水压致裂作用下岩体参数对裂纹扩展影响的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20-Flow,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,创建渗流-应力-损伤耦合模型.模拟分析了不同层理角度及不同岩石强度的非均质层理岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程,描述了这两种岩体参数对拉伸裂缝萌生及扩展的影响趋势.模拟分析结果表明,层理角度和岩石强度对水压致裂作用下层理岩体裂纹扩展模式及岩体稳定性的影响是不可忽略的;随着层理角度的增加,最大主应力及层理弱面分别对压裂裂纹的萌生和扩展起主要控制作用;在同一层理角度条件下,随着岩石强度的减小,层理岩体的稳定性降低,其破裂模式亦产生较大的变化.     

岩石水压致裂过程的数值模拟分析

应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统(FRFPA2D),模拟分析了岩石在水力压力作用下破裂失稳过程,对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响·结果表明,岩石的非均匀性对水压致裂的开始压力、失稳压力以及裂纹的扩展路径有很大的影响,对于不均质试样,水压破裂的开始出现要比失稳压力到达早得多,而对于均质试样,破裂初始压力和崩溃压力是不能区分的;同时,岩石的非均匀性也影响着破裂路径的粗糙度和不规则展布,模拟结果和相关实验结果具有较好的一致性·     

水压致裂过程的弹塑性细胞自动机模拟

利用自行研发的弹塑性细胞自动机模型和模拟系统，建立了非均质岩石水压致裂过程的细胞自动机模拟方法.该方法能够反映流体在水力梯度作用下进入新生微裂隙、形成新的流体渗流边界而对该边界产生张拉效应，并引起微裂隙的进一步扩展、贯通，最终形成宏观裂纹的过程，可以方便地进行水压致裂过程中边界条件和水力参数的动态更新.同时，研究了不同均质度和井筒内径对水压致裂行为的影响.结果表明，随着井筒内径增加，极限水压力降低，而破裂模式基本相似，模拟结果与典型实验现象吻合较好.     

弹性模量对岩石注浆裂缝形成影响分析

为了更深入的了解注浆过程中裂隙的产生规律,采用RFPA-flow软件,建立了裂隙岩体注浆模型,模拟了岩体注浆过程中破裂萌生、扩展、相互作用直至模型失稳破裂的全过程。结果表明:岩体注浆压裂过程中,不同弹性模量的岩石对注浆过程中裂纹产生的结果有较大的影响,弹性模量的改变会影响岩石的初始破裂压力,随着弹性模量的增加,岩石所需的破裂压力越大且岩石越难破裂,岩体模型失稳所需的注浆压力也随之增加。只改变岩石的弹性模量而不改变其他条件下,由于岩石破裂难度的提升浆液的流动难度也随之增加,弹性模量越大的岩石浆液越难流动。研究结果揭示不同弹性模量的岩石在相同条件下的注浆致裂裂纹形成规律,旨在对现场施工进行理论指导。     

岩石水压致裂影响参数的仿真

针对影响水压致裂实验中起裂和失稳压力变化的诸多因素,通过RFPA2D-Flow数值仿真实验,建立了水压致裂模型,研究了孔隙水压力系数、围压比及非均匀性等因素对水压致裂的影响.研究结果表明,试件孔隙水压力系数及围压比的变化对水压致裂起裂压力和失稳压力影响明显;随着孔隙水压力系数的增大,岩石试件的起裂压力和失稳压力都随之减小,最大降幅可达37%;而围压比从1.0增加到1.5过程中,起裂压力和失稳压力降低了大约16%.分析结果对水压致裂施工设计及研究具有一定的参考价值.     

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。     

水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在,真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。自行研制了一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料,内部预制张开型裂隙组,通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试验。详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在渗透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制;研究了裂隙组倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。试验表明:水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明显不同,水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用,对包裹式翼裂纹有促进作用;平行双裂隙组试件的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加,起裂应力和峰值强度增大并逐渐趋于单裂隙强度水平。试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。     

水力耦合作用下三维中空裂隙扩展模式与材料破坏强度的试验研究

采用透明树脂类岩石材料制作含三维中空单裂隙试件,开展水力耦合破裂试验,研究三维裂隙起裂扩展模式,分析裂隙倾角和水压对裂隙起裂应力及试件破坏强度的影响规律。研究结果表明:三维中空裂隙的起裂和扩展模式与闭合裂隙相比差异显著,水力耦合下三维裂隙起裂扩展模式呈现低水压与高水压2种类型,水压升高对裂隙起裂、扩展具有显著的促进作用,并改变试件的破坏模式;随裂隙倾角增大,翼裂纹临界扩展长度逐渐减小,鱼鳍状裂纹的萌生时间呈后延趋势;水压对裂隙起裂应力和试件破坏强度的影响分别存在阈值,在达到阈值前,水压升高使起裂应力小幅度增大,而破坏强度逐渐降低;当水压超过阈值后,起裂应力与破坏强度均迅速降低;裂隙起裂应力和试件破坏强度均随裂隙倾角增大而呈先降低后升高的趋势,但起裂应力的变化幅度比破坏强度的变化幅度更大。     

