文摘

根据平面力学的理论涉及液压骨折和自然之间的相互作用、水力裂缝延伸规律的影响下自然骨折使用理论分析和RFPA验证二维流式数值模拟方法。岩石的剪切和拉伸断裂机制同时考虑。此外,接近角的影响,主应力差,抗拉强度和天然裂缝的长度,储层的弹性模量和泊松比液压骨折的传播规律。得出以下结果:(1)数值结果与实验数据一致,表明RFPA二维流式软件可以用来检查水力裂缝延伸过程的作用下自然骨折。(2)对于较低的主应力差和低接近角,液压骨折可能造成剪切破坏沿天然裂缝。然而,在高应力差和高的方法角度,液压骨折直接通过天然裂缝沿原来的方向。(3)当自然与低抗拉强度遇到液压骨折,骨折液压骨折可能偏离沿天然裂缝和扩大。然而,在自然的情况下骨折具有高的抗拉强度,天然裂缝表面封闭,和液压骨折直接通过天然裂缝,沿着最大主应力的方向传播。(4)在相同的主应力差,较长的天然裂缝对应的液压骨折容易启动和扩大天然裂缝的尖端。然而,当天然裂缝的尺寸很小,液压骨折往往传播直接通过天然裂缝。(5)一个较小的弹性模量和泊松比大的储层裂缝起始压力更大。提交的调查结果可以提供理论指导的水力压裂储层天然裂缝。

1。介绍

近年来,水力压裂已广泛应用于工程实践的石油、天然气、页岩气,和煤矿1- - - - - -5]。液压骨折的传播中扮演着重要角色在水力压裂的优化设计,是一个具有挑战性的问题相应的液压骨折的理论研究[6- - - - - -9]。然而,在裂缝储层的情况下,天然裂缝的存在可以改变水力裂缝延伸的路径,形成复杂的断裂传播系统的multibranch骨折,这增加了水力裂缝网络的复杂性(10,11]。因此,准确预测和控制裂缝储层水力裂缝形态的改善至关重要的石油和天然气生产水库(骨折12- - - - - -16]。

数值模拟和实验测试的结果表明,水平主应力差和方法角度对应于液压和天然裂缝的主要影响因素是液压骨折的趋势(17- - - - - -20.]。拉赫曼等人认为,在一个低接近角和低应力差,液压骨折可以很容易的被捕获,和天然裂缝开启,将压裂液的一部分,从而防止水力裂缝的进一步扩张。中间接近角,天然裂缝开着,通过液压骨折通过天然裂缝依赖于应力差。在低应力差,只有自然骨折了。然而,在高应力差,水力裂缝渗透自然骨折。在高接近角的情况下,液压骨折总是渗透自然骨折,无论应力差的大小。此外,拉赫曼和拉赫曼表示,孔隙水压力的变化没有直接影响液压之间的交互和天然裂缝;这种变化只是加速了resteering压力当水力裂缝穿透了天然裂缝,和孔隙水压力影响天然裂缝的水压力的分布(21]。在现有的计算模型中,不考虑自然骨折的力学性能。此外,液压骨折骨折通过或被自然是被假定自然骨折的摩擦系数是常数。相比之下,自然骨折的机械强度大大影响水力裂缝的扩展行为(22,23]。液压和自然之间发生相互干涉的骨折,骨折和自然是容易发生剪切破坏。具体来说,天然裂缝在水压力的作用下膨胀,导致大量的流体损失自然骨折(24,25]。考虑到天然裂缝对水力裂缝的影响,进行了研究。然而,几个方面如液压骨折是否扩张的方向变化的作用下自然骨折和断裂传播路径变化的机制尚未有效地解决(26]。

