目前,我國油氣資源開發(fā)逐漸從常規(guī)油氣為主過渡到非常規(guī)油氣為主,非常規(guī)油氣儲(chǔ)層滲透性低,開采難度大,需要進(jìn)行儲(chǔ)層改造以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。而作為主要儲(chǔ)層改造方法的水力壓裂技術(shù)雖然已經(jīng)成功應(yīng)用70余年,但開采量離預(yù)期產(chǎn)量仍有很大差距,因此有效地模擬水力壓裂是壓裂設(shè)計(jì)及產(chǎn)量評估的關(guān)鍵。水力壓裂是一個(gè)流固耦合過程,同時(shí)儲(chǔ)層中含有的大量節(jié)理裂隙也為數(shù)值模擬增加了難度。為此本文在虛內(nèi)鍵(VIB)理論基礎(chǔ)上發(fā)展了一套水力壓裂數(shù)值模擬方法,開展復(fù)雜儲(chǔ)層水力壓裂模擬研究,探討水力裂紋擴(kuò)展規(guī)律和水力縫網(wǎng)形成的影響因素,探索脈沖壓裂下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,為非常規(guī)油氣資源的開采提供必要的理論與技術(shù)儲(chǔ)備。為了模擬水力壓裂中滲流場與應(yīng)力場的耦合作用,首先建立了裂隙介質(zhì)滲流模型,將離散虛內(nèi)鍵(DVIB)模型擴(kuò)展到裂隙介質(zhì)滲流模擬。在該滲流模型中,采用鍵元胞來表征代表單元體內(nèi)的微裂隙網(wǎng)絡(luò),宏觀裂隙的滲流特性則由劈裂元胞(被裂縫穿過的鍵元胞)表征,元胞內(nèi)每條鍵視為一條水力通道,將三維滲流問題轉(zhuǎn)化為一維滲流。基于理想鍵元胞思想推導(dǎo)了“鍵”的等效滲透率和儲(chǔ)水率與宏觀滲流參數(shù)的理論關(guān)系。模型可以模擬含任意條裂縫的介質(zhì)滲流問題,避免將裂縫設(shè)置為內(nèi)邊界和網(wǎng)格重構(gòu)。模擬結(jié)果驗(yàn)證表明DVIB滲流模型可以很好地模擬復(fù)雜儲(chǔ)層的滲流過程。建立了流固耦合的DVIB模型,采用同一套格子計(jì)算巖體力學(xué)變形和滲流過程,在微觀“鍵”層面上統(tǒng)一了力學(xué)場和滲流場。通過建立劈裂元胞的水力耦合關(guān)系及接觸本構(gòu)關(guān)系,可以有效地反映裂縫面間的基本摩擦機(jī)制。這使得該模型能模擬水力裂縫與天然裂縫的交匯作用及復(fù)雜儲(chǔ)層中的水力裂紋擴(kuò)展,避免網(wǎng)格重構(gòu)。為了模擬大尺度壓裂過程,在改進(jìn)劈裂單元方法基礎(chǔ)上建立了全耦合水力壓裂模型。在劈裂元胞中設(shè)置虛節(jié)點(diǎn)(裂紋與元胞邊界交點(diǎn)),借助虛節(jié)點(diǎn)推導(dǎo)了劈裂元胞的滲流矩陣、力學(xué)矩陣及流固耦合矩陣。虛節(jié)點(diǎn)的水壓和位移是多余自由度,為消除這些多余自由度,認(rèn)為虛節(jié)點(diǎn)與其鄰近且在裂紋同側(cè)的實(shí)節(jié)點(diǎn)相關(guān),采用最小二乘法技術(shù)將二者聯(lián)系起來,從而消除了多余自由度。這樣既允許裂紋從單元中穿過,又不引入額外自由度,為大尺度復(fù)雜儲(chǔ)層壓裂模擬提供了一條有效途徑。全耦合模型同時(shí)考慮了流體的濾失和裂縫填充效應(yīng)。與KGD模型和解析解對比驗(yàn)證表明該方法具有很高精度。對射孔轉(zhuǎn)向模擬中發(fā)現(xiàn):射孔角度對裂紋轉(zhuǎn)向具有重要影響。地應(yīng)力差相同時(shí),射孔傾角越大,裂紋轉(zhuǎn)向越明顯。同時(shí),地應(yīng)力差越大,裂紋轉(zhuǎn)向越快。脈沖壓裂是當(dāng)前尚在探索而遠(yuǎn)未成熟的一項(xiàng)壓裂方法。通過脈沖壓裂可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為了探索脈沖壓裂規(guī)律,本文采用DVIB模型模擬了脈沖壓裂過程。發(fā)現(xiàn):加壓速率、加壓時(shí)間、峰值壓力、卸壓速率共同影響了井筒上裂紋的起裂數(shù)量和裂紋擴(kuò)展后的分叉程度。峰值壓力的大小控制了裂紋分叉的程度;通過控制壓力水平,可以調(diào)整多裂紋的形成位置;加壓速率一定時(shí),卸壓速率越小,縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,壓裂區(qū)域越大,壓裂效果就越好。另外,最大地應(yīng)力控制了裂紋擴(kuò)展的方向,地應(yīng)力差越大,最大地應(yīng)力方向的裂紋分叉越密集。射孔角度越大,裂紋轉(zhuǎn)向越明顯。大尺度下脈沖壓裂裂紋擴(kuò)展規(guī)律與小尺度下基本一致。在評估或設(shè)計(jì)脈沖壓裂時(shí),應(yīng)綜合考慮上述影響因素才能更準(zhǔn)確地評估壓裂效果。本文為復(fù)雜地層水力壓裂模擬提供了一條有效的方法。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE357.1
【部分圖文】：

