水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

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·     

不同水压加载下煤体裂隙渗流数值模拟

为研究煤体在不同水压加载下内部裂隙的渗流运动和孔隙变形规律,应用纽迈核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)扫描与图像重构技术建立煤岩微孔隙渗流模型,而后借助COMSOL软件,在煤体两侧为固定边界,其上部边界分别进行1～10 MPa水压逐级加载的条件下,对煤体的微观裂隙通道进行渗流运动的数值模拟分析.模拟结果表明:煤体中只有贯通裂隙参与渗流运动,非贯通孔裂隙不参与渗流运动;渗流过程最大流速先是呈现较大速率的正比例增长,在水压达到4 MPa时会突然保持稳定,在水压超过5 MPa后又呈现出较小速率的正比例增长.裂隙介质最大变形会在水压接近4 MPa时到达一个峰值然后突然反弹减小,又逐渐缓慢增大直至最后趋于稳定.应力云图特征表明,渗流过程中应力场变化趋势与裂隙位移变形趋势一致,渗流过程中的水力耦合作用是水压在4 MPa时渗流规律发生改变的主要原因.     

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。     

煤层定向水压致裂机理研究

随着中国煤矿开采规模、深度及强度的逐年加大,为进一步保障安全生产环境、降低安全事故发生的频度和烈度、提高资源回收率,煤层水压致裂的可控性是目前亟待研究的重要问题之一。煤层定向水压致裂技术利用钻孔煤层中的裂隙作为导向裂隙,在围岩应力与注水压力共同作用下,引导岩层破坏方向。基于水压致裂单裂隙压剪模型及断裂力学理论推导出定向水压致裂临界水压力,对煤层定向水压致裂机理进行研究。研究结果表明,定向裂隙的存在使得煤层水压致裂位置发生偏移,定向裂隙的角度和长度是影响煤层水压致裂破坏方向和临界注水压力的主要因素,这为煤层水压致裂可控性提供理论基础。     

基于PHF-LSM-MT法岩石材料细观边界建模与水力裂缝扩展研究

天然非均质岩石具有复杂的细观结构和分布特征,本文结合柏林噪声建立考虑非规则边界的颗粒几何模型,实现考虑任意粒径、长短半轴、倾角和平面填充率的非规则颗粒填充.基于完全流-固耦合弹塑性理论,在已有的PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture level set method)模型基础上,通过引入MT (Mori-Tanaka)均匀化方法考虑积分点有效范围内细观尺度的材料分布特征,进而建立了PHF-LSM-MT非均质岩石材料细观特征建模及其水力压裂过程模拟方法.结合误差分析验证了该方法的可行性,在此基础上对非均质岩石材料进行了水力压裂过程模拟,得到了等效开裂区域.模拟结果表明:注水点水压力呈先升高后降低的趋势,起裂压力随包裹体体积分数增加而降低.     

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。     

煤岩体水力致裂弱化技术及其进展

针对煤矿开采中坚硬顶煤（板）冒落性差的问题,讨论了煤矿生产中由此产生的顶煤放出率、冲击 矿压、自燃发火和瓦斯积聚等技术难题;分析了坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术的岩体水力致裂裂缝扩展行 为规律、渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响应,水压裂缝扩展形态控制技术,钻孔封 孔技术和岩体水力致裂弱化的监测监控的研究现状和技术发展趋势。     

穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真

选取鸡西城山煤矿现场实例,利用RFPA2D-Flow软件模拟了穿煤层钻孔定向水压致裂全过程.分析了应力、水压的分布与变化规律,研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程.对穿煤层钻孔定向水压致裂前后煤层瓦斯抽放过程中瓦斯抽放效果及压力分布进行了对比研究.结果表明,实施定向水压致裂后压裂孔与控制孔之间的卸压区成为主要的瓦斯渗流通道,使瓦斯抽放效果显著提高.     

基于弹塑性损伤的软煤水压致裂渗流耦合数值模型

为指导煤矿井下软煤水压致裂的现场应用,基于弹塑性损伤理论进行软煤水压致裂渗流耦合数值模型研究.通过研究煤岩体孔隙度动态变化,推导出孔隙度-应变耦合模型,形成水压致裂的应力-渗流耦合模型和水压致裂煤体失效判据.结果表明,数值模拟结果与实际相符,软煤在压裂过程中同时发生剪切和拉伸破坏,小流量压裂时压裂半径小,大流量压裂时压...     

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。     

Experiments on thermal fracture in rocks

The thermally induced fracturing appeared in the boundaries of mineral grains of rocks due to the different thermal expansion of different minerals while heating the rocks. When the microscopic fracturing connected like a network, the macroscopic permeability and the fluid transport properties of the rock changed remarkably. The implication of thermal fracturing to petroleum industry, earthquake process and transport modeling have been discussed.     

