文摘

水力压裂是一个必要的页岩气开采技术。为了有效刺激治疗,一个复杂的裂缝网络发达,而丰富的床上用品的飞机和天然裂缝,形成裂缝网络的机制还没有完全理解,它是如此难以预测传播和启动液压骨折。因此,在本文中,考虑到强烈的页岩储层各向异性,数值模拟进行了分析断裂传播和起始有限元的基础上和损伤力学。仿真结果表明,液压骨折不仅是由原位应力控制在页岩由于强烈的各向异性。有很多床上用品的飞机、液压骨折往往沿层理面萌生和扩展。特别是,这种影响就变得更强的低强度和高发展密度的床上用品的飞机。此外,结合天然裂缝和层理面,起始点通常是在天然裂缝面,导致崩溃的压力相对较小。裂缝延伸过程中,水力裂缝与天然裂缝和床上用品的飞机,形成树状分叉和更复杂的路径。数值模拟证明层面和天然裂缝是液压骨折的重要因素。与天然裂缝相比,层理面有更强的对水力裂缝延伸的影响。 For the initiation of hydraulic fracture, natural fracture is the major effecting factor. The outcome of this study is able to offer theoretical guidance for hydraulic fracturing in shale.

1。介绍

页岩气是世界上潜在的非常规天然气。在美国页岩气的成功发展使页岩气成为热点在石油工程(1,2]。页岩的孔隙度和渗透率很低,他们之前必须刺激经济的生产(3]。因此,近年来,水力压裂已应用于提高页岩气产量。液压骨折在各种地质和工程条件有不同的形态。页岩气生产的有更好的改进,一个复杂的裂缝网络有利于开展有效刺激治疗根据页岩的领域经验4,5]。对于有复杂的水力裂缝网络,必须有一个深刻的理解水力裂缝起始和传播。一开始,已经申请了一个分析方法液压开始破裂。哈伯特和威利斯6)首先给出了一个分析模型不渗透性地层的裂缝起始。然后,Haimson和Fairhurst7)建立了一个分析模型的断裂起始垂直钻孔。液压传播,分析模型,建立描述液压骨折,包括KGD模型(8),波兰模式9),和P3D模型(10]。基于上面的分析方法,大量研究的机制进行了水力裂缝萌生和扩展,分析影响因素,如射孔参数、岩石强度、压裂液(11- - - - - -13]。

进一步研究在页岩水力裂缝包括多个不连续,数值模拟已成为一个主要的工具。特别是,有限元方法(FEM),扩展有限元法(XFEM),边界元法(BEM)和离散单元法(DEM)是最广泛应用于液压骨折(14- - - - - -16]。有着悠久历史的数值模拟,有限元法已经发育良好,能够与各向异性介质中的水力压裂处理复杂的压力(17]。然而,在有限元法,模拟裂缝延伸再啮合是必要的,降低了计算效率(18]。为了克服这个限制,XFEM删除再啮合的孤立网格,骨折,高度提高计算效率(19]。本的不连续界面建立了水力裂缝起始和传播。自本只是网格在边界或不连续界面,计算元素的数量减少,节约计算资源(20.,21]。本最大的限制是,这种方法非常依赖于解析解。这可能会导致一个明显的错误当奇点发生在边界变量(22]。基于假设岩石的组装粒子与粒子之间的连续性并不重要,民主党更有能力模拟水力裂缝的形成与多个不连续与有限元相比,XFEM和本。然而,对于民主党的计算,它是不容易准确地确定输入参数和小颗粒之间。

