页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气。页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域。尽管北美页岩气革命取得了成功,但目前仍仅有预期产量5~15%的油气采收率,问题出在什么地方？水力压裂被认为是提高采收率的关键一环,但水力压裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理尚不清楚,这给力学家提出了巨大的挑战和机遇。结合本课题组近期研究成果,本文从理论、计算和实验三个方面对页岩水力压裂中的关键基础力学问题进行介绍和总结。主要内容包括发展页岩人工裂缝扩展的大型物理模型实验,建立页岩本构模型和断裂力学理论,发展耦合断裂力学和流体力学的裂缝网扩展数值模拟方法。页岩水力压裂研究对发展断裂力学的实验技术、理论模型和数值模拟方法起到推动作用,对提高我国页岩气高效开采技术具有重要意义。     

横观各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展规律研究

针对横观各向同性与各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展的差异性,基于扩展有限元法建立水力压裂力学模型,通过ABAQUS子程序开发了各向同性和横观各向同性岩体的起裂判据。在各向同性岩体数值模拟结果与解析解以及现场压裂典型曲线对比吻合的基础上,得到了包含层理构造的横观各向同性岩体水力压裂过程中裂纹扩展规律。层理类岩体水力压裂的裂缝扩展方向由地应力状态、层理方向以及岩体与层理界面抗拉强度共同决定;水力压裂过程中,注水压力在裂纹尖端产生应力集中,层理面法向分量先达到界面抗拉强度时,裂纹沿层理方向开裂,反之裂纹沿垂直最小地应力的方向扩展;裂纹扩展速度随层理抗拉强度的增加而降低;由于地层的滤失,随压裂液的注入,裂纹长宽尺度增长速率降低。     

基于声发射能量分析的周期注水应力改造下煤系页岩裂缝扩展规律试验研究

周期注水作为一种有效开采页岩气的应力改造技术,其对页岩裂缝起裂扩展影响机制尚不明确。基于页岩储层真实三维应力环境,研制了真三轴水力压裂试验系统,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,制作了煤系页岩相似材料模型,进行了先周期注水应力改造、后水力压裂的页岩裂缝扩展模拟试验。利用声发射技术监测了应力改造阶段和压裂阶段裂缝起裂扩展过程,根据声发射能量变化和频谱特征,分析了应力改造和水力压裂阶段的裂缝特征、起裂扩展规律,提出了基于声发射能量分析的水力压裂裂缝由起裂阶段进入扩展阶段的判别指标和判定方法。试验结果表明:应力改造阶段裂缝尺寸以微裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比减少,剪切型裂缝占比增加;压裂阶段裂缝尺寸以宏观裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比增加,剪切型裂缝占比减少,当周期注水压力为1.6MPa时为最优,易形成缝网。提出以平均声发射能量能率k作为裂缝起裂判据,发现当k降幅超过26.87%时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以产生微裂缝,沟通水力裂缝降低压裂时裂缝起裂难度,从而提高页岩气开采率。所得结论可为水力压裂应力改造效果评价与裂缝控制提供参考。     

页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展

页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平外分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

页岩储层体积压裂的地应力变化研究

页岩储层属于致密超低渗透储层,需改造形成复杂缝网才有经济产能.体积压裂是页岩储层增产改造的主要措施,而地应力场特别是水平主应力差值是体积压裂的关键控制因素. 理论研究表明:(1)当初始两向水平主应力差较小时,容易形成缝网,反之不易产生缝网;(2)人工裂缝的形成能够改变地层初始应力场. 因此应在前人研究的基础上优化设计压裂方式,以克服和翻转初始水平主应力差值,产生体积缝网.基于此,建立了页岩气藏水平井体积压裂数值模型,模型中采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩基质的行为,采用带有孔压的"cohesive"单元描述水力裂缝的性质,模型对"Texas Two-Step" 压裂方法进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中地层应力场的分布及其变化,模拟结果和解析公式计算结果吻合良好.模拟结果表明:(1)裂缝的产生减弱了地层应力场的各向异性;(2 对于低水平应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step"压裂方法可以产生缝网. 对于采用"Texas Two-Step"压裂方法无法产生缝网的高应力差页岩储层,提出了三次应力"共振" 和四次应力"共振" 压裂方法并进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中页岩储层应力场的分布及其变化,得到了缝网形成的区域,模拟结果表明:(1)对于高应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step" 压裂方法无法产生缝网;(2)对于高应力差页岩储层,三次应力"共振" 和四次应力"共振"压裂方法是有效的体积压裂缝网形成的方法.      

