页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而，到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此，对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明，页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致，因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力，与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的，这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外，对微裂纹长度的统计分析表明，页岩在断裂韧性方面表现出各向异性，并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。     

页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究

 采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵伺服控制系统、Disp声发射三维空间定位技术、试验前后工业CT扫描水力压裂缝扩展形态的方法,建立一套页岩水力压裂物理模拟与压裂缝表征方法。由页岩水力压裂物理模拟试验可得：(1) 采用Disp声发射八探头三维空间定位监测方法,能实时有效地监测水力压裂缝的起裂位置;(2) 采用水力压裂后追踪红色示踪剂痕迹的方式,可实现水力压裂缝的空间形态描述;(3) 当水力压裂未形成沿天然层理面的贯通压裂缝时,易形成与天然层理面相交的压裂缝,并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝。建立的页岩水力压裂物理模拟试验与表征方法,可进行页岩压裂施工参数的优化设计,为页岩气储层水力压裂开采提供技术支持。     

水力裂缝遇斜交层理弱面的扩展规律解析分析

为研究水力压裂裂纹与层理弱面斜交时的裂纹扩展规律,利用复变函数和保角变换等推导得出任意方向裂纹面尖端的应力集中解答。根据最大拉应力准则,通过比较压裂裂纹面在原扩展方向和层理弱面处以及沿层理扩展的应力状态及相应抗拉强度,得出均质岩体区裂纹稳定扩展遇斜交层理时,即垂直最小地应力方向裂纹遇任意方向层理的扩展规律。建立表示裂纹转向层理弱面扩展难易程度指标,即临界强度比,该指标与地应力状态、层理和岩石基体强度以及层理方位有关,其值越小表示裂纹满足转向层理扩展条件时所对应的层理和岩石基体的抗拉强度比越小。通过对规律解析分析得出:临界强度比随第一、第二与第三主地应力差降低或层理弱面与裂纹面夹角变小而增大;随岩石基体强度降低或层理弱面和裂纹面交线与中间主地应力夹角变小而减小。将解析分析结果与实验数据进行对比验证,规律一致。     

陆相页岩CO2压裂裂缝起裂和扩展特征试验研究

富含黏土矿物的陆相页岩气储层在传统水基压裂过程中易出现基质黏土吸水膨胀现象,降低页岩双重孔隙介质渗透特性,使得页岩气开采遇到一定的阻碍。因此,针对高水敏性页岩气储层,采用CO₂等无水压裂技术的特性研究显得愈发重要。采用延长陆相页岩和致密砂岩试样开展CO₂与清水室内压裂对比试验,揭示了CO₂压裂起裂及扩展特征。实验结果表明:CO₂压裂起裂压力远低于清水压裂,平均值仅为后者的60%;页岩丰富软弱层理面削弱最大主应力对主裂缝扩展的影响,导致沿层理面产生剪切裂缝;低黏度CO₂的高渗滤导致孔隙压力升高,并降低基质缺陷及弱面处的有效应力,有利于裂缝尖端沿着试样内部缺陷薄弱区域扩展,从而形成粗糙裂隙表面。可见,CO₂无水压裂技术适用于超低渗透性页岩气储层改造,研究结果可为水敏性陆相页岩气的现场压裂施工与参数优化提供支撑。     

陆相页岩储层水平井无限级压裂工艺优化

相较于传统压裂工艺，新型无限级滑套压裂技术在非常规储层改造上已被证实具有诸多优势，包括层级改造均匀和级数不受限制。然而，基于此压裂工艺的裂缝扩展和诱导应力分布的主控因素仍未厘清。为此，以陆相页岩储层为例，基于离散格子法建立多裂缝扩展模型。通过对比射孔压裂与无限级压裂在不同页岩岩性、层理参数、压裂施工参数下的裂缝形态，针对无限级压裂的裂缝扩展规律展开定性与定量分析。结果表明，复杂岩性、发育的层理弱面以及应力阴影效应是造成射孔分段压裂各级裂缝扩展不均的主要原因。相较之下，无限级压裂不仅能克服陆相页岩储层的层理缝影响，还能形成更多有效裂缝、更均匀的单簇裂缝改造体积。此工艺的改造效果受储层岩性、分簇设计、施工排量及起始簇几何尺寸影响。当簇间距过大、排量过高、起始簇半径过大时，无限级压裂的改造效果变差。2种压裂工艺所产生的沿井筒方向诱导应力场分布也不同，无限级压裂形成的裂缝诱导应力场会叠加进而影响后续压裂作业。研究成果可为我国陆相页岩储层压裂工艺优化提供理论支撑与技术指导。     

层状岩石断裂能各向异性对水力裂缝扩展路径影响研究

作为一种横观各向同性材料,层状岩石在沿层理和垂直层理方向上其断裂能差异明显。基于能量分析方法,提出考虑断裂能各向异性的水力裂缝扩展路径判定准则,该准则在线弹性条件下可转化为断裂韧性、弹性参数和应力强度因子之比组合的三参数模型。通过包含该准则的Cohesive有限元计算,讨论断裂能各向异性对层状岩石中水力裂缝扩展路径的影响。研究发现,断裂能各向异性是限制水力裂缝扩展的控制因素,且不同岩石存在垂直层理与沿层理2个方向断裂能比的极限值。当垂直层理和沿层理2个方向的断裂能比值小于该极限值时,裂缝穿层扩展;当这个比值在该极限值附近时,裂缝穿层伴有部分偏转扩展;当这个比值大于该极限值时,裂缝仅沿岩层界面扩展。研究结果对优选射孔位置和施工排量、提高压裂的增产效果具有参考意义。     

