缝洞型碳酸盐岩定向压裂模拟试验研究

摘要

缝洞型碳酸盐岩储层蕴藏着丰富的油气资源，是中国石化西部地区的主力产油区，储层内部多分布孔洞体和天然裂缝，给现场的压裂施工带来一系列技术难题。采取定向压裂并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。　　本文利用室内压裂模拟相似准则制备含孔洞体的人工试样，通过室内真三轴定向压裂试验来研究孔洞体的存在对于水力裂缝扩展的影响。同时结合Abaqus数值模拟，研究孔洞体尺寸、水平地应力差、连续孔洞体分布方式、孔洞体内压和天然裂缝等因素对水力裂缝扩展的影响。通过研究获得如下结果和结论：　　（1）孔洞体尺寸对水力裂缝的影响：孔洞体周围存在应力集中现象，对水力裂缝具有排斥作用，孔洞体尺寸越大，应力集中影响范围越大，裂缝越易提前发生转向绕过孔洞体。　　（2）水平地应力差对水力裂缝的影响：低水平地应力差时，水平地应力差不足以克服孔洞体应力集中产生的排斥力，水力裂缝遇孔洞会进行非平面扩展，且水平地应力差值越小，转向距离越大，裂缝形态越复杂；高水平地应力差时，水平地应力差会克服孔洞体应力集中现象，水力裂缝遇孔洞后会直接贯穿继续扩展，形成单一裂缝。　　（3）连续孔洞体分布方式对水力裂缝的影响：孔洞体连续交叉无序分布时，近井筒附近孔洞体由于应力集中所产生的排斥力会引导水力裂缝沟通更远端的孔洞体，裂缝形态更复杂。　　（4）孔洞体内压对水力裂缝的影响：当水平地应力差一定时，孔洞体内压越大，越容易克服孔洞体产生的应力集中现象，水力裂缝越易于沟通最大水平主应力方向上的孔洞体。　　（5）天然裂缝对水力裂缝的影响：当天然裂缝逼近角大于45°时，随着水平地应力差的不断升高，水力裂缝会逐渐穿过天然裂缝，沿原来的方向继续扩展。　　通过获得不同影响因素下定向压裂缝的扩展规律，再结合现场实测资料，能够更好的指导现场压裂施工，为工程所服务。

目录

1 绪 论

1.1 研究的目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水力压裂研究现状

1.2.2 定向压裂研究现状

1.2.3 天然裂缝和孔洞对水力裂缝扩展的影响

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 碳酸盐岩岩石力学特性研究

2.1 试验设备

2.2.1 试验方法及过程

2.2.2 试验结果分析

2.3.1 试验方法及过程

2.3.2 试验结果分析

2.4.1 试验方法及过程

2.4.2 试验结果分析

2.5 本章小结

3 缝洞型碳酸盐岩定向压裂试验方案

3.1 水力压裂试验中的相似准则

3.2.1 定向压裂裂缝起裂模型

3.2.2 水力裂缝扩展准则

3.3.1 设计试验思路

3.3.2 试验方案

3.3.3 试验设备

3.4.1 试件配比确定

3.4.2 人工试样的制备方法

3.5 本章小结

4 缝洞型碳酸盐岩水力裂缝起裂及扩展试验研究

4.1 试验参数确定

4.2 孔洞体存在对水力裂缝扩展的影响

4.2.1 试验结果

4.2.2 孔洞体存在影响小结

4.3 孔洞体尺寸对水力裂缝扩展的影响

4.3.1 试验结果

4.3.2 孔洞周围应力分布分析

4.3.3 孔洞体尺寸影响小结

4.4 水平地应力差对水力裂缝扩展的影响

4.4.1 试验结果

4.4.2 裂缝扩展模式分析

4.4.3 水平地应力差影响小结

4.5 连续孔洞体分布方式对水力裂缝扩展的影响

4.5.1 试验结果

4.5.2 裂缝扩展模式分析

4.5.3 孔洞体分布方式影响小结

4.6 本章小结

5 缝洞型碳酸盐岩定向压裂数值模拟研究

5.1 扩展有限元模型

5.2 模型建立

5.3.1 孔洞体尺寸的影响

5.3.2 水平地应力差的影响

5.3.3 孔洞体内压的影响

5.3.4 连续孔洞体分布的影响

5.3.5 孔洞体影响小结

5.4 天然裂缝对水力裂缝扩展的影响

5.4.1 天然裂缝逼近角的影响

5.4.2 水平地应力差的影响

5.4.3 天然裂缝影响小结

5.5数值模拟与室内试验结果对比分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文及专利

B 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C 学位论文数据集

致谢