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。     

水平地应力差对周期注水应力改造水力压裂影响的试验研究

为揭示地应力环境对周期注水应力改造提高压裂效果的影响规律,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,克服煤系页岩非均质性,利用相似比制作型页岩试件,开展了实验室真三轴水力压裂试验。利用声发射技术监测裂缝起裂和扩展特征,通过RA-AF散点分布特征给出了应力改造和压裂阶段主导裂缝类型,分析得到了周期注水应力改造下水平地应力差对裂缝特征以及裂缝起裂、扩展的影响规律,提出了起裂阶段与扩展阶段声发射判断指标。试验结果表明:应力改造阶段裂缝起裂与扩展以微裂缝为主,剪切型微裂缝占比波动上升,第2个周期裂缝主频范围最大,裂缝发育最为活跃;压裂阶段裂缝起裂与扩展以宏观裂缝为主,张拉型裂缝占比呈增加趋势,当水平地应力差与注水压力接近2.0MPa时,张拉型裂缝占比最大,分布范围最广,压裂效果最显著。另外,本文提出了裂缝起裂与扩展阶段声发射判断指标为平均声发射能率k。k降幅在37.74%以上时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以减小水平地应力差对裂缝扩展的约束能力,促进微裂缝大量发育、沟通天然裂缝形成缝网,从而提高页岩气开采率。     

节理发育地层水力裂缝扩展数值研究

在进行岩石地层水力压裂过程中往往会遇到许多天然节理弱面,水力裂缝遇到天然节理弱面时裂缝扩展形态会发生变化。为研究节理发育地层水力压裂裂缝扩展形态,采用ABAQUS软件进行数值研究,通过Python编制了嵌入全局Cohesive孔压单元的程序,利用Cohesive孔压单元的损伤开裂模拟裂缝的扩展,并介绍了编程时进行节点分裂的规则及生成Cohesive孔压单元的要点。为验证本文方法的正确性,模拟了水力裂缝与单条节理面相交时,不同相交角度下裂缝扩展情况;并与采用最大能量释放率准则得到的裂缝扩展理论相对比,数值结果与理论相一致。同时模拟研究了水平地应力差为2MPa时的裂缝扩展形式,并分析了不同地应力差对裂缝扩展的影响。结果表明:水力裂缝沿着垂直最小水平主应力方向扩展,在遇到节理弱面时会发生转向分叉等行为;低地应力差下裂缝扩展形态复杂,容易形成复杂裂缝网;高应力差下裂缝直接穿过节理面沿最大主应力方向扩展,裂缝形态单一;随着应力差的增大主裂缝扩展方向逐渐趋近最大主应力方向。     

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.      

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。     

页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂的关键力学问题

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题. 提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型, 指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用, 给出了横观各向同性多孔弹性岩石材料常数的简化测量方案, 讨论了基于修正的能量最大释放率下裂纹扩展的弱面模型, 提出了裂纹扩展禁止区现象. 阐述了钻井完井过程中的多孔弹性介质井壁稳定性和剪切破坏的时间效应, 提供了多种破坏模式下井壁许可压力范围的显式表达式, 并与传统广义胡克定律得到结果对比. 给出了水平井水力压裂缝网改造技术, 包含水力压裂的大物模实验技术、水力压裂过程中基于扩展有限元与有限体积法的耦合流体/固体/裂缝扩展的数值模拟方法, 并与黏性主导的水力压裂解析解结果对比, 针对性分析了川渝地区的水力压裂施工现场实践应用问题. 建立了基于数据驱动的页岩气采收率预测方法, 指出了机器学习中极限梯度爬升法在小数据集情况下的有效性.      

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。     

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.     