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。     

急倾斜特厚煤层耦合致裂与破碎工艺研发及应用

水压致裂(hydraulic fracturing,HF)与预爆破(pre-split-blasting,PSB)是有效致裂坚硬煤岩体和促进安全开采的技术手段。其存在压裂效果差、润湿周期长、致裂方向、大小与范围有限和易诱发灾害等。针对急倾斜特厚煤层破碎难题,通过理论分析、数值计算、模型实验和现场应用等方法,揭示弱碱性石灰水耦合致裂与破碎机制。基于声发射(Acoustic emission,AE)观测与裂隙光学捕获(Crack Activity Optical Acquiisitions,CAOA)技术方法,揭示了煤岩体裂隙萌生扩展与转异规律。对比分析表明,在煤岩体体积膨胀中产生明显侧向压力,显著促进煤岩体裂隙扩展演化,裂隙扩展速度呈现先增后降趋势。应用实践表明,顶煤破碎度、冒放性和回采率显著提高,开采环境明显改善,这对急倾斜煤层安全高效开采与环境安全具有科学与工程应用价值。     

水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用

针对高瓦斯低透气性突出煤层,若直接采用钻孔抽放瓦斯,则存在抽采效果差、抽放时间长、抽放率不高的问题。为提高低透气性煤层的抽放效率,达到预防瓦斯突出的效果,运用水力压裂增透技术在同华煤矿K1半煤岩巷掘进工作面进行了试验。试验结果表明,采用水力压裂能够增加煤层透气性,提高单孔瓦斯抽采浓度和流量,减少防突施工对掘进工作的影响,提高预抽瓦斯效果,减少掘进面生产期间的安全隐患。使掘进面瓦斯日抽采量增加120%以上、日掘进进度增加80%以上。     

煤层气井压裂引起的渗透率损伤研究

由于煤层的应力敏感性,在煤层气井的压裂过程中,随着高压流体的持续注入,压裂裂缝的产生势必会对附近的煤层渗透率产生影响。针对煤层气井压裂引起的渗透率损伤问题,通过理论计算的方法,建立了压裂引起的诱导应力与渗透率之间的关系式,通过计算实例,分析了压裂引起的渗透率的损伤特征。研究认为:压裂产生的诱导应力和引起的渗透率损伤均在裂缝两侧呈对称性分布;压裂对裂缝附近煤层渗透率会产生直接的影响,渗透率损伤现象明显;压裂引起的渗透率损伤可能是某些已压裂的煤层气井增产效果不明显的原因之一。     

基于灰色关联的压裂液渗吸主控因素分析

渗吸作用是影响致密储层开发效果的重要因素,明晰压裂液渗吸机理及影响因素作用规律对于评价致密储层压后生产特征意义重大。本文基于新疆致密砂岩储层岩心,采用体积法开展了饱和油致密岩心压裂液渗吸实验,研究了压裂液体系、岩心渗透率、实验温度、岩心长度和原油粘度对渗吸速率及渗吸采收率的影响,并基于灰色关联度对渗吸因素进行了影响程度评价。研究表明：渗吸采收率与渗透率、实验温度成正相关关系,与压裂液质量分数、岩心长度和原油粘度呈负相关关系,渗吸速率呈现出初始较快,随后迅速下降;各渗吸因素对渗吸采收率的影响程度排序为：压裂液体系>原油粘度>实验温度>岩心长度>岩心渗透率,致密储层压裂后应对储层性质及注入流体性质进行综合评价,为压后生产特征分析提供依据。     

页岩气藏压裂数值模拟敏感参数分析

针对页岩气藏压裂形成复杂裂缝网络后,单一的裂缝描述方法不再适用的问题,采用Eclipse 软件中的页岩 气模型,建立了一种“等效方法”,将页岩气有效改造体积表征为“主裂缝+ 网络裂缝渗透率”,代替“主裂缝+ 次裂 缝”的模拟方法,两种方法产量和长期压力驱替是等效的,解决了手工划分网格工作量大、计算速度慢的问题。运用 Plackett-Burman 型线性试验设计方法,对水力裂缝参数和储层参数进行敏感性排序,结果表明：水力裂缝参数中,压裂 纵向改造程度、网络裂缝渗透率和有效改造体积对产量影响最敏感,储层参数对产量影响敏感程度由强到弱为：地层 压力系数、总含气量、储层有效厚度、吸附气比例、井底流压、基质渗透率。为页岩气压裂选井选层和压裂设计方案优 化提供了依据。     

