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。     

砂砾岩水力压裂裂缝扩展规律的数值模拟分析

砂砾岩储层一般具有岩性和渗透性变化大、孔隙度低、连通性差、孔隙结构复杂和非均匀性严重等特点,因此,在水力压裂过程中,裂缝扩展形态难以控制,大规模改造难度大。针对国内某典型砂砾岩油藏特征,采用数值计算方法对砂砾岩压裂裂缝的扩展规律进行了研究,包括地应力场、砾石含量和粒径等对裂缝扩展形态及压裂压力的影响。研究表明,砾石的存在增加了压裂裂纹扩展的复杂性,裂纹主要有止裂、偏转、穿透和吸附4种表现模式,但主应力差严格控制着裂纹的走向,随着主应力差的增大,裂纹由总体绕砾扩展转变为总体穿砾扩展,失稳压力随着主应力差的增大而明显减小;砾石含量的多少体现了砂砾岩试样宏观的非均匀性,含量越高均匀性越差,随着砾石含量的提高,裂纹与砾石的相互作用占据主导地位,失稳压力随砾石含量的增加而增大;当砾石体积含量一定时,砾石粒径对压裂压力的影响主要取决于砾石排列的随机性,失稳压力随砾石粒径的增大而略有增大。     

油气藏水力压裂计算模拟技术研究现状与展望

水力压裂技术是油气藏尤其是页岩气开发中的核心技术,利用数值模拟方法进行压裂优化和产能预测又是水力压裂成功的关键。本文首先介绍了水力压裂技术的发展历程。然后从计算模型(二维模型、拟三维模型和全三维模型)和数值模拟方法(基于连续介质和基于非连续介质)两方面对油气藏开发领域的水力压裂计算模拟技术进行较全面的总结。最后,从以下3个方面指出现今研究的不足并提出了进一步的研究建议:(1)全三维模型的完善-全三维模型应当与真实的工程参数和监测数据结合,用于校正模型本身,而校正后的全三维模型又可预测和优化新的现场水力压裂作业; (2)数值模拟方法的选用-已有的水力压裂数值模拟方法种类繁多,需要针对各种方法的适用范围、计算效率和模拟效果等,进行全面的比较和优化; (3)页岩储层中天然裂缝网络的数值模拟-天然裂隙网络加剧了页岩储层力学性质的各向异性,同时水力裂缝沟通天然裂缝活化扩展是有利于储层的增渗增产,对压裂缝网的形态、尺寸和连通率等起着至关重要的作用。因此,数值计算过程中综合考虑页岩储层中天然裂缝与水力裂缝的相互作用,将是未来水力压裂模拟的热点。     

基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

水平井水力压裂影响参数的数值模拟

水力压裂是低渗油气藏的主要开发手段,传统数值模型所得到的基质-裂缝窜流量以及断裂参数精度不足.为此以流固耦合理论与断裂力学相结合的压裂模型为基础,模拟了水力裂缝扩展过程.在模型中分别引入离散裂缝模型和广义J积分计算基质-裂缝流量交换和断裂参数,并采用动态网格技术对裂缝尖端进行局部加密,以提高模拟的效率和精度.模型计算结果显示,影响水力压裂过程的主要参数中:基质渗透率和压裂液粘度主要影响水力裂缝的最终形态;岩石弹性模量影响裂缝宽度.对压裂车而言,最高工作压力一般都能够满足压裂增产需求,其最大输出功率和最大输出流量是限制压裂能力的主要因素.      

层理特征对油页岩水力压裂裂缝扩展规律影响的数值模拟研究

目前水力压裂是油页岩储层开发的主要技术手段之一,油页岩层理特征的差异对压后裂缝形态起主要影响作用,目前研究大多聚焦在层理发育程度对裂缝扩展的影响,忽略层理厚度本身对水力裂缝扩展的影响。以鄂尔多斯盆地旬邑地区油页岩为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,构建应力-损伤-渗流的水力压裂裂缝扩展模型,并采取全局FEM-CZM的数值模拟方法,分析层理厚度、层理间距、地应力场对水力压裂裂缝扩展的影响规律,对比不同影响因素下裂缝的破坏类型、裂缝长度和层理沟通面积。结果表明：(1)层理厚度影响层理面对水力裂缝的拦截能力,在层理厚度较大时,会导致裂缝在层理面上扩展的倾向更强,发生张拉破坏,所对应的裂缝长度和层理沟通面积更大。(2)层理间距影响水力裂缝到达层理面的时间,较小的层理间距水力裂缝会直接穿透层理面,较大的层理间距增加裂缝扩展的阻力,伴随层理间距越大,发生张拉破坏,水力裂缝长度和层理沟通面积越大。(3)地应力场决定水力裂缝扩展方向,垂向地应力差较大时,垂向应力会对层理有压实作用,导致更容易穿透层理面扩展,垂向地应力差较小时,水力裂缝在层理面扩展多发生弯曲、分支情况,所对应裂缝长度和层理沟通面积均增加...     

