發(fā)布時(shí)間：2020-07-07 19:28

【摘要】：頁(yè)巖氣是一種儲(chǔ)量巨大的非常規(guī)天然氣,已在世界范圍內(nèi)掀起了勘探開(kāi)發(fā)的熱潮。黨的“十九大”以來(lái),扎實(shí)推進(jìn)綠色低碳能源產(chǎn)業(yè),保證經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略之一。作為一種清潔能源,頁(yè)巖氣對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源安全具有至關(guān)重要的意義。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔低滲、連通性差、層理發(fā)育、物理力學(xué)性質(zhì)各向異性明顯等地質(zhì)特點(diǎn)。近些年來(lái),以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)的“體積壓裂”已成為頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一。水力裂縫是溝通儲(chǔ)層與井筒的“橋梁”,也是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造的重要指標(biāo),其形態(tài)特征及擴(kuò)展路徑直接決定了壓裂井的開(kāi)發(fā)效果。然而,隨著勘探開(kāi)發(fā)工作逐漸向深部頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行,因儲(chǔ)層改造效果不佳而造成的氣體采收率降低問(wèn)題日益突出。因此,掌握水力裂縫的起裂和延伸規(guī)律,揭示復(fù)雜裂縫的形成機(jī)理對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造至關(guān)重要。本文以四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象,開(kāi)展水力壓裂物理模擬和數(shù)值模擬研究,探索水力裂縫的形態(tài)特征,并從地質(zhì)和工程兩個(gè)因素揭示頁(yè)巖儲(chǔ)層中復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制。本文共分為六個(gè)章節(jié),主要內(nèi)容如下:第一章:首先概述了頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層地質(zhì)特征和勘探開(kāi)發(fā)歷程,進(jìn)而引出本文的研究目的和意義。隨后對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)發(fā)展研究現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題進(jìn)行論述,最后闡述了本文主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線及創(chuàng)新點(diǎn)。第二章:重點(diǎn)對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性特征進(jìn)行了論述。本章針對(duì)具有不同取芯角度的柱狀頁(yè)巖試樣先后開(kāi)展了X射線衍射(X-ray Diffraction,簡(jiǎn)稱XRD)實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope,簡(jiǎn)稱FE-SEM)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,簡(jiǎn)稱AFM)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、波速測(cè)試實(shí)驗(yàn)和單軸壓縮實(shí)驗(yàn),并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果探討了龍馬溪組頁(yè)巖在礦物組分、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、聲波特性以及單軸抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比等方面的各向異性特征。最后分析了頁(yè)巖試樣在單軸壓縮破壞中的能量轉(zhuǎn)化形式,并基于能量耗散原理進(jìn)一步探討了頁(yè)巖的破壞模式。第三章:本章主要對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖射孔水平井水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行了論述�；诔叽鐬�300 mm×300 mm×300mm的頁(yè)巖露頭試樣,綜合水力裂縫面上示蹤染劑的分布、泵壓-時(shí)間曲線以及聲發(fā)射定位結(jié)果,探討具有不同射孔類型的頁(yè)巖試樣的水力裂縫形態(tài)特征。第四章:重點(diǎn)討論了射孔類型和壓裂液泵注排量這兩大工程參數(shù)對(duì)水力裂縫形態(tài)的影響。首先,對(duì)水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)中的裂縫形態(tài)評(píng)價(jià)方法——“SRA”法進(jìn)行了改進(jìn)。提出了實(shí)驗(yàn)尺度下表征水力裂縫復(fù)雜程度的系數(shù)C。探討了水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)中定向射孔、螺旋射孔、定面射孔以及組合射孔壓裂的造縫機(jī)理。在泵注排量方面,分別討論了定排量和階梯排量作用下水力裂縫的擴(kuò)展模式,并基于能量耗散原理論述了階梯排量壓裂擴(kuò)大裂縫規(guī)模的機(jī)制。第五章:結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展有限元法數(shù)值模擬結(jié)果,闡述了不同條件下天然結(jié)構(gòu)面與水力裂縫之間的相互作用關(guān)系,以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力差異系數(shù)、脆性指數(shù)等儲(chǔ)層地質(zhì)因素,與水力裂縫擴(kuò)展路徑之間的關(guān)系。第六章:總結(jié)論文研究的結(jié)論,并闡述文中存在的不足與今后的研究方向。通過(guò)上述研究,本文得到了以下結(jié)論:(1)頁(yè)巖的物理力學(xué)性質(zhì)因與層理面夾角的不同而呈現(xiàn)出明顯差異。對(duì)于不同取芯角度α的頁(yè)巖圓柱試樣,隨著α的增加,頁(yè)巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和泊松比呈現(xiàn)出先減小后增大的U形各向異性模式;彈性模量、橫縱波速則呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì),微觀孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度隨之增加。單軸壓縮破壞下,頁(yè)巖的主要能量耗散形式為裂縫表面能和剪切滑移產(chǎn)生的塑性勢(shì)能。(2)射孔是頁(yè)巖水力裂縫形態(tài)的主要決定因素之一,不同射孔類型壓裂的水力裂縫形態(tài)差異明顯。組合射孔壓裂對(duì)于復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成具有促進(jìn)作用;定向射孔壓裂易形成平直的裂縫,復(fù)雜程度相對(duì)較低;螺旋射孔和定面射孔壓裂有形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的潛力,但失效射孔會(huì)顯著影響裂縫規(guī)模。(3)大排量是頁(yè)巖儲(chǔ)層中形成復(fù)雜裂縫的保證。相比于定排量壓裂,階梯排量壓裂往往能進(jìn)一步擴(kuò)大裂縫規(guī)模。隨著泵注排量的增加,壓裂液向裂縫面做功。當(dāng)裂縫面附近巖石累積了一定的彈性應(yīng)變能之后,新的起裂點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生。因此在排量增加過(guò)程中,泵注設(shè)備條件允許范圍內(nèi)應(yīng)盡可能地提高排量增幅。(4)水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到了6種水力裂縫與天然結(jié)構(gòu)面之間的相互作用關(guān)系:(1)水力裂縫穿透并張開(kāi)天然結(jié)構(gòu)面;(2)水力裂縫穿透但未張開(kāi)天然結(jié)構(gòu)面;(3)分叉;(4)衍生;(5)“捕獲”轉(zhuǎn)向;(6)“誘導(dǎo)”轉(zhuǎn)向,這些作用模式是形成復(fù)雜裂縫形態(tài)的基礎(chǔ)。壓裂液會(huì)在水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中進(jìn)入裂縫面附近的微裂縫和微孔隙當(dāng)中并使其寬度增加。較大的地應(yīng)力差異系數(shù)會(huì)促使水力裂縫穿透天然結(jié)構(gòu)面,從而使裂縫規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展大。脆性指數(shù)高的頁(yè)巖試樣造縫能力更強(qiáng),裂縫迂曲度較小。通過(guò)泵壓-時(shí)間曲線可初步預(yù)測(cè)水力裂縫的形態(tài)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE377
【圖文】：