根据这些数值方法,许多学者研究了液压骨折。郭et al。23]分析了原位应力状态的影响在天然裂缝和水力裂缝通过使用一个软熔带有限元模型,认为小水平应力差是有益的沿着天然裂缝对水力裂缝扩展。唐et al。24)利用三维位移不连续法开发了一个三维断裂模型和分析水力断裂和不连续面之间的相互作用,表明更容易有沿结构面剪切破坏较小的弹性模量,泊松也没有明显的影响。基于离散单元法,李et al。25)模拟剪切和拉伸断裂当水力裂缝接触自然骨折,认为较低的拉伸断裂可能发生方法角度。Keshavarzi和穆罕默26)数值模拟水力裂缝延伸,发现液压骨折会穿透天然裂缝的高角度的方法。基于取代不连续方法,Olson和Taleghani [27)模拟水平井多级处理多个断裂传播和讨论。缩等。28)建立了一个基于扩展有限元法耦合的复杂模型,讨论影响的弹性参数、地应力、压裂液对水力裂缝几何。seepage-stress-damage模型,建立了郑et al。29日),表明垂直应力差是一个关键因素,确定层面可以启动。通过耦合并行债券模型和平滑的联合模型,庄et al。30.]对注射速率的影响,进行了研究与变量初始孔径,渗透系数各向异性度。根据液压骨折的三维模拟分层形成从通等。31日),高密度层面能够提高液压网络的复杂性,但水力裂缝的高度是由高密度层面极大地限制。

除了数值模型,实验室检测,如真三轴试验,应用CT扫描、声发射、水力裂缝形态观察和分析断裂传播机制。基于真三轴试验,奥尔森et al。32)调查了水力裂缝与天然裂缝相互作用,表明3形式的水力裂缝与天然裂缝相互作用、水力裂缝绕过,水力裂缝导流,旁路和娱乐的结合。此外,布兰顿(33和Teufel和克拉克34]发现液压骨折之间的交互和天然裂缝与应力状态和方法角度,指出弱面小的摩擦系数和低凝聚力可能修改传播方向。这些结论也证明了周et al。35]分析了弱面强度的影响在液压骨折通过构建分层介质纸张和水泥砖。周et al。36和江等。37应用CT扫描和真三轴试验来描述液压骨折的形态在页岩,表明水力裂缝几何形状在很大程度上是由原位应力和自然骨折。此外,结合标本分裂、CT扫描及声发射(AE)、马等。38讨论了水力裂缝的几何和层面断裂起始和传播的影响。Bo et al。39)观察到的微观断裂过程与SEM三点弯曲载荷下的页岩,显示分支裂纹与主裂纹的倾向。同时,其传播长度依赖于裂纹扩展阻力和传播能量。三点弯曲荷载也用亨et al。40]分析层面对页岩断裂韧性的影响,表明低层面的整合导致小断裂韧性和水力裂缝往往分岔或转移到层面。基于大型真三轴试验、谭等。41)给了水力裂缝几何图形的分类,简单的骨折,fishbone-like骨折,fishbone-like断裂与裂缝开口,和多边fishbone-like断裂网络。通过结合AE事件监测和CT扫描,侯et al。42]发现大型水平应力差不良有复杂的裂缝网络,因为这高应力差能够阻止裂缝导流到天然裂缝或层面,有可能形成一个主要断裂,而不是一个复杂的裂缝网络。

即使有很多研究在页岩储层水力裂缝延伸,这仍然是一个具有挑战性的工作及其机制仍有不确定性。的原因在页岩水力裂缝延伸机理非常复杂的强各向异性。页岩各向异性来自三个方面:床上用品的飞机,天然裂缝,岩石元素的异质性。特别是,床上用品的飞机和自然骨折(图1)已被视为液压骨折的重要影响因素之一。的影响层面或天然裂缝对水力裂缝都进行了广泛的研究,但耦合的工作层面,天然裂缝和异质性的岩石元素很少进行。因此,在本文中,考虑到各向异性的层面,天然裂缝,和异质性的岩石元素,RFPA被用来建立一个数学模型的水力裂缝通过设置不同的力学性能不连续性(层理面和天然裂缝)和提供力学参数威布尔分布来摇滚元素。断裂传播机制,启动已全部接受调查。本研究提出了一种新的方法分析页岩水力裂缝,及其研究结果可以为在页岩储层水力压裂提供参考。