用于预测水力裂缝缝高的新拟三维流场模型

针对原有拟三维流场模型在控层较差时预测缝高过大的问题 ,根据水力压裂裂缝延伸机理 ,基于原拟三维数值模型生成的初始裂缝几何形态 ,采用从假定虚源发出的呈放射状径向流动的近似二维流场 ,对原拟三维模型的一维流场进行了修正 ,建立了新的拟三维流场模型。实例计算表明 ,由于考虑了压裂液在缝高方向上的流动 ,在控层较差的情况下 ,新模型对缝高的预测精度可达到全三维的计算精度 ,这对水力压裂施工和设计有实用意义。     

干热岩储层水力压裂改造的电磁法监测评价研究进展

从岩石受压破裂过程电阻率特性、裂缝型岩石电阻率特性、岩石电阻率与渗透率关系3个方面出发,总结了电磁法水力压裂监测评价相关的岩石物性基础研究,介绍了干热岩水力压裂现场电磁法监测应用案例。基于岩石电性基础研究总结得出：岩石在受压破裂过程中会伴随着显著的电阻率变化,且电阻率变化特征与岩石中的含水饱和度紧密相关;裂缝数量、宽度与粗糙度等都会对岩石的电阻率产生影响,影响趋势与裂缝是否含水有关;可通过修正Archie定律与Kozeny-Carman模型建立特定岩石的电阻率与渗透率关系模型。讨论了电磁法应用干热岩水力压裂监测评价所面临的难点,包括：（1）研究高温高压条件裂缝型致密岩石的电阻率性质;（2）研究高温高压条件裂缝型致密岩石渗透率与电阻率关系模型;（3）研究开发具有更高精度、更小分辨率、更强抗干扰能力及更远探测距离的电磁法探测新理论新方法、新技术新装备。     

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。     

压裂液对油页岩裂缝扩展影响的数值模拟

压裂液在油页岩水力压裂裂缝扩展过程中扮演着重要的角色,因此获得压裂液对油页岩水力压裂裂缝扩展的影响规律对油页岩水力压裂技术的发展有着巨大的推动作用。文章选取羟丙基胍胶稠化剂配制成了不同含量的压裂液基液,并测量了其粘度。然后,基于XFEM裂缝扩展分析方法和压裂液对油页岩裂缝扩展的影响模型,采用Abaqus数值模拟软件,对吉林省汪清地区的油页岩进行了不同粘度和不同排量压裂液条件下的裂缝扩展仿真模拟。分析模拟结果发现,水力压裂裂缝在油页岩中扩展时,压裂液排量是影响裂缝扩展的主要因素,而压裂液粘度对油页岩裂缝扩展的影响很小;随着压裂液排量的增加,裂缝的长度和宽度迅速增大,其扩展速率亦随排量增加而增大;到水力压裂后期,裂缝长度和宽度逐渐趋于常值,即压裂液对裂缝扩展的影响逐渐变小。     

微胶囊固体硝酸酸化液实验研究

固体硝酸酸压是近年来新发展起来的酸化技术,借鉴水力压裂微胶囊延迟破胶技术,先将固体硝酸微胶囊化,再用水基液携带固体酸颗粒带入地层裂缝,在裂缝中释放出H⁺,对地层实现深     

垂直井筒压裂温度场分布理论和计算方法研究

水力压裂施工过程中,随着温度的升高,压裂液粘度降低,影响压裂液的携砂能力。因此,精确计算压裂液在井筒的温度分布极为重要。本文在一定假设条件下,依据热力学平衡方程,考虑压裂液在井筒的摩擦产生的内热,建立了井筒内压裂液和地层温度场热力学平衡解析方程,并且根据数值计算理论,建立离散模型,最后进行了实例计算和分析。结果表明,摩擦产生的热对于计算压裂液温度不可忽略。     

高温高压下岩石水力压裂实验新型封隔技术

为解决高温高压下水力压裂实验的封孔难题,采用理论分析、数值模拟和物理实验的方法,设计了基于楔形金属对扣结构的水力压裂实验新型密封件,模拟分析了注水作用下的封隔效果,最后采用该密封技术成功开展了大尺寸岩样在高温高压下的水力压裂实验.结果表明:高温、高压和高注水压力均是该密封构件强化密封的有利条件;增加注水压力可实现密封件越压越紧;采用该密封技术成功实现了大尺寸花岗岩试样高温三轴应力下的水力压裂,验证了新型封隔技术的密封效果,同时掌握了高温高压下岩石水力压裂的多次开裂特征.     

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,...