相当于飞机模型是一种等效模型。的帮助下等效平面模型本文的实际过程转换和抽象成等价的,简单的,简单的数学模型,方便理论分析。在这项研究中,一个等效平面模型建立了液压骨折和自然相结合stress-seepage与渗透破坏力学理论。此外,剪切骨折的机制和拉伸断裂。的RFPA二维流式软件是用于检查水力裂缝延伸机理作用下自然骨折。此外,水力裂缝延伸的趋势的作用下角的方法,主应力差,抗拉强度,和天然裂缝的长度是澄清。这些发现不仅有助于改善水力裂缝网络的建立理论,也为工程实践提供理论支持,如安排的优化压裂钻孔,最小化干扰的自然骨折液压骨折的扩张,有效提高渗透率的增加由于液压骨折,骨折和液压的发展在裂缝性储层。

2。飞机模型和传播机制的交集液压和自然骨折

2.1。飞机模型,交叉液压和自然骨折

天然裂缝对水力裂缝延伸的影响取决于天然裂缝的位置。当水力裂缝与天然裂缝井眼附近,天然裂缝逐渐扩展为流体压力高于正常压力作用于表面的天然裂缝。以下4的情况可能发生在不断扩大的液压骨折:(1)天然裂缝在关闭状态时,剪切破坏发生在十字路口(图1(一))。即使水力裂缝延伸的路径并不是在这种情况下,影响压裂液的相当大的损失。(2)天然裂缝是由水力裂缝渗透在一个封闭的状态(图1 (b))。(3)天然裂缝的扩张后,液压骨折渗透在他们的交点和天然裂缝沿原方向继续扩张(图1 (c))。(4)的一端的水力裂缝扩展天然裂缝和背离。这种现象是因为充气水力裂缝传播沿走向的天然裂缝,和液压骨折后传播方向垂直于最小主应力(图1 (d))。飞机液压的交集和自然骨折模型如图1。

(一)
(一)
(b)
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(c)
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(d)
(d)
图1
飞机模型演示液压和天然裂缝的交集。(a)水力裂缝延伸时剪切破坏发生在天然裂缝。(b)水力裂缝穿透的天然裂缝直接关闭状态。(c)水力裂缝穿透天然裂缝。水力裂缝扩展(d)从天然裂缝的一端。
2.2。传播机制的交集液压和自然骨折

根据水力裂缝延伸的相关理论,煤岩体的主要水力裂缝扩展的方向垂直于最小水平主应力后启动。当水力裂缝传播沿着最大水平主应力的方向,它与天然裂缝相交。在图2,这种方法的角度 是液压和自然之间的交叉角骨折。 1和 3分别表示最大和最小水平主应力。


图2
飞机模型水力裂缝相交的天然裂缝。
2.2.1。液压骨折直接穿透自然骨折

当水力裂缝相交天然裂缝,天然裂缝不充气的流体压力的液压骨折小于正常的压力 天然裂缝的表面。水力裂缝在这种情况下,直接通过天然裂缝和延伸沿最大水平主应力的方向。这时,流体压力的液压骨折可以表示如下(27,28]。 在哪里 的组件是剪切应力在远场应力下的天然裂缝, 天然裂缝的抗拉强度, 水压力的液压骨折。

根据布兰顿的研究结果,剪切应力在方程(1)可以表示如下29日,30.]: 在哪里 在哪里 是相对滑动的天然裂缝长度和 天然裂缝的长度。

用方程(2)方程(1),方程(4)可以直接获得评价液压骨折是否通过天然裂缝。

当方程(4)是满意,直接通过天然裂缝和断裂沿着原来的方向传播。此外,方程(4)表明,液压骨折通过天然裂缝是影响应力差原则 ( ),接近角 ,抗拉强度 ,和长度 的天然裂缝等因素。

2.2.2。水力裂缝沿天然裂缝传播

考虑到地面应力场和天然裂缝的方向图所示2,正常的压力 和剪切应力 代理可以获得天然裂缝表面使用一个二维压力的解决方案,这可以表示如下(31日]。

当剪切应力作用在天然裂缝表面大于天然裂缝表面的剪切强度,剪切破坏发生在天然裂缝(32]。根据线性摩擦理论,数学条件这种剪切破坏发生如下(33,34]。 在哪里 0天然裂缝的凝聚力和吗 是天然裂缝表面的摩擦系数。

