页岩致密储层压裂裂缝扩展数值模拟研究

摘要

我国页岩气藏分布广、储量大，但丰度低，需采用水力压裂措施才具有商业开采价值。页岩中通常发育着天然裂缝，导致水力压裂裂缝扩展方向及体积压裂规模难以控制和估计，影响其产能的准确评价以及压裂方案的优化设计。常规裂缝模型不再适用于页岩致密储层，亟需建立一套适用于页岩致密储层的缝网扩展理论与方法。本文主要研究内容和方法为：首先，建立了考虑流体压力作用的水力裂缝与天然裂缝相互作用力学模型，构建了两者相互作用曲线；采用颗粒流模型开展了预制天然裂缝的页岩破裂数值试验，揭示了天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机制。其次，形成了基于扩展有限元的页岩水力压裂数值模拟方法，建立了考虑岩体变形和流体流动耦合数学模型，采用扩展有限元求解岩体应力场以及传统有限元方法求解流体压力场，构建了基于裂缝尖端渐近解的隐式求解算法，模拟研究裂缝非平面扩展、考虑天然裂缝影响以及多簇裂缝同步扩展等情形下裂缝扩展规律，分析了岩石力学参数、非均质性、压裂施工参数对裂缝扩展结果的影响。第三，形成了基于位移不连续法的页岩缝网扩展数值模拟方法，考虑应力阴影效应建立了水平井分段多簇压裂裂缝扩展模型，构建了基于裂缝尖端渐近解的隐式迭代算法，分析了裂缝间距、地应力差对裂缝扩展路径、长度以及分流量的影响；基于离散裂缝网络建立了考虑天然裂缝影响的裂缝性储层压裂裂缝扩展模型，模拟得到体积压裂缝网展布，分析了天然裂缝属性、分布对裂缝网络形态的影响；建立了井工厂模式下多井同步压裂裂缝扩展模型，分析了裂缝间距、井间距对裂缝扩展形态的影响。最后，形成了基于应力干扰和渗流干扰的页岩致密储层压裂优化设计方法，基于已建立的页岩储层水力压裂裂缝扩展模型，建立了裂缝诱导应力数值模型，分析了裂缝间距对储层应力翻转区域面积的影响；建立了考虑储层改造区域的页岩气流动复合模型，通过有限元数值求解研究了裂缝参数对页岩气产能的影响。本文建立了一套页岩致密储层压裂裂缝扩展模拟和优化设计方法，可为页岩致密储层的高效开发提供理论基础和技术支持。

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