页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相页岩的破坏规律

采集鄂尔多斯盆地陆相页岩实验样品,制作成具有不同层理倾角的标准试样,研究其在不同埋深条件下即温度压力耦合作用下的三轴压缩破坏机理,裂缝形态、裂纹起始应力、裂纹破裂应力等规律。实验结果表明:鄂尔多斯盆地陆相页岩压缩破坏过程中不包括裂隙压密阶段,埋深为3 000 m左右时,压缩破坏过程不包括裂隙压密阶段和弹性阶段,试样直接塑性破坏;层理倾角和埋深对页岩裂纹起始应力、裂纹破裂应力和两者比例影响特别大;不同层理倾角和埋深的页岩的破坏机理和破裂后的裂缝形态差异均很大。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

龙马溪组页岩应力敏感性实验评价

X射线衍射和全应力-应变结果表明龙马溪组页岩具有明显的硬脆性特征,破裂前曲线均呈现明显的线弹性变形。在5 MPa和10 MPa围压下,平行层理方向与垂直层理方向岩芯力学性质表现明显不同,平行层理方向的微裂缝由于受到张力作用而导致页岩突然破裂而完全失去承载能力;当围压达到20 MPa时,由于层理微裂缝的闭合,页岩的力学性质表现相似。氮气脉冲压力延迟测试结果表明:平行层理方向取芯页岩的应力敏感性更强,当有效应力增至10 MPa时,垂直层理方向岩芯渗透率下降1~2个数量级,而平行于页岩层理方向岩芯渗透率下降2~3个数量级;方解石充填的天然裂缝可提高岩芯整体渗透率2~3个数量级,且闭合型页岩天然裂缝应力敏感性强于张开型天然裂缝岩芯。     

低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究

为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律,采用FDES-641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行实验和分析。实验结果表明:低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应。随着有效围压的增加,岩样的渗透率逐步下降,当有效围压开始卸载,岩心的渗透率逐步得到恢复,但不能恢复到原始数据;低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述;岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。     

应力敏感油藏压裂井产量动态规律研究

基于广义达西定律及流固耦合理论建立了渗透率各向异性疏松砂岩脱砂压裂人工裂缝-油藏系统流固耦合模型,模拟分析了压裂造缝及降压生产流固耦合作用对储层应力、孔渗特性及生产动态的影响．研究表明：脱砂压裂造缝对储层物性影响主要体现在近井眼10m以内,且造缝宽度越大影响越显著,远离井眼及人工裂缝后,储层物性变化明显放缓;开井初期,储层孔渗参数变化显著,随生产时间增加,储层孔渗参数趋于稳定,仅随空间位置而变化;在压裂造缝及降压生产流固耦合作用综合影响下,近裂缝储层弹性模量显著增加,储层孔渗参数显著降低,压裂井产量明显低于常规渗流模型预测结果．对应力敏感性较强储层进行生产动态分析时,必须充分考虑流固耦合作用影响．     

川东龙马溪组页岩应力敏感实验研究

应用PDP-200脉冲衰减法渗透率仪对涪陵页岩气藏产气层系龙马溪组页岩露头进行渗透率应力敏感性评价,采用定围压-降内压和定内压-升围压的方法对同一块具有水平层理缝的岩样进行渗透率测试。结果表明:随着作用在页岩上的有效应力的增大,页岩测试渗透率呈指数规律递减,递减过程按递减指数大小分为2段,分别体现了页岩裂缝渗透率的应力敏感性和页岩基质渗透率的应力敏感性;同时,定围压测试较定内压测试页岩渗透率不能马上恢复,存在一定的滞后效应,并且定内压测试时得到的裂缝闭合压力要比定围压测试时有所降低。龙马溪组页岩露头表现出双重介质特征,并且在内压卸载时造成了无法恢复的渗透率塑性损伤。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验。结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样。在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长。     

不同层理方向的煤岩渗透特性研究

焦作矿区的山西组二_1煤层具有厚度大、结构简单、分布稳定等特点,其开采潜力较大。对目标煤层渗透率参数的获取是对水力压裂裂缝预测的先决条件。采用室内试验,对该区块的天然岩芯进行渗透特性研究。结果表明:储层的渗透性较好,有利于水力压裂改造的实施。影响渗透率的主要因素为层理角度、孔隙度、裂纹及微裂缝的发育程度等,其中裂纹和微裂缝的贯通程度对渗透率影响最大,层理角度次之。针对平行层理方向和垂直层理方向上渗透率的较大差异,分别建立了水气渗流的并联和串联阻流模型,揭示了影响渗透特性差异的主要原因为层理构造。本研究可为目标煤层确定合理的开采方式及确定水力裂缝的起裂与扩展规律提供理论支持。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

