【摘要】：頁(yè)巖氣是實(shí)現(xiàn)天然氣產(chǎn)量接替的一種重要的非常規(guī)油氣資源,必須經(jīng)過(guò)體積壓裂形成縫網(wǎng)裂縫才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)�；陧�(yè)巖儲(chǔ)層弱層理發(fā)育的特點(diǎn),從弱層理剪切滑移對(duì)水力裂縫的作用機(jī)理,揭示縫網(wǎng)裂縫的擴(kuò)展規(guī)律,對(duì)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層的高效開發(fā)具有重要意義。本文首先根據(jù)多孔介質(zhì)平衡方程及流體流動(dòng)連續(xù)性方程,建立儲(chǔ)層流固耦合數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)求解節(jié)點(diǎn)位移及孔隙壓力的有限元方程。分析巖石中裂縫起裂準(zhǔn)則及誘導(dǎo)弱層理擴(kuò)展的判斷準(zhǔn)則,并闡述用于描述弱層理的cohesive單元,形成用于分析縫網(wǎng)裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理的數(shù)學(xué)模型。第二,搭建帶有側(cè)向圍壓功能的I型裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)臺(tái),采用數(shù)字散斑相關(guān)方法,利用高速照相機(jī)捕捉試件表面散斑場(chǎng)的變化,獲取裂縫經(jīng)弱層理擴(kuò)展過(guò)程中試件表面位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的變化,通過(guò)位移外推法求取裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)I型裂縫拐折擴(kuò)展的主控機(jī)理。第三,建立水力裂縫與弱層理交匯擴(kuò)展的力學(xué)模型,借助數(shù)值模擬方法,采用二階損傷張量描述地層中不規(guī)則分布的弱層理,建立基巖—水力裂縫—弱層理耦合的二維縫網(wǎng)裂縫模型,采用剛度退化的traction-separation準(zhǔn)則模擬裂縫的起裂和擴(kuò)展,提出頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)裂縫數(shù)值模擬方法,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)井驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的合理性。第四,利用所提出的數(shù)值模擬方法,發(fā)現(xiàn)水力裂縫與弱層理交匯后,在水力裂縫尖端鈍化與遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力的共同作用下,弱層理發(fā)生剪切破壞,形成分支裂縫。綜合各因素對(duì)剪切破壞的貢獻(xiàn)及對(duì)裂縫擴(kuò)展速度的影響,在水平主應(yīng)力差越小、注入流量越大、儲(chǔ)層巖石彈性模量越大及合適的壓裂液粘度的條件下,可有效激活弱層理形成縫網(wǎng)裂縫,獲得更大的壓裂改造面積�；诜浅Ｒ�(guī)頁(yè)巖儲(chǔ)層弱層理發(fā)育的特點(diǎn),本文揭示了弱層理剪切滑移誘導(dǎo)縫網(wǎng)裂縫的形成機(jī)理,得到了各因素對(duì)縫網(wǎng)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響規(guī)律,可為非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐,以提高壓裂改造效果。
[Abstract]:Shale gas is an important unconventional oil and gas resource in order to achieve natural gas production replacement. Only through volume fracturing to form fracture network fracture can economic and effective development be realized. Based on the characteristics of the development of weak bedding in shale reservoir, it is of great significance to realize the efficient development of shale reservoir from the action mechanism of shear slip of weak bedding on hydraulic fracture, and to reveal the law of fracture extension. In this paper, based on the equilibrium equation of porous media and the continuity equation of fluid flow, the fluid-solid coupling mathematical model of reservoir is established, and the finite element equations for solving nodal displacement and pore pressure are derived. The criterion of crack initiation and the criterion of inducing weak bedding propagation in rock are analyzed. The cohesive element used to describe weak bedding is described, and a mathematical model for analyzing the mechanism of crack initiation and propagation is formed. Secondly, a model I crack propagation test bench with lateral confining pressure is built. The digital speckle correlation method is used to capture the change of speckle field on the surface of the specimen by using a high-speed camera. The variation of surface displacement field and strain field during crack propagation through weak bedding is obtained. The variation law of stress intensity factor at crack tip is obtained by displacement extrapolation method, and the main controlling mechanism of mode I crack bend propagation is found. Thirdly, a mechanical model of the intersection and propagation of hydraulic fractures and weak bedding is established, and the second-order damage Zhang Liang is used to describe the irregular distribution of weak bedding in the formation by means of numerical simulation. A 2-D fracture mesh fracture model with coupling of bedrock hydraulic fracture and weak bedding is established. The fracture initiation and propagation are simulated by traction-separation criterion of stiffness degradation. A numerical simulation method of fracture network fracture in shale reservoir is proposed. The rationality of the numerical simulation method is verified by field wells. Fourthly, by using the numerical simulation method, it is found that after the intersection of hydraulic fracture and weak bedding, shearing failure of weak bedding occurs under the joint action of passivation at the tip of hydraulic fracture and far field ground stress, and branch fracture is formed. Considering the contribution of various factors to shear failure and the influence of fracture propagation speed, the smaller the horizontal principal stress difference, the greater the injection flow rate, the greater the elastic modulus of reservoir rock and the proper fracturing fluid viscosity. It can effectively activate weak bedding to form fracture net fracture and obtain larger fracturing area. Based on the characteristics of weak bedding development in unconventional shale reservoir, this paper reveals the formation mechanism of fracture pattern induced by shear slip of weak bedding, and obtains the influence of various factors on fracture extension morphology. It can provide technical support for fracturing operation design of unconventional reservoir and improve fracturing effect.
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE377

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2141693