水力压裂近井区裂缝转向扩展机理

针对水力压裂条件下煤层气井初始压裂缝转向问题,首先基于断裂力学原理与最大周向应力准则,分析了储层原始地应力场和压裂液渗透场时空演化规律,建立了裂缝转向起始模型,并考虑转向裂缝面复杂的应力边界条件,利用位移不连续法建立了裂缝转向扩展模型;其次着重考虑了射孔角度、地应力差及施工排量对压裂缝转向扩展的影响,结合焦作恩村矿区现场施工参数,分别计算了裂缝起偏角度和偏转距离。计算结果表明：水力压裂条件下,射孔角度与地应力差对近井区压裂缝转向影响较大,而压裂液排量则影响较小;当射孔角度或地应力差较小,压裂缝偏转距 离较大,形成的压裂缝曲率也较小;反之亦然。最后运用XFEM软件模拟裂缝转向扩展机制,经与计算结果对比,发现二者较为吻合,从而验证了理论模型的正确性,研究成果可为定向射孔水力压裂现场控制提供理论指导。     

水平井压裂多裂缝同步扩展数值模拟

采用有限单元法对水平井压裂多裂缝同步扩展问题进行数值分析。考虑压裂过程中高压流体、岩层变形/破裂与裂缝扩展之间的多物理场耦合响应,建立多裂缝同步扩展力学模型;采用裂缝单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径。应用有限元方法求解耦合模型并编制计算程序,模拟水平井多裂缝同步起裂、扩展和转向过程。研究结果表明:水平井多裂缝同步压裂,起裂压力相差较小;延伸压力受缝间应力干扰影响,中间裂缝处压力高于两侧裂缝;随裂缝扩展,多裂缝之间应力干扰效应提高,主应力方向偏转范围增大,促使复杂裂缝的形成;通过优化射孔簇间距与数量可增强裂缝间应力干扰效应,增加水平井多裂缝扩展的复杂性。     

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.     

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。     

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。     

基于扩展有限元法的水力压裂大物模实验的数值模拟

该文在页岩水力压裂实验的基础上,采用扩展有限元方法(XFEM),发展了ABAQUS软件的显式用户单元子程序,实现了页岩水力压裂过程的初步数值模拟。通过在常规3维实体8节点单元中引入扩充自由度,实现在单元内引入不连续位移场,模拟了水力压裂的裂纹,且无需在裂纹扩展过程中重画网格。采用有限差分法(FDM)离散流体的连续方程,实现对裂缝内流体流动的模拟。对一般扩展有限元方法进行改进,引入虚拟节点,在显式方法中可以简化处理单元内的裂纹,同时在扩充8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制,大大提高了计算效率。数值模拟结果与实验吻合得较好。     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

比例边界单元法模拟混凝土梁混合裂缝扩展

 基于线单性断裂力学（LEFM）,采用比例边界有限单元法（SBFEM）模拟了混凝土梁混合裂缝扩展。通过与非线性有限单元法（NFM）模拟结果的对比,说明了SBFEM能预测裂缝扩展轨迹,并能准确有效计算荷载位移曲线及其作用点的挠度曲线。     

预设裂缝沥青复合小梁扩展有限元模拟

对含预设裂缝沥青复合小梁进行疲劳试验,探讨梁底部的支撑方式和预设裂缝位置对于复合小梁裂缝扩展行为和疲劳寿命的影响。采用随机骨料生成和投放算法建立复合梁的异质模型,借助ABAQUS平台的扩展有限元方法对比分析了复合梁在均质和异质模型下的裂缝扩展路径,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:均质和异质模型下裂缝扩展行为总体上基本一致,但裂缝扩展路径、最大主应力分布形式相差较大,异质模型下裂缝扩展路径更接近试验结果,其最大主应力分布也能更好地解释裂缝扩展朝着荷载作用位置进行且扩展速率在裂缝扩展过程中逐渐增大的现象;平板支撑方式下沥青复合小梁裂缝扩展行为与实际路面状况更接近。     

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。     

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.     

基于XFEM的损伤扩展模拟

材料裂缝的扩展是一个经典的不连续问题,采用常规的有限元方法难以实现裂缝扩展过程的仿真模拟。为了解决常规方法的诸多弊端,XFEM方法引入水平集函数描述裂缝形态,实现了裂缝在单元内部的萌生与发展,解决了传统方法只能依赖单元生死来模拟裂缝扩展的难题。在扩展有限元方法基本原理的基础上,以ABAQUS为平台,利用XFEM方法模拟了弹性力学经典解中的有限大平板的裂缝问题,验证了XFEM方法的有效性;同时,模拟了三点弯梁的裂缝扩展过程。结果表明:扩展有限元方法能够有效地进行开裂过程仿真,逼真地模拟出裂缝的扩展行为,不受单元边界的制约,无需单元的局部加密,有效地减少了单元数量,节约了计算成本,为解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

缝面位移控制压裂裂缝同步扩展数值模拟

分段多簇压裂是非常规油气藏有效动用的重要工艺,压裂裂缝的复杂程度是提高单井产量和控制储量的基础,储层裂缝的扩展形态受地层物性,压裂工艺参数影响较为复杂。因此,为探索压裂裂缝同步扩展的形态特征及影响因素,建立了分段压裂缝面位移参数控制裂缝扩展数学模型,通过典型井取心岩心力学实验和数值模拟,结果表明：分段压裂簇裂缝的同步扩展形态与井斜角密切相关。井斜角在90°减小至0°时,裂缝扩展形态特征由双翼对称向双翼非对称转变,90°时簇裂缝向外侧发生偏转,且在裂缝尖端和应力阴影区,最大、最小主应力方向均发生转向,更利于复杂缝网的形成;小于90°时,裂缝向内侧发生偏转。分段压裂簇间的应力干扰作用强度与压裂排量值正相关、与簇间距离值负相关。压裂排量大小对提高裂缝的缝长和缝宽的扩展距离作用明显,能有效提高单井控制储量范围,但缝宽的扩展存在上限;簇间距10 m时,每孔排量不低于0.12 m³/min才能有效形成簇间应力干扰;排量0.18 m³/min,簇间距离小于20 m时,裂缝间的应力干扰显著,最大与最小主应力方向均发生转向,更好形成复杂缝网,簇间距离大于20 ...     

