文摘

为了研究孔隙压力的影响对水力压裂的行为在当地和全模型,耦合flow-stress-damage RFPA-Flow (FSD)分析系统是用于研究岩石非均质性的影响,自然应力比,double-hole间距,和水压力梯度压力阴影效果。数值结果表明,拉伸裂纹引起的孔隙水压力明显影响孔隙水压力和水压力梯度。孔隙压力梯度越大,越不对称裂纹发展模式和模型的不稳定压力越小。此外,水力裂缝的形状变得更加不规则岩石非均质性的增加。的数量和形状提示微裂隙的影响下当地水压力与岩石的同质性密切相关。此外,当自然应力差大,水力裂缝传播平行于最大主应力;应力场时,两个洞的间距小于5倍直径,孔之间的液压骨折的传播方向垂直于最大主应力。发现两个洞之间没有液压骨折发生当孔之间的距离大于直径的5倍。

1。介绍

高压流体压裂和机械破碎岩石裂缝的两种主要方法,还有很多研究岩石的机械开裂机理。测试在这个实验室主要包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、拉伸试验和数值模拟研究也相对成熟(1- - - - - -4]。然而,高压流体压裂的机理和孔隙水压力是如何影响拉伸破坏机理和裂缝形态的岩石是不清楚。一些领域的证据表明,孔隙水压力的影响在裂纹萌生机制和传播有时不清楚。有效应力的原理扩展到储层裂缝的问题,表明液压骨折引发和传播的压力可能会降低储层孔隙水压力的增加。重开压力和传播的压力裂缝显示下降趋势低利率流体注入时,这可能是由于大量的液体丢失了水库(5]。这个结论与实验室测试的结果是一致的。当大量的液体丢失岩石、地层破裂压力会显著降低(6,7]。一些实地测试表明,水力裂缝增长压力增加高储层压力和减少在低储层压力,但是这是不符合有效应力原理(8,9]。导致这种现象的原因是孔隙压力对裂纹演化的影响应该从本地和全球模型进行分析。当在裂纹尖端局部孔隙水压力的增加,裂纹扩展将增强。孔隙水压力总体上增加了由于压应力的形成会抵制裂缝的发展。与此同时,由于孔隙流体压差的影响必须考虑。

一些学者已经讨论了对称或不对称的孔隙压力分布的影响在平面裂纹扩展10- - - - - -12]。一个更复杂的问题的过程中水力压裂裂缝的传播和演化涉及领域的非均匀孔隙水压力。液压骨折的传播是最明显的影响内部孔隙水压力和应力比。液压骨折在水库一般传播方向平行于最大远场应力,并促使裂纹扩展的能量在传播过程中不断减少(1,6]。然而,在一个相对统一的天然地基应力场(应力比接近1),应力场不能发挥主导作用的传播。在这种情况下,孔隙压差的裂纹尖端局部范围可能会影响裂纹扩展路径。压力梯度的应力场在全球范围会影响裂纹扩展方向(10]。根据研究Geertsma [10和佳13),孔隙水压力的影响在裂纹演化必须在本地和全球尺度上研究水力压裂非线性行为。当地的孔隙水压力的增加,裂纹尖端将驱动裂纹的不断发展。然而,整体孔隙水压力增加引起的原位应力的增加字段可能抵制液压骨折的传播,尤其是拉伸裂缝。此外,Detournay et al。14]研究了拉伸裂纹的萌生和扩展过程double-hole和钢水石板样本不对称下孔隙压力通过实验,结果表明,当地的孔隙水压力在拉伸裂纹扩展起到了直接的作用。布鲁诺和中川(15)进行了数值模拟页岩压裂试验的布鲁诺和中川通过数值方法分析了进步裂纹propagation-based系统不对称孔隙压力分布。据王et al。16),裂纹迁移主要是由两个参数控制,一个是far-site压力偏差之间的区别和特点多孔弹性压力,,另一个是压力扰动引起的弹性应力在裂纹尖端应力场和特点。不同常规的应力扰动岩体工程(17- - - - - -19),压力扰动引起的应力比是水力压裂传播的关键。当第二个参数是足够小,裂纹的传播路径可以完全预测的地应力场。此外,拉伸断裂引起的岩石内部水压是主导,和剪切破坏将克制。当岩石内部水压力和外部荷载同时,它将显示不同的失效模式。因此,岩石的内部水压力和地应力测试是两个重要的参数,确定液压骨折的萌生和扩展。Warpinski和Teufel20.]发现多个微裂隙或分支水平井裂缝附近可能发生断裂,和相邻裂缝的生成和传播井筒会受到对方的影响,影响井筒墙的稳定性和裂纹的传播路径。与此同时,认为相邻钻孔之间的距离对裂纹之间的相互作用具有明显的影响。因此,两个阶段之间的距离和井筒是另一个重要的测试参数。由于岩石固有的异质性,毛孔,弱面,煤渣,和成岩矿物岩石绝对异构材料。试验和数值计算的液压骨折,异质性是要考虑的另一个重要参数。

