地层塑性对水力压裂裂缝扩展的影响

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、粘性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索了塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液粘度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液粘度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

圆孔孔壁裂缝水压扩张的压力参数理论分析

运用水压致裂法和Griffith理论,对地应力场中岩体孔壁水压诱致裂缝扩展过程进行了分析,将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为3个阶段,即孔壁破裂、第二次扩展、第三次破裂扩展阶段;且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力压力。分析了含内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系,随着岩体埋深由浅至深的逐渐增加,水力致裂圆孔的孔壁破裂压力变化由2个阶段过渡为3个阶段,且存在一个钻孔位置的临界埋深。为实际坚硬顶煤水力弱化的试验设计提供了依据。     

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

群井致裂控制水溶盐矿开采分析及数值模拟

建立了群井致裂控制水溶开采的耦合数学模型,并对上述模型进行了数值模拟。结果表明,由于岩盐溶解的影响,岩盐水力压裂裂缝为距注水井口距离和压裂时间的函数,随裂缝的扩展及裂缝宽度的变化,裂缝中压力在逐步降低并向缝尖转移;由于注、出水井处溶液浓度及岩盐溶解速度的不同,随开采时间的延续,溶腔形状由裂缝形的扁平盘状、过渡为倒盆状、最后逐渐变为一锥形状,该形状有利于保持岩盐溶腔的稳定。理论分析和数值模拟结果表明,群井致裂控制水溶盐矿开采是一项可行的开采技术方法。     

盐岩体储库裂缝流体渗流数值模拟

结合中国地下油气储库建造过程中所出现层状盐岩体问题，建立盐岩体裂缝流体渗流数学模型，并进行了相应的数值模拟。数值模拟结果表明，高压流体裂缝渗透过程中，沿裂缝通道上，流体压力在逐步降低。对于油气等稳定性流体，在裂缝渗流扩展的通道上，盐岩体裂缝呈扇形状张开；对于水溶液来讲，由于盐岩溶解的影响，靠近储库腔体壁附近的裂缝宽度较大，渗透率较高，在整个裂缝通道上，压力降低较慢，扩展距离也远于高压油气流体作用下的情况。结果提示：在盐岩体溶腔油气储库运营过程中，严格控制腔体压力不得大于地层应力及其抗拉强度；同时应控制天然气的采出速率，防止腔体内水合物的生成。以此来避免盐岩体在分层界面的水溶液渗透（流），保持腔体的致密性及稳定性。对中国在盐岩体中油气储库的建造及运行具有十分重要的意义和价值。     

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟. 在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性. 最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径. 模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.     

碳酸盐岩酸蚀裂缝渗流-传热特性

充分认识流体在碳酸盐岩酸蚀裂隙面上的渗流传热特性,实现地热能的可持续开发利用是十分必要的。针对碳酸盐岩热储非均质性和缝洞发育的突出特点,采用自主研发的实时高温常规三轴试验系统,能够真实模拟岩石裂隙的真实对流换热过程。采用试验和模拟相结合的方法,进行了碳酸盐岩裂缝渗流传热耦合机理研究。结果显示,裂缝表面进行非均匀性溶蚀,形成一条具有导流能力的人工裂缝,达到改善流体渗流条件的目的;在温度一定的条件下,对流换热系数增幅与流量、压强呈正相关;采用COMSOL Multiphysics软件对碳酸盐岩单裂隙渗流传热过程进行了模拟计算,开展了实际热储层环境条件下对流换热仿真分析,实验结果验证了数值模拟的正确性与可靠性,获得了储层温度场的演化规律。     

页岩油气水力压裂的关键力学问题和数值计算方法

 论述了水力压裂过程中裂缝面内压力引起的岩石变形、裂缝的起裂和扩展、裂缝内流体的流动和流固耦合等关键力学问题,综述了用于模拟水力压裂的有限元法、扩展有限元法、边界元法、离散元法及其他相关数值计算方法的基本原理、研究进展和发展趋势,分析了各方法的优点及适用性。     

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析

为了更好地处理天然裂缝影响下水力裂缝的扩展模拟问题,提出了区域置换与破损单元的概念和方法,在此基础上建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程,运用图形建模数值方法,分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响:天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式;位于水力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝,因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力,造成水力裂缝内有效驱动压力耗散,影响了水力裂缝的扩展。裂缝监测报告与数值分析结果一致,验证了数值分析的方法和结果。     