用方程(5)和(6)方程(7),可以获得以下表达式:

天然裂缝表面的流体压力必须低于正常压力作用于自然断裂表面;否则,裂缝打开,即流体压力满足以下关系:

根据断裂传播理论,格里菲斯线性断裂传播需要最低流体压力。假设格里菲斯骨折断裂,水压力的水力裂缝的顶端可以表示如下: 在哪里 储集岩的弹性模量, 是储层岩石表面单位面积上的能量, 格里菲斯的一半长度裂缝, 储集岩的泊松比。

因此,可以获得以下表达式:

根据方程(11),当液压骨折遇到自然骨折的因素确定液压骨折可以扩展沿天然裂缝包括水平主应力不同 ,接近角 ,天然裂缝的长度 ,摩擦系数 ,岩体的弹性模量 ,和泊松比 。

3所示。验证仿真结果的水力裂缝延伸的影响下自然骨折

3.1。几何模型

摘要RFPA二维流式软件,岩石断裂seepage-stress耦合分析系统不稳定,用于分析天然裂缝之间的相互作用机理和液压骨折基于损伤力学理论,在拉伸和剪切破坏岩石的标准选择(35,36]。在这个数值模拟,一个二维平面应力模型(图3大小) 采用。所有的边界是不透水和围压的限制。底部和左边界都是固定的。中心的钻孔直径0.02米的同时,中心的模型。模型分为 细胞。裂缝AB和CD提前被安排在相等的距离左右的钻孔,分别。两个先前存在的裂缝的长度和宽度,分别为0.04米和0.002米。两个先前存在的裂纹的拉伸强度为6.5 MPa,和内摩擦角为30°。最大主应力 1在水平方向上是10 MPa,最小主应力 3在垂直方向5 MPa。最初的水压力应用于钻孔是0 MPa,增量步是0.5 MPa。


图3
几何模型。
3.2。参数选择

确保数值计算可以更紧密地模拟真实的物理实验,实验样品的实际物理参数采用尽可能多的数值模拟。相关的参数利用数值模拟展示在表1。参数如compressiveness,拉力强度,弹性模量,泊松比可以确定基于实验测试。可以计算渗透率的实验室实验。在水注入压裂井之前,没有水的压力。因此,最初的水压力是0 MPa。

表1
在数值模拟中使用的参数。
3.3。传播的液压骨折的影响下自然骨折

图4表明,(1)一端的水力裂缝穿透天然裂缝,通过天然裂缝。随后,水力裂缝继续扩展沿天然裂缝的另一端。换句话说,液压骨折完全沿天然裂缝扩展,如图4(一个)。(2)当水力裂缝遇到自然断裂,它不偏离和扩大沿天然裂缝但直接穿透天然裂缝和继续沿着最大水平应力方向扩展,如图4(b)。(3)当水力裂缝遇到自然骨折,左侧液压骨折偏离;从一端这个裂缝扩展后的天然裂缝,最终沿最大原则应力的方向传播。然而,直接穿透天然裂缝对水力裂缝,如图4(c)。


图4
传播过程的水力裂缝的作用下自然断裂。(一)传播的水力裂缝沿天然裂缝。(b)传播的水力裂缝穿透天然裂缝。(c)的传播,通过沿天然裂缝和水力裂缝。

数值结果表明,水力裂缝可以通过三个传播路径的作用下自然骨折。(1)水力裂缝延伸完全沿天然裂缝。天然裂缝周围的裂缝产生,他们的扩张并不明显。(2)水力裂缝穿透天然裂缝和沿原方向扩展。生成的水力裂缝的长度远远大于天然裂缝;然而,几骨折存在天然裂缝。(3)液压骨折传播,同时沿天然裂缝,包括例(1)和(2),导致大量的骨折和更广泛的分布范围。这三个病例符合理论交叉的飞机模型的液压和自然骨折。开采石油和天然气资源,第三例导致水力裂缝网络的形成,可以减少工程数量,从而提高开发效率的石油和天然气资源。