布鲁诺和中川(14)展示了孔隙水压力对拉伸裂纹的萌生和扩展线性弹性断裂力学和实验室测试。裂纹演化过程也受到当地的孔隙水压力,孔隙水压力分布和压力梯度在整个范围。基于格里菲斯理论和最大应变能密度法、线性弹性断裂力学考虑流体压力的影响在裂纹尖端应力强度因子和孔隙水压力的应变能促使裂纹扩展(20.]。此外,该强度理论可以分析裂纹发展在一定程度上。岩石的应力状态是由弹塑性力学的基本方程。当有效应力超过材料的抗拉强度在一定程度上,裂缝将启动和扩大,故障点所受最大应力发生在点(21,22]。断裂力学和强度理论可以帮助我们知道并理解水力压裂的原理,但是解析解来源于理论只适用于一些简单的情况下。此外,实验室测试方法带来巨大的不便控制各种测试参数影响水力裂缝延伸的行为,也是很难测量孔隙水压力引起的裂纹演化过程中的异构(破碎岩石14]。

对于一些复杂的问题,数值计算方法可用于更好地研究这个复杂的水力压裂的力学行为。在这项研究中,二维不稳定岩石RFPA-flow计划,考虑到使用耦合flow-stress-damage。五个数值模型旨在探索整个地方和孔隙压力演化考虑岩石的异质性,原位应力比,double-hole间距,孔隙水压力梯度。在某种程度上,数值结果填补了本研究的不足与double-hole模型和水力压裂提供依据实验室测试设计和现场页岩气开发。

2。数值模型和程序

RFPA(现实的断裂过程分析)流式数值代码在许多文学研究进行了详细介绍(23,24),该计划考虑渗流和应力岩石破坏过程中故障特征,并基于整合理论的毕奥和修改的有效应力原理Terzaghi [25]。此外,RFPA方法考虑了岩石破坏的影响岩石渗透率变化之前和之后的失败,它可以描述非均匀渗透水力压裂模拟压裂过程中的演化行为。该数值模型的可靠性已被许多学者证明(23- - - - - -25),其详细的理论是没有介绍了研究。

二维double-hole平面应变的计算模型如图1。模型的几何尺寸为400毫米×400毫米,和整个模型分为220×220 = 48400单位。两个小洞,直径30毫米被发掘的水平线穿过中心模型。水平应力σ_H和垂直应力σ_V应用于模型的边界,应力比是表示为K=σ_H/σ_V。液压压力应用在两个洞的边缘,和流体压力增量Δp0.5 MPa,直到裂纹扩展是由样本宏观损伤引起的。在这个模型中,岩石非均质性的影响,孔间距、注射速率和其他因素对液压骨折的演化特征的局部和全局模型全面考虑。列出了介观模型的输入参数表1。

利用建立的模型图1,5个数值模拟器是在这项研究中,如下:(1)案例1:考虑一下这种情况:双孔模型中是平等的初始水压力、水压力的增加是相同的,和外部边界是一个统一应力场(K= 1)。为了更好地理解裂纹开裂的现象,传播,和聚结引起的孔隙水压力的分布,孔隙大小的模型扩展和变形计算。(2)例2:模型应力分布、孔隙水压力分布、水力裂缝形态、裂纹扩展路径和破裂压力进行了讨论在不同岩石同质性(米= 1.5,3,5,1000)。(3)案例3:研究进化形成水力裂缝的double-hole模型在不同应力比(K= 0.5、1、0.8、1.5),讨论了压应力场对孔隙水压力的影响在整个范围,并分析裂纹的演化规律。(4)案例4:响应研究水力压裂的井距。double-hole间距的价值l60毫米,100毫米,130毫米和170毫米。目的是探索double-hole间距对当地的影响孔隙压力分布和影响因素驱动水力裂缝的发展模式。(5)案例5:讨论液压骨折的传播规律及其影响模型破裂和不稳定条件下的非对称水压力注入两个洞。

