各向同性连续介质定面射孔水力裂缝扩展规律的分析

摘要

定面射孔水力压裂是一项非常复杂的过程，在研究水力压裂的规律解决现场实际工程问题时，主要有以下问题：定面射孔裂缝扩展量化规律不成熟，定面射孔影响裂缝扩展主因认识不清，定面射孔对裂缝形态控制方法不完善。
　　采用ABAQUS有限元软件中的扩展有限元（XFEM）方法对定面射孔水力压裂问题进行建模、输入文件改写，综合考虑各影响因素以实现裂缝扩展过程的仿真计算。重点分析了射孔参数及射孔面方向对裂缝扩展的影响规律，为定面射孔水力压裂设计提供参考，新方法可促使裂缝的延伸，使泄油面积大幅增加同时形成系统性的缝网，对低渗透油井的增产潜力的提高作用显著。
　　扩展有限元方法进行水力压裂裂缝扩展数值模拟计算基本原理为：富集函数应用于有限元基础上用来模拟新开展裂缝单元，利用水力驱动裂缝单元模拟水力压裂过程中裂缝的张开扩展过程，XFEM单元的起裂准则为岩石单元达到最大拉应力，按照线性分离规律扩展，岩石单元切向与法向的张开程度符合BK准则。
　　通过比较前人进行水力压裂相关的分析研究确定主要研究内容如下：分析定面射孔条件下利用XFEM进行水力压裂数值模拟的理论方法；对水力压裂裂缝扩展规律影响因素进行初步的讨论；分析射孔长度、夹角、间距等对裂缝扩展规律的作用；分析射孔面位置对裂缝扩展规律的影响。
　　通过射孔参数及射孔面方向对裂缝扩展规律的影响研究发现：①射孔间距大于射孔长度，对射孔之间裂缝融合影响不大，反之裂缝会比较容易融合；射孔夹角越小，裂缝延伸方向趋于水平方向，反之裂缝延伸方向趋于竖直方向。②在射孔面与最大主应力面水平夹角45度、竖直夹角45度情况下，随着射孔夹角的增大，裂缝扩展方向偏转角先减小后增大最后趋于稳定，且竖直夹角45度情况变化幅度更大，裂缝扩展高度、宽度随射孔夹角增加而增加。③射孔方向沿着最大主应力方向时，裂缝扩展方向不发生偏转；射孔面与最大主应力面存在水平角，可采用增加定面射孔对裂缝扩展方向加以引导；射孔面与最大主应力面存在竖直角，可适当增大定面射孔夹角，对裂缝扩展方向加以引导，但是夹角不能太大，否则起不到引导作用。④射孔间夹角30度情况下，随着射孔面与最大主应力面水平夹角的增大，裂缝偏转角度增大，裂缝横向扩展范围变化不大；射孔间夹角30度情况下，随着射孔面与最大主应力面竖直夹角的增大，裂缝偏转角度增大，裂缝横向扩展范围减小。
　　通过总结计算得出的水力压裂裂缝扩展规律，为水力压裂设计、指导水力压裂裂缝扩展的预测具有较好的参考作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 存在的问题及研究内容

1.4 本文研究方案

2 扩展有限元水力压裂数值模拟理论基础

2.1 岩石多孔介质理论

2.2 扩展有限元水力压裂模拟

2.3 扩展有限元损伤模型

2.4 本章小结

3 水力裂缝扩展数值模拟实现

3.1 水力压裂数值模拟方法与实例验证

3.2 二维裂缝扩展分析

3.3 排量对裂缝形态的影响规律

3.4 水平地应力差对裂缝形态的影响规律

3.5 本章小结

4 射孔参数对裂缝扩展的影响

4.1 射孔间距、夹角对裂缝扩展的影响

4.2 射孔夹角对裂缝几何形态的影响

4.3 射孔面水平角45度射孔夹角对裂缝形态的影响

4.4 射孔面竖直角45度射孔夹角对裂缝形态的影响

4.5 本章小结

5 射孔面位置对裂缝扩展的影响

5.1 射孔方向沿最大主应力面方向

5.2 射孔面水平角对裂缝扩展的影响

5.3 射孔面竖直角对裂缝扩展的影响

5.4 射孔夹角30度射孔面水平角对裂缝扩展的影响

5.5 射孔夹角30度射孔面竖直角对裂缝扩展的影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录