【摘要】：根據(jù)國家能源戰(zhàn)略要求,非常規(guī)油氣藏,特別是頁巖氣藏的開發(fā)已勢在必行。頁巖氣藏屬于非連續(xù)氣藏,水力壓裂是其商業(yè)化開發(fā)的最重要技術(shù)之一。根據(jù)美國非常規(guī)油氣開發(fā)的成功經(jīng)驗,儲層有效改造體積的增大將大幅提高非常規(guī)油氣產(chǎn)量�？紤]到壓裂誘導裂縫、天然裂縫及裂隙的網(wǎng)絡(luò)溝通將極大提高儲層有效改造體積,為此針對國內(nèi)煤層氣、頁巖氣和砂巖油氣儲層特殊物理/力學性質(zhì),開展非常規(guī)油氣儲層地應力分析及壓裂縫網(wǎng)形成機理研究,提出非常規(guī)油氣儲層增產(chǎn)改造措施進而提高儲非常規(guī)油氣產(chǎn)能已成為國內(nèi)油氣開發(fā)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬計算和理論分析等方法對非常規(guī)油氣儲層巖石的力學特性、多裂縫儲層壓裂裂縫周圍誘導應力場、水力壓裂裂縫與天然裂縫/巖石節(jié)理相互干擾、分段壓裂考慮縫間應力干擾的裂縫動態(tài)擴展和非常規(guī)油氣儲層產(chǎn)能預測等問題進行研究,明確不同工況下裂縫動態(tài)擴展的形態(tài),針對不同巖性儲層提出了對應的增產(chǎn)措施。具體研究工作和得到結(jié)論如下:(1)考慮到含水飽和度對頁巖、砂巖和煤巖的力學特性影響較為顯著,本文基于室內(nèi)實驗和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對不同飽和度工況下頁巖、砂巖和煤巖的抗壓強度、抗拉強度、泊松比、彈性模量、內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學參數(shù)進行研究,建立各類巖石動靜態(tài)力學參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系,獲得低滲巖石力學參數(shù)實驗評價方法。研究結(jié)果表明:頁巖隨著含水飽和度的增加,頁巖試樣強度和內(nèi)聚力均降低,內(nèi)聚力減小速度更顯著,當飽和度增加到0.85時,飽和度的變化對頁巖強度和內(nèi)聚力的影響可以忽略不計;煤巖水化膨脹性極弱,含水飽和度的增加降低了裂隙之間的摩擦系數(shù),導致煤巖強度隨時間弱化,煤巖脆性特征變?nèi)?延性特征增強,變形特征由彈脆性向彈塑性轉(zhuǎn)變,彈脆塑性本構(gòu)模型不再適合,當煤巖的含水量接近飽和時,煤巖抗壓強度與含水量成對數(shù)關(guān)系。(2)對比了I型裂縫、II型裂縫和任意斜裂縫三種裂縫形狀周圍的誘導應力場、位移場的分布規(guī)律,得到裂縫尖端誘導應力影響范圍,討論了分段壓裂相鄰等長和不等長裂縫間的應力干擾。研究結(jié)果表明:最大主應力和最小主應力的影響范圍均隨著壓裂簇數(shù)的增加而增加,且當分段壓裂的段數(shù)小于4時,裂縫條數(shù)對最大/小主應力的應力干擾臨界距離影響較為明顯,當裂縫增加到5條時,曲線增長速率變緩,最大主應力要比最小主應力的影響范圍要大。(3)考慮到非常規(guī)油氣儲層巖體結(jié)構(gòu)及應力的不均勻性,且水力壓裂裂縫的邊界具有自相似特性,因此,采用分形理論結(jié)合離散元的方法對裂縫的動態(tài)擴展進行了研究。研究結(jié)果表明:距井壁距離小于0.5m時,井眼周圍儲層周向應力、剪應力以指數(shù)形式減小,當距井壁距離超過0.5m時,井眼的存在對儲層地應力的影響可以忽略不計,基于汞壓法得到頁巖、砂巖和煤巖與分形維數(shù)的對應關(guān)系,并借助PFC離散元軟件建立分形維數(shù)和裂縫擴展模型的關(guān)系,得到壓裂液排量、分形維數(shù)、應力不均勻系數(shù)和巖石巖性對裂縫擴展的影響規(guī)律,為了使裂縫張開表面積最大,增加排量的同時,嘗試調(diào)整應力不均勻系數(shù)。(4)通過理論推導,基于全三維裂縫模型編制了裂縫動態(tài)擴展預測軟件,通過對比現(xiàn)場微地震監(jiān)測結(jié)果、Fracpro-PT軟件計算結(jié)果,驗證了自編軟件計算的準確性,借助該軟件研究了施工參數(shù)、巖石力學參數(shù)和儲層巖石力學參數(shù)對裂縫幾何形狀的影響規(guī)律,并針對多裂縫儲層水力壓裂裂縫尖端暫堵問題進行了研究,在考慮縫間應力干擾的基礎(chǔ)上研究了水力裂縫遭遇天然裂縫后的擴展情況。研究結(jié)果表明:當最大水平主應力≥最小水平主應力時,逼近角小于25°時,水力壓裂裂縫不能穿過天然裂縫;隨著逼近角增加,當該角度為50°時,水力裂縫沿著天然裂縫方向擴展,當該角度為60°時,水力壓裂裂縫穿透天然裂縫;當主應力差為2.5MPa時,應力轉(zhuǎn)向的臨界距離為49m,建議分段壓裂間距設(shè)置小于49m。(5)根據(jù)煤層氣、頁巖氣和砂巖氣在儲層內(nèi)的運移特性,建立氣體產(chǎn)能預測的氣水兩相模型,根據(jù)此模型分析了頁巖、砂巖和煤巖水力壓裂裂縫有效長度、裂縫條數(shù)等對氣體產(chǎn)能的影響規(guī)律,結(jié)合裂縫的特性,筆者給出了非常規(guī)油氣增產(chǎn)的措施,對于煤層氣可以使用變密度支撐劑增加裂縫有效長度的方法,對于頁巖和砂巖油氣藏則需要采用分段壓裂調(diào)整裂縫間促使裂縫干擾形成網(wǎng)狀裂縫增加裂縫張開表面積,進而增加產(chǎn)能。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國石油大學(華東)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE357.1

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本文編號：2456755