Renshaw和波拉德等人研究了液压骨折的关键方法角度通过天然裂缝在不同压力条件下进行物理实验,获得了水力裂缝的关键曲线通过天然裂缝(黑色实线在图5)[37]。Renshaw和波拉德则可以用于预测的结果液压骨折和自然之间的交互。数值结果的比较,表明红色恒星和蓝色的点在图5,Renshaw和波拉德等人获得的实验结果表明,数值结果与Renshaw和波拉德标准一致。换句话说,数值结果与实验结果一致。


图5
数值模拟和实验结果的比较。

4所示。天然裂缝对水力裂缝延伸的影响

同质性、大小、细胞的数量、钻孔孔径,和基本模型的力学参数保持不变,和单一变量法被用来检查方法角度的影响,应力差原则,拉力强度和天然裂缝的长度、弹性模量和泊松比水力裂缝延伸。

4.1。方法的角度对水力裂缝延伸的影响

当角的方法 是0°30°、45°60°、90°,水力裂缝的传播是如图6(一)-6分别(E)。以下的观察可以:(1)当θ是0°30°、45°,水力裂缝首先沿着垂直于最小主应力方向传播 3。水力裂缝与天然裂缝后,沿天然裂缝延伸和传播从一个天然裂缝。随后,骨折背离,继续扩大在最大水平主应力的方向 1。对于一个小角 ,这种现象更值得注意的,因为一个小 对应于一个较小的正常压力 在天然裂缝。因此,一个更小的剪切应力 和拉应力 需要滑动液压骨折开放的天然裂缝表面,分别。天然裂缝开启容易,水力裂缝继续扩展沿天然裂缝表面的一端。在低应力差和方法角度,天然裂缝是由液压骨折,激活和孔隙水压力是转移的一部分,从而防止液压骨折进一步通过天然裂缝。(2)当 是60°、90°,液压骨折直接通过天然裂缝,表明液压骨折可以很容易地通过现有的天然裂缝在高角度的方法。这个发现可以归因于这样一个事实,即更大角度的方法 对应于一个较大的法向应力 在天然裂缝。因此,一个更大的剪切应力 拉应力 需要滑动液压骨折开放的天然裂缝表面,分别。天然裂缝很难打开,液压骨折直接穿透天然裂缝。


图6
水力裂缝延伸过程在不同角度的方法。(一)形态的水力裂缝延伸。(b)声发射信号。(c)云计算孔隙水压力的地图。
4.2。差异的影响主要在水力裂缝延伸压力

考虑到最小主应力 35 MPa和最大主应力 15 MPa, 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa,和30 MPa,相应的水平应力差 是0 MPa, 5 MPa, 10 MPa, 15 MPa,分别和20 MPa。水力裂缝延伸的过程在不同的水平应力差异如图7。以下的观察可以:(1)当水平应力差 首先是5 MPa,水力裂缝传播沿垂直于最小主应力方向。与天然裂缝相交后,水力裂缝扩展从天然裂缝的一端和背离扩大沿最大主应力的方向。这一发现表明,天然裂缝是由液压骨折,激活和孔隙水压力的一部分传输条件下的低应力差,从而防止液压骨折进一步通过天然裂缝。(2)当水平应力差 是10 MPa和15 MPa,水力裂缝与天然裂缝相交后,液压骨折左边沿着方向垂直于天然裂缝传播。此外,液体渗透沿天然裂缝的接口。水力裂缝渗透后左边沿着界面在一定距离,它穿透了接口和扩展沿着原来的方向。水力裂缝穿透右边直接通过天然裂缝和继续扩大沿应力方向垂直于最小原则。(3)当水平应力差 是20 MPa 25 MPa,水力裂缝与天然裂缝后,沿着最大原则应力的方向扩展。这一发现表明,液压骨折容易通过现有的天然裂缝在高应力差。


