坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律分析

为探究不同因素对水力裂缝扩展行为的影响,以塔山煤矿坚硬顶板砂岩为研究对象,采用扩展有限元法模拟裂缝扩展过程,分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展行为的影响。结果表明：单裂缝扩展时,应力比和泊松比越大,抗拉强度越小,越有利于裂缝延伸,且稳定扩展压力越小;应力比和泊松比越小,抗拉强度越大,越有利于裂缝张开;注液间隔时间对裂缝扩展影响较小。双裂缝扩展时,注液速率和裂缝间距越大,越有利于裂缝延伸;注液速率越大和裂缝间距越小,越有利于裂缝张开;注液速率减小,裂缝间距增大,稳定扩展压力减小。针对坚硬顶板砂岩的水力压裂,此研究可为煤矿现场设计与施工提供参考和借鉴。     

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。     

页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键。试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响。通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态。实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性。试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝。另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝。     

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验，得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明，玄武岩中天然裂缝发育程度较低，抗拉强度较高，裂缝起裂会导致明显的压降，压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育，裂缝起裂不会导致明显的压降，高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝，裂缝扩展摩阻很大，裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低，部分发育有天然裂缝，破裂压力较低，裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。     

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验,得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律.研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低,抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当.     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学和有限差分法的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。     

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。     

定向射孔体积压裂复杂裂缝扩展机理试验研究

基于线弹性岩石力学和定向射孔增产理论,提出了利用定向射孔诱导地层形成复杂体积裂缝的增产设计思路。通过大型真三轴水力压裂物理模拟实验对其压裂机理进行了研究,分析了射孔方位、水平地应力差、射孔深度等对破裂压力以及裂缝扩展形态的影响。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差对破裂压力的影响最为明显;并且控制着裂缝转向半径。随着射孔方位角的增大,破裂压力逐渐升高;随着射孔深度的增加,破裂压力逐渐降低;同时存在一个最佳射孔方位角范围,在此范围内可以诱导地层产生"S"型、"X"型等复杂裂缝形态。研究成果可为定向射孔压裂施工参数优选提供理论支撑。     

斜井水力压裂三维裂缝动态扩展数值模拟

斜井的近井筒效应较为复杂,若存在射孔相位误差,极易在地层和水泥环交界面处产生微环隙,引起较高的近井压降,甚至在微环隙内产生砂堵,造成压裂施工失败。对于斜井水力压裂裂缝三维几何形态的预测,一直是水力压裂领域的难题。本文采用黏弹性损伤cohesive孔压单元,考虑套管、水泥环、地层、射孔孔眼和微环隙对水力压裂的影响,建立了斜井的水力压裂三维裂缝形态的有限元模型。同时,考虑水力压裂过程中储层岩石渗透率和孔隙度的动态演变,对渤海湾地区20°井斜角的C5井开展了水力压裂裂缝动态扩展的数值模拟研究,计算得到的井底压力曲线与现场施工曲线一致。研究了斜井水力裂缝和微环隙的起裂和扩展机理。微环隙在水力压裂的初始阶段沿井眼周向和轴向同时起裂并扩展,随着水力裂缝的扩展而逐渐闭合,对于具有较复杂近井筒效应的硬地层大斜度井而言,微环隙的起裂和多条裂缝的产生,极易导致压裂失败。斜井水力裂缝近似两翼对称,易向地应力较小的盖层扩展,缝高较难控制。数值模拟结果为现场水力压裂的设计提供理论指导。     

定面射孔对压裂初始裂缝形态的影响研究

定面射孔是致密油水力压裂改造的一种新型完井措施。利用大尺寸真三轴水力压裂实验系统开展了300 mm×300mm×300 mm立方体试样定面射孔压裂物模试验,结合有限元三维应力分析,研究了定面射孔相位角对水力压裂初始裂缝形态的影响机制。研究结果表明:定面射孔各射孔道之间的应力干扰改变了近井筒应力分布格局,导致沿定面射孔方向水力裂缝呈倾斜状及迂曲状扩展,背离射孔方向裂缝形态为近垂直状形态。随射孔相位角减小,孔道间应力干扰增大、裂缝起裂压力提高,各射孔均产生破裂进而形成横向倾斜压裂平面。利用定面射孔技术可控制压裂初始裂缝呈非对称、非规则扩展形态,增加近井筒水力裂缝的复杂性。     