2。方法

在这个研究中,数值模拟软件,命名为岩石破裂过程分析(RFPA) [43,44),是应用于模拟水力压裂的过程。目前,许多学者利用RFPA解决岩土工程问题有关的岩体的破坏机理,显示其实用性(45,46]。用有限元法和损伤力学,数值模拟可以表达异构材料的破坏过程,提供了一个有效的描述微观损伤机理和宏观失败。RFPA的特点说明:(1)RPFA模拟是基于进化失败的岩石微元素,导致岩石宏观失败。这个失败的过程从微观到宏观,符合真正的岩石破裂,不能从正常的模拟方法容易实现,显示其独特的和强大的模拟岩石破裂的能力(2)RFPA有很好的表达能力形成的各向异性。对于页岩力学性能,我们通常认为页岩由2部分组成,矩阵和层面。相应地,不同的力学参数设置这两个部分,表达了页岩的各向异性。此外,RFPA,更系统的各向异性可以说明,因为它不仅展示了矩阵之间的各向异性和层面也揭示了岩石的各向异性元素在矩阵或层面(每个元素都有异质性)。所有摇滚元素在RFPA异质性,这是表达的假设机械性能(弹性参数和强度参数元素)符合威布尔分布。最终,页岩各向异性现象层面,天然裂缝,和岩石元素都认为RFPA模拟的,如图2(3)总之,在页岩水力压裂形成是一个逐步的过程在各向异性介质创建失败。自从RFPA能够明显表现出破坏过程和各向异性,这是合理的考虑RFPA模拟水力压裂作为一个适当的方法在页岩

2.1。本构定律

人们普遍认识到,岩石属性的逐渐退化的结果开始破裂,增长,聚结。压裂过程的数值模拟必须反映岩石的渐进退化进行加载。摘要弹性损伤力学本构定律已经被用于表达岩石力学。根据损伤力学的等效应变原则,在损伤本构法律可以从本构定律在未损坏的情况下,显示为(47]

在哪里和是受损和损伤岩石的弹性模量,分别MPa;代表了损伤变量;有效应力,MPa;和是有效的应变,%。

为 和 ,岩石是在未损坏的情况下,完全破坏条件,分别。当在0和1之间,它表明变量损害度。最初,所有元素被认为是有弹性的,弹性性质是由杨氏模量和泊松比。每个元素的应力-应变曲线是线性弹性的,直到达到给定的损伤阈值。最大拉应力准则和莫尔-库仑准则选择发现损伤阈值。为主,拉应力准则用于确定拉伸模式元素是否损坏。如果不是,莫尔-库仑准则是用来判断元素是否受损的剪切模式。

2.1.1。在拉伸模式下元素伤害

当每个元素在单轴拉伸,拉伸应力标准是选择确定损伤阈值,显示为方程(2)[48]。相应地,本构规律和损伤变量如图3。图3(一个)呈现特定的残余强度,给出的损伤本构关系和损伤变量写成方程(3)[49]。当拉伸应变的元素 ,拉伸破坏发生时,增加与应变增长。完整的损伤( )得到了极限拉伸应变下( ),达到拉伸断裂的状态。损伤变量和应变之间的关系用图表示的3 (b)。

在哪里抗拉强度的阈值,MPa;拉伸应变的阈值,%;剩余抗拉强度,MPa;极限拉伸应变,%;残余强度指数;和元素的最小主应力,MPa。

2.1.2。在剪切模式元素伤害

本构定律在前一节中只考虑元素是受损的情况下拉伸模式。为了反映元素在压缩和剪切应力的损害,莫尔-库仑准则选择确定损伤阈值,表示为(50]