图7
不同水平下的水力裂缝延伸过程应力差异原则 。(一)水力裂缝延伸的形态。(b)声发射信号。(c)云计算孔隙水压力的地图。

当主应力不同 小,晶体和缺陷的随机分布在岩石中影响传播过程。岩石的断裂的天然裂缝模型中更引人注目,和水力裂缝的形状更曲折。此时,天然裂缝更容易被打开,和液压骨折更可能扩大沿天然裂缝。与主应力差的增加 ,水力裂缝相对直接的传播形式,平行于最大主应力的方向 1。分支提示骨折的液压骨折并不重要。这时,液压骨折后更有可能扩大渗透自然断裂。

4.3。抗拉强度的影响的天然裂缝对水力裂缝延伸

当拉力强度 天然裂缝的6 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 12 MPa, 14 MPa,水力裂缝延伸过程如图8。以下的观察可以:(1)抗拉强度 的天然裂缝很小,液压骨折更有可能偏离沿天然裂缝和扩大。由于天然裂缝周围的应力场的变化,水力裂缝延伸的天然裂缝,当液压骨折方法天然裂缝或提示。水力裂缝扩展部分的宽度远小于其初始宽度。(2)然而,抗拉强度增加,水力裂缝穿透天然裂缝和沿着最大主应力的方向扩展。这方面可以用这一事实来解释液压骨折往往扩展阻力最小的方向。当天然裂缝表面的抗拉强度大,水力裂缝表面不进行剪切和拉伸断裂,这阻碍了天然裂缝的开启过程中水力裂缝延伸。然而,当天然裂缝的抗拉强度很小,天然裂缝表面的弱面特征明显,促进了传播的水力裂缝沿天然裂缝。这一发现表明,液压骨折的传播模式密切相关的接口材料天然裂缝。液压骨折容易扩大沿着阻力最小的方向,而不是在整个路径。因此,树枝很容易发生骨折。


图8
水力裂缝延伸过程在不同拉伸优势 。(一)云计算孔隙水压力的地图。(b)声发射信号。(c)水力裂缝延伸的形态。
4.4。影响天然裂缝对水力裂缝延伸长度

液压骨折可能沿天然裂缝扩展。延伸一段距离后,树枝液压骨折往往偏离,这有利于水力裂缝扩展。在某些情况下,水力裂缝延伸通过天然裂缝。在相同的主应力差,较小的天然裂缝长度 对应于一个更简单的扩张水力裂缝的天然裂缝,如图9(一)和9(B)。然而,对于天然裂缝与一个更大的长度、液压骨折往往通过天然裂缝直接传播,如图9(C) -9根据方程(E)。11),当应力差是固定的原则,一个较小的天然裂缝可以更容易满足的力学条件的水力裂缝沿天然裂缝传播。相反,一个更长的天然裂缝使它更加难以满足的力学条件的水力裂缝沿天然裂缝传播。


图9
水力裂缝延伸过程中在不同的天然裂缝长度 。(一)云计算孔隙水压力的地图。(b)声发射信号。(c)水力裂缝延伸的形态。
4.5。储层岩石的弹性性质的影响水力裂缝延伸

的弹性模量 和泊松比 是两个重要的参数来表达岩石抵抗变形的能力的作用下外部负载。这两个参数是密切相关的强度和脆性岩石。一般来说,一个更大的岩石的弹性模量对应于一个较小的泊松比。沉积岩的弹性模型的特点是一个更高的异质性。在使用RFPA数值模拟进行二维流式软件,岩石强度的不均匀性和弹性模量。因此,液压骨折的起始和扩张过程的作用下自然断裂,使用RFPA模拟二维流式软件,足够现实。