双井筒试验下页岩水力裂缝扩展与机制研究

水力压裂是页岩气开采的主要技术,研究水力裂缝的扩展规律有利于促进复杂缝网的形成。为了研究裂缝扩展规律和破裂机制,对页岩进行了真三轴双井筒水力压裂模型试验。结果表明:(1)竖向应力越大,裂缝形态越单一,多条水力裂缝间越不易沟通,页岩破裂压力越大;(2)水平应力差越大,双井筒水力裂缝与天然层理沟通越明显,越易形成垂直于水平最小主应力的裂缝;(3)双井筒出口在不同层理面时,两条水力裂缝形态相似,各自会沟通层理和天然裂缝;(4)双井筒出口在同一层理面时,两条主裂缝容易相交,与天然裂缝的沟通较少,不易产生缝网;(5)通过对上升斜率RA和频度FA值综合分析得到,页岩水力压裂以剪切破坏为主,在不同层理压裂更易产生复杂缝网。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。     

人为弱面对坚硬难垮顶板水力压裂的影响研究

弱面对水压裂隙的扩展有着重要影响,为达到有效控制坚硬难跨顶板,需要研究人为弱面对水力压裂的影响。根据水压裂隙产生及扩展机理,运用数值模拟试验方法,通过声发射及剪应力分布研究了3种人为弱面影响下的水力压裂过程中裂隙扩展特征,对比分析了 7种压裂方式下的水力压裂数据。结果表明:预制裂隙开挖形成的层理弱面和监测孔开挖形成的应力卸压圈均能影响水压裂隙的扩展,在扩展方向上水压裂隙往往偏向于高孔隙水压力的区域扩展,且其在扩展一段之后受顶板自由面影响,主裂隙向工作面两端延伸4.5~8.5倍孔径的区域时会发生近90°的空间转向。水力压裂数据研究表明,预制裂隙和监测孔协同作用强化了控制坚硬难垮顶板的效果。     

三维空间中非连续面对水力压裂影响的试验研究

油气储层常发育断层、天然裂缝、节理等非连续面,其产状、地应力状态对水力裂缝扩展路径会产生重要影响。尤其是在致密油气藏、页岩油气藏等储层中,其天然裂缝影响着水力压裂后的裂缝网络。利用真三轴水力压裂试验设备,模拟了水力裂缝在具有不同产状非连续面的人造岩体中的扩展行为,并分析了泵压曲线的特征。试验结果表明:水平主应力差存在临界值(5~7 MPa),小于该临界值,水力裂缝不可能穿透非连续面;非连续面走向角和地应力差异系数越大,水力裂缝越容易穿透非连续面;非连续面倾角跟水力裂缝的扩展行为没有明显的关系;穿透试验中的泵压曲线跟没穿透试验中的泵压曲线差别明显;压裂曲线峰值泵压均随水力裂缝中点到储层中非连续面的最短距离(简记为DNF)增大而递减。与非连续面的倾角相比,走向角是影响水力裂缝穿透行为的关键因素;准确预测油藏中水力裂缝扩展路径,有必要准确获取非连续面产状和三向地应力场;根据泵压曲线的特征,可判断水力裂缝是否穿透非连续面和定性的判断DNF,为油田现场评价水力压裂效果提供参考。     

页岩气储层变排量压裂的造缝机制

裂缝性页岩储层压裂时,如何通过调节压裂泵排量,使水力裂缝沟通更多天然裂缝,是缝网压裂的关键。选取龙马溪组页岩露头开展真三轴水力压裂试验,压裂过程中以逐步阶梯式方式提高排量,实时分析变排量压裂时水力裂缝扩展行为以及与天然裂缝的沟通情况。试验结果表明：采用变排量压裂,初始阶段,随着压力逐渐升高,会在井筒周围的弱面附近产生多个待破裂点,随排量突然提高会使水力裂缝沿着多个破裂点动态分叉扩展。随着排量阶梯式升高,泵压明显升高,排量越大,泵压波动越大,水力裂缝与天然裂缝沟通形态越复杂,天然裂缝产状和缝内净压力等影响到水力裂缝进一步沟通程度。试验结果证实,变排量压裂可以激活更多天然裂缝,有助于形成复杂裂缝网络。     

Mesoscale fracture behavior of Longmaxi outcrop shale with different bedding angles:Experimental and numerical investigations

The mechanical properties and fracturing mechanism of shale containing beddings are critically important in shale gas exploitation and wellbore stability.To investigate the effects of shale bedding on crack behavior and fracturing mechanism,scanning electron microscope(SEM)with a loading system was employed to carry out three-point bending tests on Longmaxi outcrop shale.The crack initiation and propagation of Longmaxi shale were observed and recorded by taking photos during loading.The cracking paths were extracted to calculate the crack length through a MATLAB program.The peak load,fracture toughness and fracture energy all increase with the bedding angle from 0°to 90°.The crack length and energy were also found to increase with the bedding angle in the range of 0°-600 and then drop slightly.The fracturing mechanism of shale includes the main crack affected by the bedding angle and disturbed by randomly distributed particles.The main cracking path was accompanied by several microcrack branches which could form an interconnected crack system.When the main crack encounters larger sedimentary particles,it will deflect around the particles and then restore to the initial direction.A numerical technique using extended finite element method(XFEM)coupled with anisotropic cohesive damage criteria was developed,which is able to capture the dependence of crack propagations on bedding angle and sedimentary particles.This study sheds light on understanding and predicting mesoscale fracture behavior of shale with different bedding angles.