在哪里是元素的内摩擦角、学位;元素的最大主应力,MPa;和单轴抗压强度的元素,MPa。

根据本构规律图4(一)在剪切模式下,损伤变量显示为方程(5)[51]。当压缩应变达到最大压应变,元素开始被损坏。在这一过程中损伤变量如图4 (b)。可以看出,损伤变量增加阈值后的压缩应变和剪切破坏后的残余强度仍然存在。

在哪里抗压强度的阈值,MPa;剩余抗压强度,MPa;和的阈值压缩应变,%。

2.2。建模参数

根据上面的声明,在拉伸和剪切破坏失效模式,抗拉强度、内摩擦角、单轴抗压强度是必需的输入参数。页岩储层的平行层面,我们将页岩样品分为两部分,即。,层理面和岩石矩阵。从微观扩展到宏观尺度变换后,所有宏观参数如下所示。

表的输入参数1、密度、孔隙度和渗透率是直接从岩石物理试验获得的。岩石力学参数表1,如矩阵和层面的单轴抗压强度,抗拉强度矩阵和层面,内摩擦角矩阵和层面,弹性模量、泊松比,和残余强度指标,通过试验方法,图中描述5。根据图的方法5,我们首先获得页岩单轴抗压强度和抗拉强度使用单轴测试和巴西分割测试。然后,一系列的输入参数(岩石力学参数表1)是集建立RFPA模拟单轴测试和巴西分割测试。因此,单轴抗压强度和抗拉强度RFPA模拟可以获得。根据实验数据和仿真结果之间的比较,确定输入参数时,实验数据与仿真结果有最好的协议。

2.3。注入井筒的形成模型

模型是 广场。本文采取水平井方向沿最小主应力为例(图6)。原位压力和注入参数决定了油田数据(日志、钻井和地质数据),表所示2。在这个模拟的边界,在垂直和水平方向,压力是恒定的和 ,分别。同时,在边界位移为零。在同质性条件,仿真结果如图7。液压骨折表达典型的dual-wing骨折,沿着最大地应力方向扩展,这与其他研究的结果是一致的52- - - - - -54),证明了该模型的实用性。

2.4。模型验证

验证了从2方面:(1)验证可以证实的对比实验和仿真,如图5节2.2。选择单轴抗压强度和抗拉强度作为验证参数。我们选择这些参数的原因是剪切破坏模式和拉伸断裂模式都存在在水力压裂。换句话说,水力断裂是岩石剪切破坏和拉伸断裂的结果。单轴抗压强度和抗拉强度代表这两个类型的失效模式。因此,他们可以被视为有用参数验证这个模型是否适合页岩水力压裂的模拟。对比结果如图8。同时,给出了实验数据和仿真结果之间的相对误差数据9和10。结果表明,仿真结果与实验数据有很好的协议通过使用这些输入参数。相对误差是6.47%(单轴测试及其仿真)和6.63%(巴西分割测试及其模拟),证明该模型的输入参数适合模拟(2)此外,模型验证基于水力压裂曲线水平井筒。自从水力压裂压力曲线与水力压裂形成起始和传播,水力压裂曲线可以用来验证该模型。根据一个垂直的FMI图像(图(11日)),我们获得了页岩储层的一部分,大约12.5平行层理飞机每米。相应地,在这部分油藏,水平井钻,其仿真模型由RFPA,如图(11日)。同时,水力压裂曲线的水平井筒已在图11 (b)。破裂压力的油田数据(从水力压裂曲线)和仿真图中所示11 (c)。油田的发现破裂压力数据和模拟57.6 MPa和54.3 MPa,分别。区别仅仅是3.3 MPa,证明这个模拟的可行性