储集岩的弹性模量之间的关系和天然裂缝的开启压力图所示10。以下的观察可以:(1)在一定角度的方法 ,天然裂缝逐渐所需的临界开启压力随弹性模量的增加而减小 。这方面可以定量地解释这一事实的影响射孔压裂储层具有高弹性和脆性显著大于,在储层低弹性和高韧性。(2)一定的弹性模量 ,接近角的增加 ,自然断裂所需的开启压力增加。当角的方法 是90°,天然裂缝的开启压力达到最大值。


图10
天然裂缝的开启压力在不同弹性模。

泊松比之间的关系 储层岩石和天然裂缝的开启压力图所示11。以下的观察可以:(1)在一定角度的方法 ,当泊松比 很小,天然裂缝的开启压力也小。泊松比的增加 ,天然裂缝的开启压力增加。特别是,一个水库高弹性模量通常有一个更小的泊松比。因此,弹性模量和泊松比的影响在天然裂缝的开启压力是一致的。(2)对于一个特定的泊松比,接近角的增加,天然裂缝的开启压力也会增加。当角的方法 是90°,天然裂缝的开启压力展示其最大价值。


图11
天然裂缝的开启压力在不同泊松比。

5。讨论

天然裂缝对水力裂缝延伸的影响一直是一个热门话题。在本文中,只有两个选择自然骨折。事实上,天然裂缝的数量远远超过两个裂缝性储层天然裂缝。在未来的研究中,更自然的骨折应采用数值模型。当然,飞机模型和传播机制的交集液压和自然骨折将变得更加复杂。

RFPA二维侧是一个很好的数值计算软件,可实现液压断裂过程的可视化。然而,数值模拟的过程取决于增量的步骤,而不是时间。因此,更多的因变量,如水压力、长度、和水力裂缝的宽度等,视时间为自变量,无法获得。

6。结论

(1)考虑岩石破裂的拉伸和剪切破坏机制,水力裂缝延伸的理论模型建立了天然裂缝的作用下基于等效平面断裂理论的液压和自然骨折。水力裂缝的形态决定使用数值模拟与现有物理实验的结果是一致的。(2)在大的接近角的情况下,液压骨折直接通过天然裂缝,和天然裂缝的起始压力逐渐增加。接近角为90°时,天然裂缝的起始压力达到最大值。当接近角很小,水力裂缝沿天然裂缝扩展,从一端传播,偏离和继续扩大沿着最大水平主应力的方向。(3)在低应力差原理,液压骨折往往沿天然裂缝扩大,和水力裂缝的发展相对比较复杂。然而,主应力差的增加,水力裂缝穿透天然裂缝。这方面表明,在较低的主应力差,天然裂缝更可能被打开,这样有利于水力裂缝的发展。(4)当天然裂缝的抗拉强度大,液压骨折不能诱发剪切和拉伸断裂,这阻碍的天然裂缝和水力裂缝的传播。相反,当天然裂缝的抗拉强度很小,疲软的天然裂缝的表面特征突出,促进天然裂缝的开启。(5)与弹性模量的增加或减少在泊松比,最重要的天然裂缝的开启压力减少。自从储集岩和高弹性模量通常有一个较小的泊松比,弹性模量和泊松比的影响在天然裂缝的开启压力是一致的。

数据可用性

手稿中的数据请求通过Weiyong Lu,可用的电子邮件地址(电子邮件保护)。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

作者想特别感谢大连Mechsoft有限公司在提供免费RFPA他们的帮助二维流式软件三个月了。这项工作是支持的科技成果转化项目(TSTAP)山西高等教育机构(cg050 2020号),2019年的特殊项目计划引进高层次科技人才在开发区吕梁市(开发自动拆卸平台液压支架销轴)(2019号l0002),吕梁市2019年科技项目(减压和渗透率改善技术集成液压冲洗和削减低渗透煤层含甲烷)(2019号l0008)和中国国家自然科学基金(51774111和51774111号)。