层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

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。     

裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

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。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

压裂过程中水力裂缝动态宽度实验研究

 裂缝宽度及其变化规律对验证水力压裂模型及指导压裂施工设计具有重要意义。由于水力裂缝宽度比其长度和高度小3～4个量级,且储层埋藏较深,目前尚无法直接测量实际地层中的水力裂缝宽度,仅能大致通过模型估算或数值模拟获得。通过在室内压裂试件中布置单根或多根布拉格光纤光栅(FBG)应变传感器,对类混凝土材料的水力裂缝宽度进行多点同步动态监测,得到不同时刻多点水力裂缝宽度的变化,并依据裂缝宽度变化得到了裂缝扩展速度,从而对水力压裂裂缝扩展中的尺度变化进行了过程描述。实验研究表明,室内水力压裂模拟实验中水力裂缝的宽度为微米级别,裂缝扩展速度为0.1 mm/s量级;在水力压裂过程中,裂缝宽度随裂缝扩展呈现波动式变化,并非随着裂缝扩展单调增加。研究结果对认识水力压裂裂缝的扩展及提升压裂工艺技术具有重要参考价值。     

多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统研制及验证

水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,为真实模拟多簇压裂过程,了解段内多裂缝扩展规律及相互干扰机制,研制多簇水力裂缝起裂与扩展物理模拟试验系统.该试验系统在已有大型真三轴水力压裂试验系统的基础上设计多通道压裂井筒、复合包裹层状人工试样,增加多簇分流与监测系统、应变监测系统,具体特点如下:(1)多通道压裂井...     

裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究

水力裂缝监测技术显示页岩储层中水力裂缝形态复杂,与传统的砂岩储层有本质区别,传统的裂缝扩展模型难以描述和解释页岩地层裂缝扩展的复杂性。基于线弹性断裂力学理论,针对页岩地层裂缝发育的特征,采用位移不连续法建立了一种多裂缝扩展二维数值模型,模拟了页岩地层中水力裂缝在随机分布的天然裂缝干扰下扩展的复杂形态。数值模拟显示,当相对净压力较大、天然裂缝与初始水力裂缝最优扩展方向夹角较大时,更倾向于形成复杂形态裂缝;水平应力差较大时,水力裂缝分叉的几率越小,通过对页岩露头的真三轴水力压裂物理模拟试验研究进一步验证了数值模拟方法的合理性,龙马溪组页岩地层的微地震监测解释结果与本数值模拟结果吻合良好。     

天然页岩压裂裂缝扩展机理试验分析

本文主要采用的是大尺寸的三轴试验系统对页岩进行水力压裂的裂缝扩展实验,通过对压裂后裂缝延伸路径的观察,结合页岩内部实际水力压裂裂缝经过工业CT的扫描,研究出了各种外界因素对页岩压裂裂缝扩展规律的影响。从研究的结果中可以看出,对缝网复杂度的影响排量起到了一定的作用;应力差越大,也就是主裂缝与更多的天然裂缝相连,使缝网更加复杂;岩层的层理和胶结构强度等都会影响到压裂缝网的复杂度;水力压裂可能会使页岩层理分张,形成水平缝与垂直缝的交叉,产生体积裂缝缝网。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

水压致裂法测定岩石的断裂韧性

提出了一个利用液体压力对空心厚壁圆柱形岩样进行压裂而测定岩石断裂韧性的简单方法，在自行设计加工的岩样制备和断裂韧性测试装置上，对部分砂、页岩试样进行了测试。通过对岩样破裂面和声发射曲线的分析，对水力压裂过程中岩石破裂的有关机理进行了探讨。     

页岩储层I型和II型断裂韧性评价方法研究

 岩石断裂韧性对于定量评价页岩储层可压裂性具有重要意义。基于此,根据直缝切槽巴西圆盘实验(SNBD),测定了14块龙马溪组储层页岩的I型(张开型)、II型(划开型)断裂韧性。并利用上述实验结果,结合岩心所处深度处的测井数据,选择密度、声波时差、GR测井数据回归了页岩的断裂韧性。与前人基于抗拉强度建立的断裂韧性预测模型相比,建立断裂韧性与地球物理测井数据的直接联系。由预测模型可以看出,富有机质页岩I型和II型断裂韧性均与岩石密度、声波时差成正比,与页岩泥质含量成反比。即页岩中有机质(TOC)含量或黏土矿物越多,页岩断裂韧性越小,页岩起裂后越容易向前延伸。结果表明,计算断裂韧性与实测断裂韧性相关性较好。模型的建立可以为工程设计过程中找出“甜点”提供重要理论依据。     

压裂中天然裂缝剪切破坏机制研究

 采用理论分析、实验验证和算例分析研究裂缝性储层水力压裂过程中天然裂缝张开和剪切破坏机制。理论分析表明：水平主应力差、逼近角、裂缝面摩擦因数是影响天然裂缝剪切破坏的主要因素,在低应力差、低逼近角或者是摩擦因数较小的条件下,由于水力裂缝的影响,天然裂缝易发生剪切破坏;水平主应力差和近缝面岩石力学特性是影响天然裂缝张开程度的主要因素;试验结果表明,在低水平主应力差或低逼近角情况下,当水力裂缝与天然裂缝干扰后,闭合的天然裂缝张开,易发生剪切破坏;在高水平主应力差和高逼近角情况下,水力裂缝易直接穿过天然裂缝,天然裂缝仅仅被渗透,没有发生剪切破坏。通过算例分析,提出裂缝的张开边界和剪切破坏边界,阐述天然裂缝对流体的极限容量;分析表明逼近角越大,天然裂缝对压裂液的极限容量越小。     

水力致裂法测定分形裂纹下岩石的断裂韧性

 引入分形几何理论,应用分形方法来描述岩石断裂裂纹的曲折形态,进而建立分形裂纹下的岩石断裂韧性理论模型。在此基础上,应用自主研制的内压法岩样断裂韧性测试系统对不同假设条件下的岩石断裂韧性进行测定。结果表明,分形裂纹模型测试得到的岩石断裂韧性大于直线模型的断裂韧性,这也从理论上证实了目前水力压裂作业中理论计算值常低于施工压力的结论,说明应用该文的模型计算结果更接近实际情况。     

煤岩水压裂缝扩展行为特性研究

对坚硬煤体预裂中存在的问题，采用地应力场控制下水压致裂的方法，通过来自铜川矿区的九块大型煤块试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础上对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系，进行了系统试验研究。克服常规小试件试验的局限性，建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂缝扩展变化过程的对应关系，研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制，为解决煤岩体介质材料中水压裂缝扩展行为控制提供了科学依据。试验表明，本文结果中水压裂缝扩展控制参数对改善顶煤预裂设计效果具有实际意义。     

关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考

从发生条件、力学机理、试验研究和数值模拟等方面对土石坝心墙的水力劈裂问题进行了初步探讨。研究结果表明：（1）其发生条件至少包括物质条件和受力条件两个方面；（2）力学机理可以从断裂力学的角度进行揭示，判别准则可以基于断裂力学的理论建立；（3）试验研究中试样的边界条件和受力状态能够近似模拟心墙上游面的实际情况；（4）在弄清水力劈裂的发生条件、力学机理的基础上，通过试验研究建立合理的水力劈裂判别准则,对水力劈裂的发生发展过程进行数值模拟，是研究水力劈裂问题的有效途径。