第一、第二、第四模型用于分析裂纹演化法由当地水力裂缝的孔隙水压力。第四和第五模型关注的影响液压启动压力梯度,传播,液压骨折合并在整个测试模型。第三和第五数值模型专注于液压骨折孔之间的演变,分析两个洞之间的相互作用机理,并讨论的相互吸引作用液压骨折。

3所示。计算结果和分析

3.1。水力裂缝延伸两眼模型

图2显示了两眼模型的渐进破坏过程的情况下恒定的水压力增加,压力σ_h=σ_v= 10 MPa,同质性米= 2,孔隙压力增量0.5 MPa。当计算达到30小时步,几乎没有元素在两个洞被摧毁,没有裂纹开裂的迹象,也就是应力积累阶段。当计算时间步达到33岁,最小主应力积累材料的抗拉强度。零星和分散微裂隙会出现在两个洞。微裂隙的数量增加,微裂隙分布在伞的形状,和微裂隙积累两个洞的中间区域。当计算时间步达到35个,模型开始不稳定。破裂压力是27.5 MPa时,水压力达到破裂压力时,裂纹继续扩展,直到模型破坏条件下的水压力两个洞不会增加。

的传播方向水力裂缝在左洞(孔1)几乎是水平的,传播方向之间的角度和水平方向的水力裂缝在正确的孔(孔2)大约是45°。液压骨折两边的洞洞1和2,分别对称加压洞。然而,由于应力场之间的交互和两个洞,增加液压骨折的传播长度中间的两个洞大于两个洞的外面。当它到达35-5时间步,左翼和右翼的压力洞附近的液压骨折开始倾向于连接。当它达到35 - 12个小时,两个洞之间的液压骨折是完全连接在水平方向上,这是平行于最大水平主应力的方向。计算模型表明,孔隙水压力的分布有很大的影响开始,传播,和聚结的裂缝,聚结双孔之间的裂缝是由于孔隙水压力的分布之间的毛孔。

为方便比较和说明,水力压裂计算单孔模型的同时进行。一个小洞,直径30毫米的中心模型中被发掘。强度分布、边界条件和孔隙压力增量的meso-unit与double-hole模型是一致的。在34 h单孔模型的步骤之前,没有损害元素内。当计算达到39 h步骤(破裂压力为29.5 MPa),模型变得不稳定(图3)。单孔模型的断裂压力大于double-hole模型,这是更容易不稳定和失败由于气孔之间的孔隙水压力的影响。

在水压力增加的情况下,仍有压力的一个重要特征,即模型到达前的起始压力、破裂压力。裂纹萌生压力对应的直线与曲线的拐点pressure-time曲线。安德列夫et al。25)确定裂纹开裂应力通过观察孔隙大小在不同方向的扩张。裂纹起始压力可以通过声发射(AE)[监控23]。一些学者还认为,裂缝起始压力对应的压力值时,钻孔水压的增加速度达到最大值。这里,孔扩张和声发射监测是用来确定价值。数据4和5显示声发射和孔径增加和压力之间的关系的过程中增加井眼压力。由于两者之间的孔隙水压力的影响毛孔,单孔模型的起始压力大于double-hole的模型。同时,孔的裂纹萌生压1小于2孔由于材料非均匀性的影响。

3.2。岩石同质性对水力裂缝延伸的影响

图6显示了第二种情况的计算结果。同质性的值是1.5,3,5,和1 000年,应力比K= 1,double-hole间距为130毫米。水压力的增加,例1的洞是一样的。岩石非均质性强的材料(米= 1.5),裂纹的扩展路径是最长的,双方的裂缝洞1和2是不对称的,和大量的分支裂纹形成水力裂缝尖端。这最终导致两个主要的形成水力裂缝的水平井。的异质性下降(即米值增加),微裂隙的数量分布在洞变得越来越少。对于均质岩石材料(米= 1000),几乎没有观察到微裂隙,损伤与断裂仅限于两个液压骨折。水力裂缝扩展小持平和光滑,发展对称形状。

总之,由于岩石非均质性的存在,液压骨折总是选择阻力最小的路径传播,依赖于强度的统计分布特征,导致液压骨折路径的违规行为。根据断裂力学理论,认为开发大量微裂隙岩石裂纹尖端的异构。对于均质材料,形成塑性区,这再次证实了图的计算结果6。