力差對破裂壓力、破裂時(shí)間、破裂面粗糙度、水力裂縫張開度的影響。可看出，以上室內(nèi)大物模試驗(yàn)中能獲得非常規(guī)油氣儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展特征，獲得主應(yīng)力差、天然裂縫、壓裂液粘滯系數(shù)等各因素對壓裂效果的影響，但室內(nèi)試驗(yàn)耗時(shí)長、成本高，且野外巖層露頭取樣要求高、難度大，試樣尺寸與實(shí)際壓裂范圍也存在較大差異，因此，隨著近年來數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，開展水力壓裂數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為研究壓裂過程、探討壓裂機(jī)理、設(shè)計(jì)壓裂方案的主要手段，當(dāng)然，室內(nèi)試驗(yàn)也為數(shù)值模擬結(jié)果提供了佐證，是數(shù)值模型正確性驗(yàn)證不可或缺的重要部分。水力壓裂流固耦合模型最早可追溯到上世紀(jì) 50 年代，其中 Perkins[120]建立了著名的 PKN 模型（見圖 1-1a），Khristianovic and Zheltov[121], Geertsma andKlerk[122]分別建立了 KGD 模型（見圖 1-1b）。PKN 模型中裂紋長度遠(yuǎn)大于高度，裂紋擴(kuò)展面積假定為橢圓形，沿著裂紋擴(kuò)展長度方向裂紋高度不變，裂紋擴(kuò)展中考慮流體流動(dòng)和壓力梯度，不考慮裂紋尖端效應(yīng)[120, 123]；KGD 模型中假定裂紋高度遠(yuǎn)大于裂紋擴(kuò)展長度。PKN 模型和 KGD 模型都是將三維水力裂紋擴(kuò)展問題簡化為二維平面應(yīng)變問題。

[82]最初是用于材料的力學(xué)建模，它將材料離散為由，每個(gè)鍵元胞可以具有任意幾何形狀，元胞內(nèi)可以具每條鍵的力學(xué)性能由鍵勢函數(shù)描述，由于勢函數(shù)既又蘊(yùn)涵了微觀斷裂準(zhǔn)則，因此 DVIB 非常適用于動(dòng)態(tài)胞中每根鍵的能量Φ ( l)是與鍵長l 有關(guān)的函數(shù)，可W =∑ Φ( l)(a)巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)(大理巖)

圖 2-2 DVIB 巖石基質(zhì)模型Fig.2-2 Modeling intact porous medium with DVIB的是鍵元胞中每根鍵的連接方式不代表真實(shí)的微孔隙上表征了微孔隙的滲透性。當(dāng)孔隙介質(zhì)中分布宏觀裂增大。從滲透率和儲(chǔ)水率兩個(gè)方面分別考察基質(zhì)和裂每根鍵的滲透性為：m fb b bm fb b bk k ks s s= += +鍵的等效滲透率；mbk 為對應(yīng)于基質(zhì)的等效滲透率；滲透率；bs 表征鍵的等效儲(chǔ)水率；mbs 為對應(yīng)于基質(zhì)的觀裂隙的等效儲(chǔ)水率。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2827110