall decrease of rock strength promotes ductile behavior with the energy dissipated in plastic deformation and hence mitigates the mode‐1 fracture propagation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种用于水压致裂试验的水压供给装置研制及应用

为研究水压致裂过程中水力裂缝的起裂、扩展规律及机制,研制了一种新型水压供给控制装置。该装置由水泵、增压泵、空气压缩机和导水钢垫板等组成。该装置的主要特点是易于与目前广泛存在的压力伺服机相配合,共同完成水压致裂试验,具有操作简便、效率高、成本低、组装方便等优点,使水压致裂试验更易大面积推广。利用该试验装置对类岩石试块进行了水压致裂试验,研究了不同围压下含预置裂隙试件的水力裂缝扩展规律,并与无预置裂隙试件水力裂缝扩展规律进行了对比。试验结果表明,对于含预置裂隙试块,当水平应力差较小时,预置裂隙裂尖对水力裂缝扩展影响较大,水力裂缝起裂后向预置裂隙裂尖方向扩展;随着水平应力差的增大,水力裂缝向最大水平应力方向偏转。试验证明该装置可靠性高,试验过程稳定。该研究对水压致裂试验具有促进意义。     

煤层定点水力压裂防冲的机制研究

为实现在掘进或回采前对冲击危险煤层的一次性卸压,达到区域防冲的目的,提出了煤层定点水力压裂技术。为了从理论上说明煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的可行性和有效性,首先,通过建立煤层压裂力学模型,从定性和定量两方面分析煤层定点水力压裂防冲的机制,认为煤层压裂通过增阻和降能2方面实现冲击地压的防治;提出了基于压裂效能指数In的压裂防冲效果评价方法以及关键冲击块临界体积的估算公式,为煤层压裂施工参数的选择提供参考;最后,在华丰煤矿1412工作面成功应用该项技术,从现场观测、管路压力、微震事件和应力变化4方面验证了煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的效果。     

各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的应力-应变规律有重要影响,而建立在各向同性假设基础上的常用土体本构模型并不能反映土体的这种特性,因此需要分析土体各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响。采用各向异性非线性弹性模型,对水荷载作用下粘土心墙坝进行有限元数值分析,并与邓肯模型计算结果比较。结果表明,各向异性模型考虑了蓄水期间从小主应力方向加荷引起的土体应力各向异性,计算得出的小主应力σ3较邓肯模型的大,且相应抗水力劈裂能力亦大,则邓肯E-v模型由于不能模拟蓄水期土体各向异性特性,对于水力劈裂发生的评估可能偏于危险。     

基于孔壁应变发展规律的压裂孔三阶段起裂特征试验研究

利用自行研制的煤岩体水力压裂试验系统,开展了配比型煤与原煤水力压裂试验,测试并分析了水力压裂过程中压裂孔孔壁应变-水压曲线,并基于孔壁应变的发展规律,分析了压裂孔的三阶段起裂特征。结果表明,在压裂孔起裂过程中,钻孔孔壁呈现拉伸与压缩应变两种类型,并呈现拉伸破裂区与压缩变形区,其中压缩型应变具有较好的可恢复性,其应变恢复比远大于拉伸型应变;钻孔起裂过程分为3个阶段,即水气作用诱导微损伤形成阶段,孔壁内形成气流通道并产生初始损伤;局部损伤带形成阶段,孔壁形成拉伸破裂区和压缩变形区;试件失稳破坏阶段,裂缝不断延伸直至试件破裂,拉伸破裂区依然保持拉伸变形并较好地保持残余变形,而压缩变形区则由于作用力转向而得到一定程度恢复。研究成果对于揭示钻孔起裂行为及能量的演化规律具有重要理论意义。