由当地的孔隙水压力,液压骨折继续发起、扩展和连接。当岩石同质性不同,孔隙水压力的分布沿水平线穿过double-hole核心如图7。周围的孔隙水压力是最大的两个洞,减少当它远离洞边。此外,它可以发现孔之间的孔隙水压力下降小于两侧的洞洞1和2,和更高的孔隙水压力分布中间的双孔,孔之间的水力裂缝的传播比左边的洞1和2右边的洞。

岩石的孔隙水压力的分布是独立的同质性,因为水压力注入孔的内壁的计算模型。几个同质性模型的孔隙压力分布基本上是相同的。图8显示了有效应力的分布以及井间核心配置文件时,均匀系数是1.5,5、1000。可以看出,当岩石非均质性强(米= 1.5),由于介观模型中元素的机械不同,压力曲线波动和跳跃更明显。同质性的增加,波动逐渐减小。当同质性是1000,有效的最大和最小压力的分布平滑和线性。此外,非均匀岩石的压力波动两边的压力曲线的均匀样本,和平均应力的非均匀岩石基本上是均匀的样品一样。从图可以看出8同质性程度越大,越接近两个洞,周围的有效的最小主应力和有效应力的均质材料是完全对称的两个注入漏洞。在连接两个洞的中心,当地有效的最小主应力是最大的和逐渐减少,因为它靠近孔壁,这也是为什么拉伸液压骨折贯穿孔之间的区域,平行于水平应力。

3.3。应力比对水力裂缝延伸的影响

图9显示场景3的计算结果。模型的同质性是2,和双孔之间的间距为130毫米。液压骨折的演化特征模拟当K为0.5,0.8,1.5和2.0。当K= 0.5,应力差是最大的,垂直拉伸裂纹发展的方向σV。由于这个模型的非均质性强(米= 2),两个洞的裂纹发展不对称,左洞的裂纹扩展长度大于正确的洞,而且没有水平裂缝。当K= 0.8,水平裂缝逐渐出现在正确的洞,和两个垂直裂缝在外面的孔向右倾斜向上,显示在水平方向发展的趋势。结果表明,水力裂缝的发展不仅受自然影响应力场也受到应力场和孔距。

当K< 1,自然应力场和孔之间的距离也有类似的对裂纹扩展的影响,和裂纹扩展方向可能最终受到岩石介质的均匀性的影响。当K= 1.5,水平裂缝和斜裂缝出现在洞1。然而,由于孔2的影响,最终裂纹沿水平方向传播,沿着水平方向的裂纹扩展是主导。当K= 2.0,最大主应力在水平方向上,且仅水力裂缝起始水平,传播和连接发生在洞洞1和2。这种情况也表明,强烈的各向异性压力场,应力场控制水力裂缝的发展,和两个洞之间的相互作用是不容忽视的。

3.4。孔间距对水力裂缝延伸的影响

图10显示场景4的计算结果。模型的同质性米= 2和应力比K= 1计算研究不同裂缝发展double-hole间距的影响。的初始孔隙压力两个洞是10 MPa,孔隙压力增量是0.5 MPa。当两个洞之间的距离相对较近(l= 60毫米),三个液压骨折开发洞洞1和2,分别和水力裂缝的方向是水平和垂直的,这表明液压骨折的萌生和扩展是影响应力场和孔隙压力同时两个洞很近。

孔间距的增加,两个洞之间的交互变得较弱。孔间距为90 mm时,两个垂直裂缝出现在洞1,而三个液压骨折出现在洞2。1的影响下洞,一个水平裂缝发展。孔间距增大到130毫米时,两个垂直裂缝发展洞,没有横向裂缝出现。当160毫米的孔间距达到最大,只有两个洞2中垂直裂缝发展,和水力裂缝起始没有洞1。结果表明,随着井距的增加,影响液压骨折变得虚弱。当孔间距大于5倍直径,孔之间的水力裂缝的发展不会受到双孔的孔隙水压力的影响。Geertsma和Detournay相信压应力场的增加会增加孔隙水压力,从而抵制水力裂缝的产生。从计算结果可以看出double-hole模型在本节中,抵制水力裂缝的形成的因素还包括两个洞之间的距离。