转向压裂用暂堵剂研究进展与展望

我国低渗油气资源储量丰富,水力压裂是开采此类资源的重要措施。但随着生产进行,水力裂缝失效将导致油气产量下降,化学暂堵转向压裂是恢复和提高低渗透油气产量的重要方法之一。暂堵剂能够对高渗透层进行封堵,迫使压裂液转向,实现对剩余油聚集区的压裂改造。根据暂堵剂形态的不同将暂堵剂分为颗粒类暂堵剂、压裂暂堵球、纤维类暂堵剂及冻胶类暂堵剂,从封堵机理、优缺点及暂堵剂研发现状等方面对上述四类暂堵剂以及几种新型暂堵剂进行了综述,并对暂堵剂未来的发展方向进行了探讨。认为可降解水溶性暂堵剂是今后的主流发展趋势,根据地层情况选择多种类型暂堵剂实施复合暂堵有利于提升封堵效果,根据数值模拟结果来指导暂堵转向压裂施工参数的定量优化是亟待攻关的难题。     

油藏水力压裂区域分解模拟算法

由于压裂裂缝能增加地层的非均质性,因此,选用适当的数学模型和算法是提高模拟效果和计算精度的关键。将区域分解算法与黑油模型相结合,对水力压裂后形成的裂缝油藏进行了精细的模拟计算,通过计算渗透率的大小来描述裂缝的几何尺寸和方向。同时考虑到生产过程中裂缝导流能力会发生变化,采用了指数递减的方法对裂缝导流能力进行综合处理。模拟计算表明,运用该算法能较好地描述裂缝。本方法可用于对水力压裂油藏进行长期生产动态的计算和预测。     

基于流-固耦合的压裂裂缝形态影响因素分析

压裂裂缝形态易受储层物性、地应力、施工参数及压裂液黏度的影响.基于多孔介质流-固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用cohesive黏结单元模拟压裂过程中裂缝起裂、扩展造成的损伤,以此建立水力压裂垂直裂缝扩展的三维有限元模型.模型可以对垂直缝扩展进行动态模拟,定量描述压裂过程中裂缝长度、高度、宽度.通过模拟发现:①储隔层弹性模量差值较小、施工排量过大、储隔层最小水平主应力差值较小均可能造成泥岩穿层,裂缝长度急剧下降,严重影响压裂效率;②渗透率对裂缝长度的影响最大,高弹性模量、低渗透的储层容易造长缝,但是高弹性模量、高渗透或高滤失的储层裂缝长度较短;③弹性模量对裂缝宽度的影响最大.     

低渗透非均质油藏油井压裂裂缝参数优化研究

低渗透油藏的特点是储集层物性差、非均质性强、层间差异大、油井无自然产能或自然产能很低。因此如何利用水力裂缝高效沟通储层、建立稳定的油气渗透通道是压裂作业亟待解决的问题。以菱形反九点为例,建立低渗透非均质地质模型。详细分析了在不同裂缝参数下采出程度、含水率和无水采油期的变化关系,并采用正交设计实验判断裂缝参数的主次关系。结果表明,裂缝导流能力和裂缝穿透比不是越大越好,均存在一个最佳值。在低渗非均质油藏条件下,裂缝导流能力是影响采出程度的主要参数,其次是裂缝穿透比。     

定向射孔水力压裂多裂缝形态实验研究

采用大型(试件尺寸：300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。研究结果表明：定向射孔方位角和水平地应力差对定向射孔水力压裂人工水力裂缝的起裂和形态影响巨大。定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝;在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝。提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,改进压裂增产效果。     

孔雀区块水平井压裂产能优化设计 与经济评价

孔雀区块位于塔里木盆地北部坳陷东北部,该区块志留系砂岩储层物性极差,属于低孔低渗碎屑岩气藏,垂直井已经难以满足此类气藏的勘探开发需求;因此深入开展水平井分段压裂优化设计及经济评价研究具有重要意义。提出了统一压裂设计(UFD)方法,该方法基于最大化产能的目的,开发了一个叫做"支撑剂数"的参数,它把压裂规模与裂缝的最佳导流能力及最大生产指数相关联起来,在给定气藏地质特征条件下,以最优的生产指数为目标设计出最佳的裂缝几何形态。UFD方法的设计目标是最优的水力压裂设计,可产生一个最大的生产指数。同时在UFD物理产能最大优化的基础上与经济评价相结合,采用净现值(NPV)分析方法,分析最佳的水平井分段压裂施工方案。压裂优化实践表明孔雀井区水平段各种压裂方案均无法实现经济开发,多-短缝不适用于低孔低渗气藏的改造,需要寻找"甜点"进行有效开发。