基于能量原理的页岩损伤破裂研究

岩石变形破坏过程本质上是能量耗散的损伤演化过程.为研究页岩压缩变形及损伤破裂特征,本文建立了基于轴向应变的损伤变量,并将其引入基于损伤能量释放率建立的损伤演化方程.结合不同层理角度页岩单轴循环荷载试验结果,验证了该损伤演化方程可用于描述单轴循环荷载下页岩损伤演化过程.在此基础上,定义了可用于定量评价页岩压裂缝网复杂程度的新指标C_A.通过计算与不同页岩试样破裂形态相应的C_A,发现C_A与页岩破裂形态的复杂程度具有较好的正相关性,可作为评价页岩压裂效果的指标.此外,C_A的计算结果表明,加载方向和页岩原生层理面的夹角越大,对应的岩石试样破裂形态越复杂.     

两种煤样渗透率对轴压及围压变化响应特征的试验研究

针对两种不同煤样在轴压及围压变化作用下的渗透率演化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展变围压及变轴压条件下煤样渗透率的实验研究。实验结果表明:1轴压与围压加载使得两种煤样渗透率均减小,轴压及围压变化对于构造煤软煤样渗透率影响特征均符合负指数函数分布规律;轴压变化与硬煤的渗透率变化符合直线变化规律;围压对于硬煤渗透率影响特征符合负指数函数分布特征,均给出了拟合参数;2轴压变化对于软煤样渗透率的影响大于硬煤,围压变化对于两种不同煤样渗透率的影响远远大于轴压。研究结果为采动条件下渗透率演化提供理论参考依据。     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

缝洞型碳酸盐岩油藏流固耦合数值模拟

缝洞型碳酸盐岩油藏分布广、储量大,但储集空间类型多样并可跨越多个尺度,宏观上表现为渗流-自由流耦合特征;且埋藏较深,超过5 300 m,裂缝和溶蚀孔洞在开发过程中易发生变形,具有强应力敏感性。考虑储层介质的弹性变形,建立离散缝洞模型的流固耦合数学模型及其数值模拟方法。其中多孔介质渗流区域采用Biot方程,在渗流场和应力场中均对裂缝进行降维处理,建立离散裂缝的Biot流固耦合模型;溶洞为自由流区域,采用Navier-Stokes方程;两个区域间通过扩展的Beavers-Joseph-Saffman条件进行耦合。应用混合有限元方法对该流固耦合模型进行数值求解,其中渗流区域采用经典的Galerkin有限元方法,自由流区域采用Taylor-Hood混合元方法,通过数值算例验证模型和方法的正确性。结果表明:溶洞中的压力传播速度较快,相对于渗流区域可视为一流动等势体;在降压生产过程中,裂缝尖端和溶洞附近区域易发生较大面积的破坏,而较高的流体压力对于溶洞和裂缝壁面具有一定的支撑作用,因此在此类油气藏的开发中应适当采取保压措施,以避免溶洞坍塌和裂缝闭合。     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

缝网页岩储层非线性耦合渗流模型研究

页岩气藏裂缝发育,流体渗流机理复杂,认识流体在缝网页岩储层中的流动规律是准确评价气藏产能的关键科学问题.本文建立多重连续/离散裂缝模型描述水力压裂后的页岩储渗空间,建立了综合考虑吸附气非线性非平衡解吸附、表面扩散,自由气黏性流和Knudsen扩散机理的非线性耦合渗流数学模型.模型认为吸附气在有机质表面发生表面扩散,并与无机质基质孔之间发生非平衡解吸附,无机质基质孔内存在黏性流和努森扩散,而天然裂缝和压裂形成的水力裂缝内只有黏性流.通过压裂水平井的数值模拟结果,揭示了缝网页岩储层中吸附气净解吸附速率的时空演变规律,发现了最大净解吸附速率由缝网逐渐向基质扩散的现象.通过多重压力系统分析,发现了裂缝中自由气、基质无机质孔隙中自由气、有机质中吸附气依次滞后的浓度扩散现象;通过对天然裂缝渗流场的分析,发现离散缝网区域包络线外的流动形式随时间依次出现:椭圆径向流、线性流和缝间干扰产生的非线性流.本文研究揭示了缝网页岩储层的渗流机理,为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

裂缝性低渗透油藏渗流规律实验研究

对某油田断块含天然裂缝的低渗透储层渗流特征进行了实验研究.本实验在常规渗流实验岩心夹持器末端增加了一套回压控制装置,渗流实验过程中,通过给岩心施加不同的回压,模拟了储层在变压条件下的流体渗流情况.得到了裂缝性低渗透储层岩心水相渗透率随回压的变化曲线.实验结果表明,裂缝的存在对低渗透储层的渗流特征有明显的改造,裂缝开启前,储层渗流可以看作是基质岩石渗流,裂缝对渗流的影响不大;裂缝开启后,由于其渗流能力较强,将发挥主要的渗流通道作用.