3.5。初始液压对水力裂缝延伸的影响

图11阴谋案件5的计算结果。该模型考虑了孔隙压力梯度对裂纹扩展的影响,同质性米= 2和应力比K= 1。孔1的初始孔隙压力是10 MPa,和初始孔隙压力洞2是13 MPa, 15 MPa,分别和17 MPa。两个洞是0.5 MPa的压力增量,所以两个洞之间的压差是保证平等在每个计算时间步长。结果表明,裂纹从洞口高孔隙压力(洞2)并传播到较低的孔孔隙压力(洞1)与孔隙压差的增加。当达到断裂应力的模型时,没有观察到裂纹萌生在洞1由于初始压力小。仿真结果与实验结果相一致的布鲁诺et al .,表明水力裂缝延伸的趋势从高孔隙压力低水力梯度条件下孔隙压力。

临界压力之间的关系和初始压差的双孔如图12。裂纹萌生的压力和破裂压力模型有很好的线性与压差的关系。模型的裂缝压力和启动压力与压差的增加逐渐降低。

为了进一步探索的影响全球孔隙水压力的影响的裂缝演化模型,有效应力和孔隙水压力的分布显示了井间配置文件数据13和14,分别。由于存在压力梯度的双洞,最小主应力的分布在两个洞是不对称的。在中间区域的双孔,有效的堆积速率最小主应力在洞洞2比1。当拉伸应力超过岩石抗拉强度的水力裂缝发起孔2和扩大孔1。也可以从孔隙水压力的分布曲线,随着孔隙压力梯度的增加,孔隙水压力在孔隙2显然大于周围孔隙1,这与距离的增加逐渐减少孔隙2。存在两个洞之间的高孔隙压力区会导致液压骨折更显著的发展,两岸的孔隙。

4所示。讨论

在这项研究中,水力裂缝在两眼的进化模型数值调查使用flow-stress-damage耦合模型。岩石均匀性的影响,应力比、孔间距、液压压力梯度。两眼模型中水力裂缝延伸的特点是压力的经典问题的影子。这项研究的结果与已有的研究不同,岩石的同质性是第一考虑压裂两眼模型。虽然压力扰动岩石破裂被发现(18,26),然而,一个数值模型考虑干扰水力裂缝延伸压力并不常见。被许多学者接受,页岩的形成是被频繁注入高压液体;这是说,页岩地层的孔隙压力是动态应力扰动的影响。在这项研究中,造成的扰动应力比被认为是,在进一步的研究中,扰动载荷的影响,如循环注入负荷和振动载荷的应该添加到模型中。

5。结论

在这项研究中,液压骨折的进化在局部和全局两眼模型的孔隙水压力数值调查。五种数值模拟器的设计,考虑到岩石非均质性等因素,自然应力比、double-hole间距,和孔隙压力梯度。断裂演化形态、应力分布、孔隙水压力分布和临界压力的五个模型进行了分析,并总结了主要结论如下:(1)常数条件下初始水压力,与单孔模型相比,两眼模型更容易不稳定故障是由于孔隙水压力的影响。当地的孔隙水压力的作用下裂纹尖端,两个洞之间的相互作用更明显,和两个洞之间的裂缝延伸长度大于这两个洞外。考虑孔隙压力梯度时,水力裂缝开始与高初始孔隙压力,和中间的裂缝主要传播地区的两个洞的影响下的“引力效应”两个洞。(2)由于岩石模型的微分异质性,两眼的有效应力曲线模型有不同的形状。同质性的增加,应力曲线变得平坦,连续和光滑。当地的孔隙压力的作用下,微裂隙的数量和形态水力裂缝尖端与岩石同质性的增加减少。当岩石均匀,塑性区发展的断裂,并没有观察到微裂隙。(3)结果表明,不同的天然孔隙压力的整体应力比影响性能的裂纹的形成发展。的数量随压力比的增加,裂缝和断裂传播路径也发生。数值结果表明,孔隙水压力的增加导致的原位应力场在整个范围的传播会抵制液压骨折。(4)double-hole模型,double-hole间距是影响裂纹演化的另一个重要因素。结果表明,两个孔之间的孔隙水压力对裂缝发育具有明显的影响,当距离小于5倍洞直径,和裂纹垂直于最大主应力。当直径大于5倍的距离,两者之间的孔隙水压力对断裂演化毛孔几乎没有影响。然而,应该指出,决心double-hole临界距离的影响也可能与岩石均匀性有关。获得5次孔间距时岩石同质性是2,和同质性之间的关系和重要影响的距离应该进行进一步的研究。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢Mechsoft科技(大连)有限公司有限公司提供RPFA-Flow代码。这项研究由北京科学技术计划项目(Z181100005118012)和中国煤炭科学和工业集团科技创新风险资本特殊重点项目(2018 - 2 zd007)。