3所示。水力裂缝在页岩储层

3.1。层面的影响发生在液压骨折

层面是一个典型的在页岩储层结构,及其影响水力压裂已注意到大量的研究。因此,与层面建立一个模型找出液压骨折页岩的传播机制,如图12。这个模型的结果如图所示13。可以看出,包括不同层面之间的角度和最大地应力,水力裂缝形态的变化。在同质性条件,传播是完全由原位应力控制,沿着最大原位应力扩展。相比之下,由于层面的影响,液压骨折沿层理面传播的趋势。在高角度(90度和75度),包括传播方向有轻微的层面的倾向,但地应力的影响仍是主导。另外,当原位应力的影响和层面有不同的方向,液压骨折的传播有两个优先方向。压力的效果,应该沿着传播方向最大地应力。强度效应,传播往往是沿着力量薄弱的部分。因此,水力裂缝传播的层面和原位应力,显示分岔和相对较大的水力裂缝的宽度。小夹角,影响地应力和层面相似的方向。 The propagation path is close to straight line with small width (Figures13(e)和13(f))。与此同时,当第一个断裂点的墙壁钻孔出现时,可以获得在井筒压力,称为分解压力。层面,有2启动类型,即。,initiation along rock matrix and initiation along bedding plane. It indicates that the breakdown pressure declines with decreasing included angle, shown in Figure14。这是因为起始沿层理面夹角时可能出现低。

3.2。水力裂缝层理面强度的影响

层面的力量由于变量地质条件是不同的。因此,在条件优势(表层面的变量3)、裂缝延伸模拟,如图15。与层理面强度高、层理面之间的传播路径的方向和最大地应力。在低层面强度条件下,弱面效应更强。在相同应力条件下,岩石断裂往往发生在弱强度区域(即。层面)。因此,传播路径直接沿层理面(图15(b))。当层面的强度增加,层面的影响下降和地应力的影响逐渐增加。自的影响层面和地应力冲突,零星的裂缝出现在主要的传播路径,如图15(c)和15(d)。此外,它注意到,破裂压力下降与层理面强度的减少(图16)。壮大2和3,破裂压力的差异很小,因为他们都有一个类似的启动模式,开始从岩石矩阵,而对于层面强度1,破裂压力有明显的下降沿层理面由于启动。

3.3。开发密度的影响层面上液压骨折

在页岩储层,层面的数量是不确定的,这将导致一个不同的对水力裂缝的影响(56]。不同的开发密度的裂缝延伸床上用品的飞机(床上用品的飞机之间的空间距离20毫米,40毫米,和80毫米)如图17。

对于大型开发密度(空间距离是20毫米和40毫米),液压骨折完全依赖层面。传播路径沿层理面是直的。此外,床上用品的飞机启动周围,形成零星的裂缝周围的主要扩展路径和分支在前面的液压骨折(图(17日))。与小型开发密度(空间距离是80毫米),原位水力裂缝传播同时受到压力和层面。传播方向有倾向的原位应力和层理面之间转换方向,如图17 (c)。此外,随着发展密度的层面,破裂压力减少,如图18。但在20毫米和40毫米空间距离,破裂压力几乎是相同的。这是因为两个沿层理面开始发生。

3.4。自然骨折和层面的影响在液压骨折

正如上面提到的,除了层面,页岩储层包含许多自然骨折,对裂缝萌生和扩展产生一个明显的影响(57]。天然裂缝在井筒附近地区随机分布。因此,一个模型与层理面和随机自然骨折已经建成。除此之外,在天然裂缝和层面的结合下,模拟天然裂缝变量的优点,开发密度和角度的层面进行。在这个模拟过程中,液体泄漏被忽视了,所有模拟都局限于岩石力学的角度。

图19证明了水力裂缝延伸与变量的优点自然骨折。自然骨折有优势的表4。水力裂缝延伸的道路上,自然裂缝逐渐打开和扩展。特别是在水力裂缝的传播,更容易对自然骨折开放和扩展由于其较低的优点。因此,自然骨折相互联系和层面,形成树状分叉和断裂分布更加复杂。此外,与层理面和天然裂缝,在墙上钻孔可以击穿点摇滚矩阵,层面或天然裂缝。减少强度的天然裂缝,它更可能是起始沿天然裂缝,导致低分解压力,如图20.。