川南深层页岩水力压裂缝网扩展规律数值模拟研究

3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明：在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得...     

农安油页岩水力压裂模拟及实验研究

裂隙的数量和尺寸会影响油页岩原位开采的成本与效率,开采前需对油页岩进行水力压裂来建立或扩展裂隙,而压裂过程中的破裂压力是一个重要的参数。以农安矿区油页岩为研究对象,数值计算了其射孔完井下的水力压裂的破裂压力并采用真实破裂过程分析软件（二维渗流分析版）对水力压裂过程进行数值模拟,得到油页岩破裂压力。同时对该矿区油页岩压裂进行了实验对比,验证了数值模拟的有效性。对比结果表明模拟值、实验值较计算值均偏大。     

沁水盆地南部煤储层水力压裂裂缝发育特征的数值模拟研究

以沁水盆地南部为研究区,以山西组3号煤储层为目标层位,根据该区的地应力场特征以及晋城市寺河矿煤样的三轴压缩实验结果,利用大型有限元软件ANSYS建立了该区3号煤储层的地质模型,模拟水力压裂过程中地应力场和储层弹性模量对裂缝起裂压力和裂缝扩展形态的影响。结果表明:裂缝的起裂压力与最大水平主应力无关,随最小水平主应力的增大而线性增大,变化范围为10～25 MPa;裂缝的最大缝长和最大缝宽不随最大水平主应力的变化而变化,随最小水平主应力和煤岩弹性模量的增大而减小,其中最大缝长介于36～83 m范围内的概率最高。模拟结果和现场数据基本吻合,说明该模型具有一定的合理性,研究成果对于沁水盆地南部地区煤层气井水力压裂设计具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

Formation stability after hydraulic fracturing

This paper investigates stress changes resulting from fracturing in a weak formation and estimates the reduced risk of formation failure. The analysis is based on fracture propagation and closure of a plane strain elasto–plastic fracture. It is shown that during fracture propagation the area near the fracture tip undergoes plastic deformation, with the result that the in situ stresses there are significantly reduced from the original compressive state. The stress relief is driven by the reduction of the minimum in situ stress and the consistency condition which requires the stress state to remain on the yield or failure envelope. After fracture closure, due to permanent deformation the stress state does not return to its original state, as in the case of elastic material. The risk of formation failure, which is quantified with the introduction of a yield factor, is significantly reduced after fracturing and closure. The residual width from plastic deformation results in a non-uniform closure stress on proppant with higher values near the tip and lower value near the wellbore which is detrimental to the stability of proppant. The closure stress becomes more uniform with increasing fracture length. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

基于损伤力学分析的水力压裂三维裂缝形态研究

水力压裂三维裂缝形态及延伸的预测是评价水力压裂效果的主要因素,采用了损伤力学与断裂力学相结合的方法,描述了裂缝表面岩体的力学行为,建立了裂缝面上的损伤判据与损伤演化方程。根据岩石力学与渗流力学,采用有限元方法建立了低渗透储层岩体的流固-损伤耦合方程,并采用Newton-Raphson与线性搜索相结合的方法进行求解,获得了低渗透油层水力压裂三维裂缝的动态扩展过程及最终形态,揭示其力学本质。通过算例验证了理论及计算方法的正确性。在此基础上,分析了影响裂缝扩展的主要因素,其结果可为水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,以提高油层水力压裂措施的成功率     

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。     

单孔岩样水压致裂的数值分析

水压致裂是改变岩体结构的一种天然行为和人为手段。采用F－RFPA2D软件,对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。将开始出现声发射的水压称为微裂压力,将声发射急剧增多、裂缝非稳定扩展直至岩样破坏的水压称为破裂压力。岩样尺寸一定时,微裂压力和破裂压力随内孔面积增加而降低,方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力和破裂压力随围压或岩样强度增加而增加,且其差值随岩样强度增加而增加,理论破裂压力与模拟值趋势基本一致。方形孔的宏观裂纹起裂位置多在角点附近,而圆形孔比较随机。无围压时,宏观裂纹的延伸方向随机;有围压时,宏观裂纹扩展方向大致与主应力方向一致,且沿较大主应力方向的宏观裂纹扩展至岩样破坏,较小主应力方向宏观裂纹不完全发育。研究结果对水压致裂试验和工程实践有一定参考意义。     

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。     

弱固结砂岩气藏水力压裂裂缝延伸规律研究

针对我国疏松砂岩层出砂严重需要进行压裂以填防砂的情况，对疏松砂岩压裂裂缝启裂有延伸规律进行了数值模拟计算，并重点对地应力、储层强度、射孔地裂缝扩展延伸的影响规律进行了分析计算。结果表明：用螺旋射孔方式完井在疏松砂岩储层中难以获得大而平整的裂缝，防砂效果不理想，定向射孔可得到较为理想的人工裂缝。研究结果对疏松砂岩储压裂充填防砂设计具有较大的指导意义。