缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展分析

针对缝洞型碳酸盐岩水力裂缝转向问题,基于多孔介质流-固耦合基本方程和损伤力学基本理论,建立了缝洞型碳酸盐岩储层的裂缝扩展有限元模型并进行模拟分析,模拟发现：（1）水力裂缝遇到天然裂缝,逼近角越大,水力裂缝转向的极限水平主应力差越小;天然裂缝长度越长,极限水平主应力差越大。（2）水力裂缝遇到缝洞体,溶洞宽度越大,水力裂缝沿转向的极限水平主应力差越大;天然裂缝的逼近角越大,极限水平主应力差越小。（3）压裂裂缝遇到天然裂缝转向后,转向后的裂缝的宽度变小;水力裂缝遇到溶洞,裂缝总体宽度急剧下降。     

水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态的智能预测

水力压裂作为页岩气储层开采的核心技术,在压裂过程中水力裂缝的扩展会遇到天然裂缝,与天然裂缝相交后压裂缝的扩展特征对缝网的形成有明显影响,从而影响最终压裂改造效果。基于内聚力单元建立了基于断裂力学的页岩气储层渗流-应力-断裂耦合的水力裂缝与多个天然裂缝相交扩展模型,研究了不同天然裂缝倾角、天然裂缝尺寸、应力差、压裂液排量和黏度下水力裂缝与天然裂缝扩展形态规律。采用基于Bagging算法集成支持向量机(support vector machines, SVM)、决策树(decision tree classifier, DTC)、逻辑回归(logistic regression, LR)、K最邻近算法(K-nearest neighbor, KNN)的裂缝形态分类器对裂缝相交扩展形态进行预测,并将Bagging算法预测结果与SVM、DTC、LR、KNN预测结果进行比较。研究结果表明：基于Bagging集成算法对水力裂缝与天然裂缝相交扩展形态预测准确率达到了92.58%,相较于单个算法,最高提升了17.95%,其中应力差越小、天然裂缝倾角、裂缝尺寸越大和压裂液排量、黏度越低越容易产生剪切缝,...     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。     

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。     

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。文章利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10 000 m3。     

裂缝性地层水力裂缝非平面延伸模拟

受天然裂缝作用影响,裂缝性地层的水力裂缝可能延伸为多分支、非平面的复杂裂缝体系,这与均质地层压裂产生的对称双翼平面裂缝具有巨大的差异。由于常规水力裂缝延伸模型无法用于模拟裂缝性地层中水力裂缝非平面延伸的裂缝形态和裂缝几何,为此,基于水力裂缝相交天然裂缝转向延伸路径的等效平面裂缝思想,建立了水力裂缝非平面转向延伸的数学模型,并推导了相应的数值求解方法。模拟计算表明,当水力裂缝沿天然裂缝转向延伸时,水力裂缝缝宽在延伸路径上表现为非连续分布,在转向延伸段突变减小,受缝宽减小节流效应影响,井底流体压力升高。影响因素分析表明,水平地应力差和逼近角越大,转向延伸段缝宽越小,对支撑剂输送限制越大;施工排量和压裂液黏度越高,包括转向延伸段在内,整个延伸裂缝段的缝宽越大,支撑剂在裂缝内的运移越容易,压裂施工风险越低。研究为认识裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征提供了思路和方法,为裂缝性地层压裂设计提供了理论依据,具有重要的理论价值和现实意义。     

页岩气储层水力裂缝转向扩展机制

从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸。分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算。结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄;压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大;水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向;水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄;裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小;水力裂缝转向能扩展为2~3种裂缝模式的复合。     

天然裂缝对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

煤层井下水力压裂过程中,天然裂缝会对水压裂缝的扩展产生重要影响,通过建立水压压裂裂缝遇天然裂缝二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对裂缝扩展规律及天然裂缝破坏机理进行研究.研究表明:扩展中主裂缝与天然裂缝的相交角度、水平主应力差及天然裂缝的发育程度是影响扩展方向的主要因素.在低主应力差、低相交角的条件下,压裂裂缝趋于沿天然裂缝发生剪切破坏扩展;在高应力差和高相交角情况下,压裂裂缝易直接穿过天然裂缝扩展.当天然裂缝尺寸较长,压裂裂缝易沿天然裂缝扩展,而小尺寸的天然裂缝对裂缝扩展影响不大.     

多裂缝储层水力裂缝扩展机理试验

采用大尺寸真三轴试验系统,对多裂缝储层水力裂缝与多裂缝干扰后影响水力裂缝走向的各种因素进行了研究,并分析了压力曲线特征。试验结果表明：水平主应力差和逼近角是决定水力裂缝走向的主要因素,高水平应力差和高逼近角有利于水力裂缝穿过多裂缝,水平主应力差越大,水力裂缝形态越平直;天然裂缝带发育程度和天然裂缝面摩擦系数也是影响裂缝走向的主要因素,天然多裂缝越发育,越易造成压裂液大量滤失进而产生多水力裂缝,摩擦系数越小,水力裂缝越易沿天然裂缝转向;天然多裂缝带的存在,会造成水力裂缝形态的非对称性;水力裂缝的扩展具有非稳态特性。     