基于扩展有限元的水平井改进拉链式压裂数值模拟

为了研究水平井改进拉链式压裂的裂缝扩展规律,根据水力压裂流-固耦合理论,采用扩展有限元方法分析改进拉链式压裂过程中簇间距、地应力等因素对各条裂缝扩展形态和缝间诱导应力场的影响。结果表明:裂缝间距越大,簇间应力干扰作用越小,但对每条裂缝的影响程度不同;较大的裂缝间距能够保证压裂后形成的各条裂缝具有相似的形态,且压裂缝的长度更长并能从射孔处向两侧均匀延伸,从而实现储层的均衡开发;地应力差越大,各条裂缝的扩展越均匀,减少了裂缝发生偏转的可能,并能在一定程度上降低邻井裂缝发生沟通的风险。     

煤层水力裂缝扩展判定模型建立及验证

针对煤层压裂裂缝扩展难以表征的问题,根据岩石强度破坏准则,建立了水力裂缝扩展路径判定模型,通过室内试验验证了模型可靠性,结合矿场应用分析了水力裂缝与弱面相交后的扩展行为。研究显示：水平主应力差、弱面方位角、弱面摩擦系数是影响水力裂缝扩展的重要因素,在高主应力比、高方位角、高弱面摩擦系数条件下水力裂缝易直接穿过弱面,在低主应力比、低方位角、低弱面摩擦系数条件下水力裂缝易发生转向,并沿弱面走向扩展。该研究对于认识煤层压裂裂缝形成机理,建立复杂裂缝表征模型,提供压裂设计新理念具有一定的指导意义。     

基于扩展有限元的页岩水平井压裂裂缝扩展模拟

考虑裂缝内流体流动和岩石受力变形,建立页岩水平井水力压裂裂缝扩展数学模型,采用扩展有限元方法求解该模型。分析水平主应力、岩石力学特征参数及注入速度对裂缝扩展长度的影响,并研究多条裂缝的扩展及转向规律。结果表明:岩石弹性模量越大,泊松比越小,形成的裂缝越长;最小主应力越小,压裂液注入速度越大,裂缝扩展长度越长。同时扩展的2条裂缝之间存在应力干扰使裂缝向外转,裂缝间距越近,转向越明显。3条裂缝同时扩展,中间裂缝受到左右两边裂缝的制约作用,起裂较晚,扩展受到限制;随着压裂时间的延长,中间裂缝会摆脱两边裂缝的影响,冲出应力干扰区。     

致密薄互层缝高扩展影响因素试验研究

依据岩心观测以及岩石力学性质试验发现,陇东地区致密薄互层油藏具有岩性、力学性质变化频次高,变化范围尺度小的特点。结合现场压裂数据,推断薄互层油藏压裂后产能低的主要原因是：压裂过程中,由于弱胶结面的存在,水力裂缝在层间的多次错动,导致水力裂缝缝高扩展受到抑制;压裂结束后,由于地应力作用,层间错动面闭合,有效水力裂缝面积减小。针对该推断,制备薄互层物理模拟试样,进行压裂物理模拟试验。通过物理模拟试验结果发现：层间高弹性模量差异,对于水力裂缝垂向扩展的抑制作用并不明显。在破裂压力后,增加排量仅对增大水力裂缝的体积有促进作用,对水力裂缝穿入其他岩层的作用较小或是没有。     

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,...     

有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用

基于有限元与离散元混合方法研究裂纹扩展模拟问题。对含原生裂纹的结构进行单元离散,用有限元计算单元内部,采用离散元计算单元界面,通过单元连接形式的转变实现连续到非连续的转化;采用平面半弹簧法进行接触判断,通过显示迭代求解运动方程,不断更新单元坐标,实现裂纹扩展的数值模拟。以单裂纹与雁形裂纹在单向位移载荷作用下的扩展为例,对比数模结果与试验结果。结果表明:采用有限元与离散元混合方法可有效模拟单、多裂纹的扩展过程;岩桥为90°的雁形裂纹受对向挤压载荷作用发生翼裂-翼裂贯通。     

致密薄互层缝高扩展影响因素的试验研究

依据岩心观测以及岩石力学性质试验发现,研究地区致密薄互层油藏具有岩性、力学性质变化频次高,变化范围尺度小的特点。结合现场压裂数据,推断薄互层油藏压裂后产能低的主要原因是:压裂过程中,由于弱胶结面的存在,水力裂缝在层间的多次错动,导致水力裂缝缝高扩展受到抑制;压裂结束后,由于地应力作用,层间错动面闭合,有效水力裂缝面积减小。针对该推断,制备薄互层物理模拟试样,进行压裂物理模拟试验。通过物理模拟试验结果发现:层间高弹性模量差异,对于水力裂缝垂向扩展的抑制作用并不明显。在破裂压力后,增加排量仅对增大水力裂缝的体积有促进作用,对水力裂缝穿入其他岩层的作用较小或是没有。