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。     

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。     

RESEARCH OF STEPPING PRESSURE AND CONTROL OF NEAR FIELD ROOF OF TASHAN COAL MINE BASED ON NUMERICAL SIMULATION1)

煤层坚硬顶板采用水力压裂技术进行定向弱化可有效控制来压步距,降低事故风险。基于黏聚力模型,利用有限元二次开发建立了压裂前后煤层开采数值计算模型,模拟分析了顶板垮落规律及影响因素,优化裂缝间距设计。结果表明：来压跨距与顶板厚度、强度呈正相关性,与埋深呈负相关性。预制裂缝在拉应力集中区可促进起裂扩展,应全面勘测各岩层位地质参数,利用计算出的应力集中区位置设计裂缝间距,实现经济有效地控制来压步距。     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.      

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时,试样强度迅速上升,呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用.粉质黏土沉积物粒径细小,渗透性差,难以通过渗透作用传递压力,提高了沉积层的破裂压力.此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响.适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触,会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.     

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。     

致密油藏动态裂缝扩展机理及应用

致密油藏采用注水吞吐补充地层能量取得了一定效果. 但多轮次注水吞吐后, 地层压力和产量降低快. 本文考虑了致密油藏复杂的裂缝形态, 根据艾尔文理论及弹性力学剖析I型裂缝尖端附近的应力场分布, 基于渗流力学、裂缝性致密油藏特征及动态裂缝渗流规律, 建立了多裂缝交叉裂缝扩展渗流模型, 结合注水诱导裂缝扩展机理及断裂力学能量守恒原理, 得到裂缝扩展长度. 依据致密油藏逆向渗吸原理, 提出将注水吞吐转为不稳定脉冲注水. 对比分析注水吞吐、脉冲注水2种能量补充发方式, 预测10年累计采油、压力及剩余油分布. 结果表明, 裂缝净内压随着注水量的增加而升高, 当应力场强度因子达到断裂韧度, 在裂缝尖端会发生扩展. 扩展及延伸的天然裂缝相互沟通, 呈现不规则复杂缝网, 在复杂缝网中主要发生逆向渗吸作用. 脉冲注水累计产油高、注水波及面积广、逆向渗吸作用强. 裂缝性致密油藏水平井注水吞吐转变为脉冲注水方式, 能够充分发挥动态缝网的逆向渗吸及线性驱替作用, 实现有效驱油的目的.      

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.      

组合脉冲压裂加载过程耦合模拟及火药配比影响敏感性分析

基于组合脉冲压裂物理过程,以三种燃速火药柱串联、中心管同步点燃方式,结合火药爆燃加载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂、高压气体裂缝内流动及裂缝扩展等子模型,组建多级爆燃压裂耦合模拟模型。并据此分析不同配比火药组合爆燃压裂时,井底压力变化及裂缝延伸情况。结果表明:不同燃速火药串联组合可实现一级火药快速爆燃,瞬间达到多方向射孔孔眼起裂压力,二、三级火药持续长时间燃烧维持高压以充分延伸裂缝的目的;在确定一级快速火药和总火药用量后,井底爆燃压力加载速率和各方向破裂压力均随第三级燃速火药质量比重的增加而呈现降低趋势,但变化不明显;而不同方向裂缝最终延伸长度对二、三级燃速火药的配比具有较强敏感性;在以多方向裂缝安全起裂为目标、设定一级燃速火药后,合理配比三种火药比单一配比高-中速、高-低速火药,可更有效地延长爆燃压裂过程的井底有效持压时间,从而可大幅扩展火药用量上限,提高爆燃压裂裂缝延伸规模。     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

基于孔隙弹性的水力压裂耦合方法与压裂状态参数数值研究

本文系统地阐述基于多孔介质渗流-损伤耦合原理,进行水力压裂FEM的数值实现方法。基本架构为：(1)引入孔隙流体压力膨胀系数将孔隙流体压力与应力场进行耦合;(2)基于损伤局部化模型,提出裂缝张开度表达式; (3)提出水力压裂引起的多孔介质水-力学属性的各向异性表达式; (4)提出全流量加载的耦合分析方案。最后作为实例,模拟三维地层水压裂缝扩展形态,通过比较模型的数值解和经典理论解,验证该方法的正确性。