岩体渗流-损伤耦合及其水力压裂机理数值试验研究

摘要

水力压裂是一种广泛应用于石油天然气开采及地应力测量的技术，其中油气开采的主要原理为通过地面高压泵组将压裂液以超过地层吸收能力的排量注入井中，从而在井底附近的地层产生裂缝，后注入带有支撑剂的携砂液，形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，以达到油气开采增产增注的目的。
　　相对比常规油气资源来说，非常规油气资源具有成藏地质条件复杂，储层非均质性强，渗透率低的特点，其开发难度更大，技术要求更高。随着常规油气资源的逐渐开采殆尽，储量丰富且分布广泛的非常规油气资源在全球能源结构中开始占领主要地位，因此在人类工程活动范围越来越广及常规油气地下有效动用储量下限不断降低的今天，非常规油气开发条件下的岩石水力压裂机理问题是众多学者探索的目标，它不仅是热点和难点问题，并且是亟需解决的问题。
　　自上世纪90年代以来，计算机模拟方法日趋成熟，并且它相对于传统物理试验方法具有成本低、周期短、效率高的优点，可对同一模型进行不同荷载的多次模拟，所以对于岩石水力压裂机理问题的研究，通过数值方法，辅以物理试验，才是最终解决这一难题的有效手段。
　　本文以数值模拟为研究手段，以页岩岩体为研究对象，突破传统断裂力学方法基于连续均匀介质且只能研究均匀单一岩层水力压裂问题的限制，以当前石油领域工程中面临的一些具体问题为研究背景，从宏观角度深入认识岩体水力压裂机理问题，以揭示非常规油气储层内的非均质页岩岩体在复杂条件下的水力裂纹扩展规律为研究目标，对岩体水力压裂问题展开研究，研究结果有望为现场施工及设计提供借鉴及指导，具有较高的理论意义及实际应用价值。主要工作包括以下几个方面:
　　1.应用RFPA2D2.0-Flow数值模拟软件，分别建立层理页岩、地应力变化页岩岩体以及定向射孔页岩岩体二维数值模型，通过岩体渗流流量、声发射、模型起裂压力、破裂压力等关键指标，研究复杂条件下的页岩岩体基本渗流-损伤特性及水力压裂机理，全面分析层理参数、地应力差值及定向射孔对水力压裂的影响规律。
　　2.针对裂隙页岩岩体内复杂缝网的形成及储层体积改造，对天然裂隙页岩岩体的水力压裂全过程进行数值模拟研究，全面分析单裂隙页岩岩体及多裂隙页岩岩体的井下压裂裂纹开裂扩展规律及与天然裂隙相交模式。
　　3.以分段压裂为研究背景，提出双阶压裂的概念，以水平井内垂直于井筒的两条平行压裂裂缝为研究对象，研究分段压裂完成后，在最大主地应力与预期裂缝方向垂直的前提下，双缝长度、间隔及暂堵材料性质对裂纹开裂扩展的影响规律及复杂缝网的形成规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 非常规油气藏开发研究背景及意义

1．2．1 页岩油气开发研究背景及意义

1．3 岩体渗流-损伤问题研究背景及意义

1．4 国内外研究现状

1．4．1 水力压裂技术研究现状

1．4．2 非常规油气藏开发研究现状

1．4．3 岩石渗流-损伤特性研究现状

1．4．4 储层体积改造研究现状

1．5 RFPA2D2．0-Flow真实破裂过程分析系统

1．5．1 渗流-应力-损伤耦合分析系统

1．5．2 岩石材料非均匀性描述

1．5．3 岩石细观损伤变量及本构

1．5．4 渗流-应力-损伤耦合方程

1．5．5 数值模拟实现方法

1．5．6 RFPA2D2．0-Flow拉破坏及压接触渗透系数变化测试

1．6 研究内容

第2章 层理参数对岩体水力压裂影响数值试验研究

2．1 层理对岩石渗流特性影响

2．1．1 模型设置

2．1．2 层理岩石渗流加载试验数值模拟

2．2 层理角度的影响

2．2．1 模型设置

2．2．2 模拟结果

2．3 层理强度的影响

2．4 层理刚度的影响

2．5 复杂层理的影响

2．5．1 模型设置

2．5．2 围压影响

2．5．3 层理强度、刚度影响

2．6 小结

第3章 地应力变化岩体水力压裂过程数值试验研究

3．1 数值模型及参数设置

3．2 地应力及水压力作用下岩体破裂过程

3．3 地应力差对岩体水力压裂机理的影响

3．3．1 地应力差对裂纹扩展形态影响

3．3．2 地应力差对起裂压力及破裂压力的影响

3．4 小结

第4章 定向射孔岩体水力压裂过程数值试验研究

4．1 数值模型及参数设置

4．2 地应力及水压力作用下岩石破裂过程

4．3 射孔角度对岩体水力压裂机理的影响

4．4 数值模拟结果和试验结果对比分析

4．5 小结

第5章 裂隙岩体水力压裂机理及复杂缝网形成研究

5．1 数值模型及参数设置

5．2 裂隙角度对裂纹演化的影响

5．3 裂隙与井孔间距对裂纹演化的影响

5．4 裂隙长度对裂纹演化的影响

5．5 多裂隙岩体水力裂纹演化过程

5．5．1 数值模型及参数设置

5．5．2 模拟结果

5．6 小结

第6章 双阶压裂裂缝起裂延伸规律及复杂缝网形成研究

6．1 页岩三轴压缩试验及RFPA细观力学参数取值

6．1．1 试样制备

6．1．2 计算公式

6．1．3 试验结果

6．2 数值模型及参数设置

6．3 单裂缝条件下应力转向及裂缝延伸

6．3．1 单缝条件下应力场变化情况

6．3．2 暂堵条件下裂缝转向情况模拟

6．4 双裂缝条件下应力转向及裂缝延伸

6．4．1 双裂缝条件下裂缝延伸影响因素分析研究

6．5 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的论文