水力裂缝与天然裂缝相互作用与影响

在非常规油气藏中,复杂裂缝网络的形成在很大程度上受水力裂缝与天然裂缝相互作用的影响。基于断裂力学理论,建立了水力裂缝与天然裂缝相互作用力学模型,分析天然裂缝介质系统中水力裂缝遭遇天然裂缝后的扩展形态。对于水力裂缝穿越天然裂缝的情况,给出了穿越角度;对于未穿越情况,给出天然裂缝张开闭合形态判别方法。通过数值计算研究了水平主应力差、逼近角、界面摩擦系数和裂缝净压力等因素的影响。结果表明,在高水平主应力差、高逼近角和高界面摩擦的条件下,水力裂缝倾向于穿越天然裂缝;在低水平主应力差、低逼近角和低界面摩擦的条件下,水力裂缝则更容易被捕获。同时,在水力裂缝内净压力越高,天然裂缝越容易张开。该模型为分析水力裂缝与天然裂缝相互作用过程以及水力压裂工程设计提供了依据。     

天然裂缝对页岩储层网状诱导缝的控制作用

页岩地层只有借助体积改造技术形成网状裂缝系统才能实现有效开发，而网状裂缝形成的必要条件是诱导缝沿天然裂缝转向。借助 RFPA2D 数值仿真软件，从岩石力学角度出发开展诱导缝转向规律的机理研究。结果表明，天然裂缝的长度、走向等都会影响诱导缝转向的难易程度，裂缝长度越大、与最大主应力夹角越小，发生转向的可能性越大；其次，诱导缝起裂的角度也会影响其转向，起裂方位与最大主应力夹角越大，诱导缝沿天然裂缝转向越容易。文章还分析了复杂裂缝性地层诱导缝延伸规律，直观地再现了诱导缝依次打开天然裂缝并分叉的现象，并证明了只有诱导缝沿天然裂缝转向才可能形成复杂诱导缝体系。     

基于CDEM的页岩甲烷原位燃爆压裂数值模拟

甲烷原位燃爆压裂是一种利用原位解析的甲烷气体作为爆源的页岩气储层改造方法。基于连续-非连续单元法(CDEM),结合朗道爆源模型和线弹性拉剪复合断裂本构建立甲烷燃爆压裂数值模型。针对页岩气储层开展直井甲烷燃爆压裂数值模拟,分析燃爆峰值压力、增压速率、初始最小主应力、应力差以及天然裂缝参数对燃爆裂缝扩展的影响。结果表明：甲烷燃爆压裂在井周形成复杂裂缝,随着峰值压力和增压速率的增大以及初始最小主应力的减小,燃爆裂缝扩展范围会增加,其中峰值压力的影响最显著;在应力差的影响下燃爆裂缝范围偏向最大主应力方向,且应力差越大这种偏差越明显;天然裂缝能够增强燃爆压裂效果,其分布密度越大、缝长越长、与最大主应力方向夹角越小,燃爆裂缝扩展范围越大。     

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。     

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.     

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。     

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。     

破碎岩石内水力裂缝扩展数值模拟研究

爆炸-水力复合压裂是深层页岩油气开采的新型方法,即通过水力压裂的方法在爆炸后井筒周围形成的破碎岩石中使水力裂缝迅速在破碎岩石内竞争扩展,形成复杂缝网,对深层页岩油气的开采具有重大意义。在最大能量释放率理论基础上,首先推导了破碎岩石内裂缝扩展能量释放率计算式,然后结合内聚力单元和随机泰森多边形,建立了破碎岩石内水力扩展模型,分析了应力差、破碎单元数量、断裂韧性比、施工排量和井周初始裂缝数量对水力裂缝扩展的影响规律。研究结果表明：（1）应力差从1MPa增大至9Mpa时,裂缝总长度和平均裂缝延伸速率分别降低了37.79%和33.11%;（2）断裂韧性比的增大会极大地提高破裂压力从而减小应力差的干扰,且断裂韧性比从0.1增大至0.5时,总缝长提高了38.46%,同时也导致平均裂缝延伸速率降低了32.10%;（3）排量和井周初始裂缝条数均与裂缝总长度和平均裂缝延伸速率均呈正相关,但破碎单元数几乎不会改变裂缝延伸速率,并与裂缝总长度呈正相关。     

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.     

裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征分析

为分析裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征,基于等效平面裂缝思想和PKN模型,建立裂缝性地层水力裂缝延伸数学模型及求解方法。模拟计算表明:水力裂缝沿天然裂缝转向延伸时,缝宽在转向延伸段明显减小,在延伸路径上表现为非连续变化特征;受转向延伸段缝宽减小对流体流动的节流作用,转向延伸段的流体压力梯度增大,导致井底施工压力升高;水力裂缝沿天然裂缝转向延伸距离越长或转向延伸次数越多,则井底施工压力上升幅度越大。本文模型为分析裂缝性地层水力裂缝非平面延伸特征提供了手段,为裂缝性地层水力压裂工艺参数设计提供了理论依据。     

页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析

压裂实践表明,页岩储层的水力裂缝呈现出非平面、多分支的复杂延伸模式,这与传统压裂理论认为的对称平面双翼裂缝从形成机理上存在本质的区别。基于室内实验、矿场压裂实践、理论分析和数值模拟等研究成果,系统分析了页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素。研究表明:页岩储层的裂缝延伸形态受到地质因素和工程因素的双重作用,从储层地质属性上看,岩石的脆性矿物含量越高、岩石的力学弹性特征越强、水平应力差越小以及天然裂缝越发育,越有利于压裂缝的成网延伸与扩展;从压裂作业的工程条件上来说,施工净压力越高、压裂液流体黏度越低以及压裂规模越大,越有利于形成充分扩展的缝网。该研究对认识页岩储层缝网扩展机理以及提高页岩储层压裂设计的科学性具有重要的理论价值和现实意义。