页岩油气高效开发中的基础理论与关键力学问题

我国页岩油气开发刚刚起步,许多基础理论和关键科学（力学）问题亟需明确和解决．本文按页岩油气开发的全过程自然地将其分为四个相互关联的科学问题展开介绍和讨论,包括：页岩工程地质力学特征与预测理论,地质力学找到气;多重耦合下的页岩油气安全钻井完井理论,钻井完井够到气;页岩地层动态随机裂缝控制机理与新概念压裂理论,体积压裂释放气;页岩油气多尺度渗流特征与开采理论,解吸运移产出气．本文提出用水力压裂创造页岩传气能力,用气体二次压裂页岩基质来解决气源问题,实现水力压裂创造的页岩传气能力与页岩基质气体供应能力相匹配,避免“断气”现象发生,最终达到页岩气可持续性开采．解决这些关键科学（力学）问题可以为页岩油气高效开发奠定可靠的基础,具有重要的理论意义和应用前景．     

预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果影响的试验研究

为研究预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果的影响,以阜新孙家湾矿煤系页岩为研究对象,采用三轴水力压裂试验设备进行实验室压裂模拟试验。以清水为压裂液,通过对试件施加轴压和围压模拟煤系页岩所处地应力状态。利用声发射仪监测试验过程中的能量释放特征,分析了预制裂缝布置方式和水平应力差对注水压力及声发射能量信号的影响。研究结果表明:采用双预制裂缝180°相位角的布置方式,试件裂缝扩展程度最高,水力压裂效果最佳;模拟试验中,声发射能量曲线峰值之后的平稳阶段与水力裂缝二次扩展阶段相对应;水平应力差增大使最大注水压力降低,加快了预制裂缝的扩展速度,有利于水力裂缝的起裂扩展和二次扩展;水平应力差为0.2MPa时预制裂缝扩展最快,裂缝扩展程度最大,压裂效果较好。     

钻井完井液浸泡弱化页岩脆性机制

页岩脆性是页岩地层钻井、水力压裂设计的关键参数之一,目前针对钻井过程中工作液浸泡对页岩脆性的影响还未引起关注.通过开展钻井完井液浸泡前后页岩三轴力学实验,利用脆性评价模型分析了页岩脆性变化特征.结果表明,延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩;油基和水基钻井完井液浸泡均能导致页岩脆性降低,且油基钻井完井液浸泡后的页岩脆性降低幅度更大;龙马溪组页岩浸泡后脆性减弱幅度较延长组页岩大.页岩脆性弱化机制包括:(1)由层理面胶结强度不同引起的脆性强弱差异;(2)由毛管自吸作用导致的高孔压、高应力强度因子、低临界断裂韧性;(3)由碱液侵蚀导致的页岩溶蚀孔形成及矿物颗粒碎裂;(4)由黏土矿物水化膨胀产生的膨胀应力;(5)由钻井完井液滤液润滑导致的页岩破裂面摩擦系数降低.延长组页岩层理面强度较龙马溪组页岩低,导致延长组页岩脆性强于龙马溪组页岩.其次,和水基钻井完井液相比,油基钻井完井液具有更大的自吸量、更高的pH值、更强的润滑性,因此,油基钻井完井液浸泡降低页岩脆性幅度更大.另外,由于龙马溪组页岩具有更小的润湿角、更强的毛管自吸和碱液侵蚀作用,相同浸泡条件下,龙马溪组页岩脆性降低幅度更大.本研究可为页岩地层钻井液性能优化、井壁稳定控制、水力压裂设计等提供理论指导.      

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

围压下泥岩断裂韧性测试与解释方法

根据围压条件下的断裂力学理论 ,采用双翼裂纹厚壁圆筒 ,对泥岩进行了不同围压和不同泥质含量条件下的人工岩样断裂韧性测试。建立了有限元方法解释断裂韧性的数值模型。在进行大量实验测试的基础上 ,通过回归分析表明 ,断裂韧性与围压、泥质含量有较好的线性统计关系。解决了水力压裂设计中断裂韧性参数的准确获取问题 ,有利于提高压裂设计、预测的精度     

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.      

页岩水力压裂中多簇裂缝扩展的全耦合模拟

水平井和水力压裂是页岩气开发中的关键技术。对水力压裂中多簇裂缝同时扩展的物理过程进行了数值模拟。采用扩展有限元法(XFEM)模拟岩石中裂缝沿着任意路径扩展,采用有限体积法(FVM)模拟裂缝中流体的流动,并且考虑井筒中流体流动以及在各簇裂缝间的流量动态分配。通过牛顿迭代对全耦合物理过程进行数值求解,重点研究了初始长度不同的两条裂缝的扩展过程,证明较大的射孔摩阻能促进两条裂缝的同时扩展。并通过算例证明了本方法的精度和有效性。