岩盐水压致裂连通溶解的数学模型

对水压致裂连通溶解开采的过程及机理，在理论上进行了一定的分析，其内容主要包括：岩盐矿层内水力裂缝的起裂扩展，盐矿物的溶解等。通过理论分析，给出了盐类矿床水压致裂连通溶解的数学模型。为盐类矿床水压致裂连通溶解理论的建立奠定了一定基础，为指导生产实践提供了一定理论依据。     

油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

地下流固耦合理论的研究进展及应用

论述了涉及岩体 -流体相互作用的地下流固耦合理论的进展概况。重点讨论了在理论研究方面存在的几个主要问题 ,包括有效应力定律、理论模型描述、流固耦合程度及数值算法研究等。就该理论在石油开发领域注水引致的套管损坏及产层出砂问题的具体应用进行了简单的讨论。研究结果表明 ,进一步发展地下流固耦合理论对解决石油生产中的一系列地质力学问题有着重要的意义。     

基于PHF-LSM-MT的非均质岩石细观界面与水力压裂数值建模

基于PHF(permeability-based hydraulic fracture)模型，采用水平集方法(level set method，LSM)描述材料边界分布，并用多尺度方法MT模型，对材料有效参数进行均匀化，建立适用于考虑非均质岩石材料细观界面特征分布与水力裂缝动态发展过程的PHF-LSM-MT数值计算模型.该模型解决了已有PHF-LSM模型无法精确描述积分点作用范围内细观尺度材料分布特征的问题.通过比较包裹体几何分布和体积分数影响下的有效弹性参数，验证了采用MT模型均匀化细观特征的可行性;在此基础上，对非均质岩石水力裂缝发展过程进行研究，得到了考虑细观界面特征情况下的裂缝发展过程，探讨了等效开裂区域影响范围内关键位置的水压力变化特征和应力路径发展过程.     

压裂中顶底板对缝高控制作用的数值模拟研究

裂缝在缝高方向的延伸会导致裂缝有效长度的降低,影响压裂效果;也可能直接穿过水层,造成压裂施工的失败。因此,基于FEPG有限元平台,利用网格开裂技术,开展了煤层气井压裂数值模拟研究,对垂向裂缝起裂、扩展及穿层的全过程进行分析。数值模拟结果表明:煤层气井压裂过程中,控制裂缝是否向隔层扩展主要取决于作业的净压力与隔层水平地应力差之间的关系;与储集层岩石力学性质相比,储集层的地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围的主要因素;T型缝、工型缝等复杂缝是由储集层的岩石力学性质和地应力共同作用的结果。这对于提高现场煤层气井水力压裂的效果具有重要的指导意义。     

基于嵌入式离散裂缝和扩展有限元的裂缝性页岩油藏流固耦合高效数值模拟方法

通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。该方法创新性在于:通过对裂缝进行显式降维处理,可以准确刻画水力裂缝对渗流场和应力场的影响,同时可以模拟水力裂缝开度的动态变化过程以及水力裂缝内流体压力对裂缝变形的影响;在划分网格时仅需对基岩系统进行正交网格剖分,不必考虑裂缝的几何形态,渗流场和应力场均选取一套网格,使得网格划分时的复杂度大幅降低。对于渗流方程求解采取模拟有限差分方法,满足局部质量守恒并且可以有效处理全张量形式渗透率;对于岩石力学方程求解采取扩展有限元方法,可以准确处理裂缝两侧的位移间断性。通过算例分析,本文方法的正确性与优势得以验证。     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

岩石断裂作用的反应-迁移-力学耦合与自组织

岩石断裂作用是一个复杂的动力学体系和动力学过程,受到岩石结构、应力、流体迁移、化学反应等多种地质因素和过程的耦合控制.本文建立了岩石断裂作用的反应-迁移-力学耦合动力学模型并编制了模拟程序.以湖南水口山康家湾矿区为例,数值模拟表明不同岩石的断裂作用强度和断裂渗透率演化是不同的,断裂与岩石、流体间的耦合产生正反馈和自组织作用,使得断裂渗透率的空间非均匀性增强并产生聚流作用.断裂与岩性、流体、反应的耦合、反馈与自组织作用控制了康家湾矿区流体成矿作用的发生与矿体的形成.     

地下工程中的流—固耦合问题的探讨

叙述了涉及煤岩体－流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固、流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟，较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下，压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动，裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹，而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。