此外,床上用品的飞机开发密度的减少,影响的层面上液压骨折明显减少,如图21。很明显,与减少空间层面的影响变得更强之间的床上用品的飞机。小的空间,更多的床上用品的飞机存在的形成。弱强度效应沿层面方向变得更强。在这种情况下,水力裂缝沿层理面传播的大趋势(弱强度方向)。另一方面,当空间距离的增加,水力裂缝延伸接近水平的路径,因为原位应力逐渐控制了水力裂缝延伸。对于水力裂缝起始,所有在天然裂缝起始点。然而,破裂压力仍有轻微的增加与减少开发密度的床上用品的飞机,如图22。这是因为更弱的飞机可以减少整个强度的形成,从而导致崩溃的下降压力。

当层面和天然裂缝存在时,层理面角度的变化仍是一个重要的因素,如图23。在较低层面角度,传播方向是高度层面的影响。传播路径几乎是在层理面。随着角,层面的影响减弱和传播液压骨折主要依赖于原位应力。有人指出,即使层面和天然裂缝都是典型的弱飞机,起始点钻孔壁的高度控制的自然骨折。与不同层面的角度,起始点总是在天然裂缝。在同样的启动模式,分解压力仍然与层理面角变化。更容易分解形成在低角,如图24。这是因为层面和原位应力都有利于液压骨折沿着垂直方向被打开,导致相对较小的破裂压力较低的层理面角。

此外,在某些结构面特征、水力裂缝在变量原位应力条件下模拟,如图25。在这个模拟中,我们设置不同的比率来( )原位应力条件。结果表明,地应力的影响变得更强时应力差。高应力差( ),水力裂缝延伸由原位应力控制,形成一个主要断裂(像图25)。相比之下,较低的应力差( ),传播方向层面。除此之外,更多的分支骨折发生。破裂压力与不同地应力条件计算,如图26。因为所有的起始点是在天然裂缝,分解压力变化不大(< 3 MPa)变量压力差异。

4所示。结论

在这个研究中,根据页岩储层的特点,影响层面和天然裂缝的注入井筒周围的水力裂缝进行了分析。利用岩石破裂过程分析RFPA,水力裂缝萌生和扩展。已获得以下结论。(1)对于页岩储层与层理面、水力裂缝延伸不仅依赖于原位应力也与层理面有关。传播方向夹角,层理面有轻微的倾斜,但地应力对水力压裂法仍有较大的影响。在大型夹角,由于地应力的影响之间的矛盾和层面,分岔显然是在传播。较低程度的夹角,水力裂缝沿层理面直延伸。同时,破裂压力下降减少夹角由于低的起始沿弱面夹角(2)低层面强度条件下,传播路径沿层理面是一条直线。当层面强度较大,对水力裂缝的影响就小;传播路径转移的趋势,最大水平地应力。此外,零星的裂缝出现的主要路径传播由于层面和原位应力之间相互冲突的影响。此外,影响层面更强的发展密度高,和周围的床上用品的飞机被打开,显示明显的分岔和更复杂的裂缝网络(3)与天然裂缝和层理面,整个传播方向仍然是主要的影响层面,即传播方向仍接近层面,特别是开发密度高和低角度。在传播,自然骨折开放和进一步扩展,相互连接和床上用品的飞机,形成树突分支,导致有一个复杂的裂缝网络。此外,起始点通常是在天然裂缝面,导致低分解压力。虽然层面可以影响分解压力,天然裂缝仍水力裂缝起始的关键因素

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

所有作者声明不存在利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(41872167号和41772151号)和年轻的科技创新团队非常规地层岩石物理的西南石油大学(2018号cxtd13)。我们感谢他们的支持。本文对他们的支持表示感谢。