致密薄互层水力压裂裂缝垂面扩展施工因素数值模拟

中国具有丰富的致密油气藏储量,必将成为中国接替的油气资源。致密油藏开发主要依靠水力压裂技术,对于致密薄互层,施工因素作为可控因素,对于现场施工具有重要意义。因此,本文研究针对鄂尔多斯盆地致密储层,低孔低渗、储层厚度薄等特点,以该地区L井F12地层为例,采用Abaqus有限元软件进行了模拟计算,研究了施工过程中的排量以及压裂液黏度对裂缝垂面扩展规律的影响,并且根据实际情况对模型进行验证,确定了模型和模拟方法的准确性。研究结果表明：压裂液的排量对于裂缝的扩展具有重大影响,排量越大,裂缝的扩展速度越快,裂缝的缝高和缝宽越大;压裂液黏度对裂缝的扩展行为影响微乎其微。并进一步分析发现,针对致密薄互层,仅仅只改变压裂液排量和黏度并不能将裂缝控制在储层内,采用变排量控缝高技术辅以其他控缝高手段能够更好地将裂缝控制在储层内,为现场压裂施工提供了基础。     

页岩油水平井多段压裂裂缝高度扩展试验

针对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层压裂垂向改造程度低的问题,基于真三轴水力压裂模拟试验研究CO2与胍胶复合压裂相比于常规水基和超临界CO2压裂缝高扩展的优势.创新性建立一套针对天然页岩的水平井多段压裂模拟试验方法,并通过试样剖分、CT扫描和声发射监测等方法综合确定多段压裂裂缝形态和破裂机制.结果表明:低黏度滑溜水和超临...     

压裂液黏度对水力压裂破裂压力及破裂形态的影响

随着非常规油气开发需求的增加,水力压裂技术作为油气增产的关键技术受到广泛关注。根据现场压裂结果显示,压裂液黏度作为易于调整的工程参数会对储层改造效率造成重大影响。为了探究压裂液黏度对水力压裂效率的影响,系统开展了不同压裂液黏度作用下砂岩室内水力压裂试验,揭示了压裂液黏度对水力压裂破裂压力、破坏形态的影响及内在机理。试验结果表明：低黏度压裂液将产生两翼平直窄裂缝,高黏度压裂液将形成单翼宽裂缝或分支裂缝。随着压裂液黏度升高,水力压裂过程中由于滤失产生的孔隙压力减小,破裂压力升高。通过试验结果得到了考虑压裂液黏度的计算式,对水力压裂参数设计具有指导意义。     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合 ,在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下 ,建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型 ,利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展 ,应用数值方法对所建立的数学模型求解 ,得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明 ,裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时 ,法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展 ;当尖端交叠面积较小时 ,两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展 ;当尖端交叠面积较大时 ,两裂缝向靠拢对方的方向扩展 ,最终将贯通在一起     

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。     

水力深穿透射孔对压裂裂缝形态影响的数值模拟

基于各向异性弹性力学,结合流体力学理论,建立水力深穿透射孔条件下各向异性地层中垂直裂缝扩展的力学模型,基于最大周向应力准则建立裂缝扩展路径的计算方法,利用牛顿迭代法求解数值模型,并通过算例验证模型及求解方法的正确性。结果表明:裂缝转向半径随着射孔长度及射孔角度的增加而增大,随着压裂液黏度及排量的增加而增大;对称布孔方式优于单侧布孔方式,裂缝转向半径随着弹性模量各向异性差值的增加而增大,随着弹性模量的增大而增加。