) 我國(guó)頁(yè)巖氣資源分布情況（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局, 20圖 1.1 全球及我國(guó)頁(yè)巖氣資源分布信息署（U.S. Energy Information Administration, EIA）儲(chǔ)量約為 456×1012m3，為常規(guī)天然氣儲(chǔ)量的 1.4 倍左、加拿大、澳大利亞、南非、阿根廷，及北非的少數(shù)國(guó)家源儲(chǔ)量巨大，約為 36.1×1012m3[4],主要分布在揚(yáng)子地、松遼盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)格爾和吐魯番盆地，以

解經(jīng)宇：龍馬溪組頁(yè)巖射孔井水力壓裂裂縫形態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究）。其中，僅四川盆地及其周緣的儲(chǔ)量就已達(dá) 5.5×1012m3，本世紀(jì)初的“頁(yè)巖氣革命”，使美國(guó)實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣資源規(guī)用[6]。2017 年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量已接近 5000×108m3，約為 ，僅 Marcellus 頁(yè)巖氣田的產(chǎn)量就占據(jù)了其中的三分之一，量的采氣速度為 2.3%~3.0%[8]。由圖 1.2 可知，美國(guó)近十年爆發(fā)式的增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)在2035 年，頁(yè)巖氣將占據(jù)美國(guó)天然氣供美國(guó)在 Barnett、Marcellus、Woodford、Eagle Ford 等多個(gè)頁(yè)驗(yàn)[9]，我國(guó)于 2005 年全面啟動(dòng)了頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)工作，成果。但與美國(guó)相比，我國(guó)頁(yè)巖氣資源稟賦相對(duì)較差，相我國(guó)國(guó)情的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)體系尚未形成。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）博士學(xué)位論文 ing）已成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一[17]。圖 1.3 為美國(guó) Barnett 頁(yè)巖工后裂縫形態(tài)的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果[18]，可以看出，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)層改造的關(guān)鍵。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層通常埋深較大，地質(zhì)演化程度劇烈，為復(fù)雜，這都對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，作為頁(yè)巖中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，探明和掌握水力裂縫形態(tài)特征、起律對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造技術(shù)研究，乃至提高采收率至關(guān)重要[19]。

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