基于流固耦合理论的页岩水力压裂数值分析

水力压裂是一个涉及多相材料相互作用的复杂问题。针对岩石固相提出岩石应力平衡有限元方程,建立液相流动方程和质量守恒微分方程,推导水力压裂岩石流固耦合系统有限元方程。阐述计算模型,对裂缝的发育和扩展过程进行分析,并与实际试验结果进行对比,证明了计算结果的合理性。分析弹性模量对裂缝的影响情况,计算结果表明,随着弹性模量的增加,裂缝高度越来越小。     

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。     

基于震幅叠加的微地震事件定位在地面监测中的应用

在微地震地面监测中,由于微地震信号能量微弱,因此很难对微地震事件进行精确拾取。本文提出了一种基于STA/LTA(short term averaging/long term averaging)的判别频率估计模式识别方法,可以避免由于设定阈值出现漏判小能量微地震事件的情况,并在精度上比传统的STA/LTA方法提升10%以上。采用基于震幅叠加的能量聚焦方法对微地震事件进行定位计算,同时通过对能量聚焦结果的分析,进一步剔除"假"的微地震事件,从而能够更加精确地描述地下裂缝的发育情况。最后,通过对河北北部一水平井的压裂监测对该方法进行验证,结果表明,本方法计算效率高、监测结果获得施工单位的认可,能够对下一步压裂施工方案提供理论指导。     

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。     

热冲击作用对干热岩起裂压力与裂隙扩展形态的影响

在干热岩水力压裂中，低温水接触高温地热储层诱发热冲击会加速储层裂隙萌生与扩展，强化干热岩储层的压裂效果．本文提出了一种考虑热冲击效应的起裂压力预测公式，该模型将热应力作用和力学参数劣化作用耦合到起裂压力的计算中．建立了考虑热冲击效应的热-水-力-损伤耦合模型，开展Morris全局灵敏度分析，研究了不同岩石初始温度、弹性模量、均质性指数、初始渗透率对水压裂隙扩展形态的影响．结果表明，水压裂隙的起裂是热冲击导致的抗拉强度劣化、冷收缩产生的热应力和孔隙水压力三者的共同作用的结果．随着岩石初始温度的升高，热应力和抗拉强度劣化的贡献越大，表明热冲击效应随着温度的升高而变得更加强烈．弹性模量、泊松比、热膨胀系数和表面换热系数的增加会降低起裂压力．表面换热系数和热膨胀系数是干热岩水力压裂过程中起裂压力的灵敏参数，并且与其他参数的相互作用较强．在EGS项目选址时，选择初始温度较高、弹性模量较大、初始渗透率较大和均质性指数较小的干热岩储层，有利于构建更复杂的裂隙网络．     

基于海洋捕食者优化算法的电磁监测裂缝识别

水力压裂是实现深层油气增产的关键技术，压裂储层裂缝扩展监测对于油气田勘探开发具有重要意义.电磁法在裂缝监测中优势明显，但传统反演手段依赖于初始模型和约束条件，且反演精度受限，难以准确表征裂缝参数.为此，本文提出了基于海洋捕食者优化算法(Improved Marine Predators Algorithm, IMPA)的电磁监测裂缝参数识别方法.首先，采用Sobol序列初始化种群，提出阶段差异划分的寻优方式，改进了寻优参数，增加了边界自适应约束条件；然后通过Rastrigin函数测试，验证了算法优化的有效性；最后构建基于面积观测和剖面观测下的水力压裂单缝缝长模型与方位模型，分析了IMPA算法在不同噪声影响下对裂缝参数识别的适用性.结果表明，面积观测裂缝参数反演效果更稳定，反演精度更高，缝长反演相对误差小于0.15%,方位反演绝对误差小于0.04°;剖面观测反演效果受噪声影响程度稍大，缝长反演相对误差小于0.2%,方位反演绝对误差小于0.1°.     

基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展

构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键.借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势，提出采用径向井压裂干热岩储层.基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型，考虑压裂过程中低温诱导热应力作用，首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制，随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律.结果表明：采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧，径向井的存在有利于储层拉应力提升，干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅51.63%.基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强.径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通，降低流体流动阻抗.     

考虑轴向荷载和外压影响的非黏结柔性管道骨架层失效分析

非黏结柔性管道骨架层由不锈钢材料互锁缠绕而成,主要用于抵抗外压防止软管发生压溃失效.骨架层失效是柔性软管故障的最大风险,骨架层失效模式主要分为压溃失效和拉伸失效.采用非线性有限元方法并且考虑几何大变形、材料非线性、接触和摩擦等非线性效应的影响,对"S"型骨架层结构建立三维有限元模型,进行了单外压作用下的压溃失效分析和单一轴向拉力作用下的拉伸失效分析,而后开展轴向拉力和外压载荷组合作用下骨架层压溃失效分析.结果表明轴向拉力会一定程度上降低骨架层压溃承载力,相关结论可以为柔性软管结构设计和完整性评价提供参考.