本文關(guān)鍵詞： 低滲砂礫巖 水力壓裂 地應(yīng)力比 GDEM模擬 3D打印模型　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：水壓致裂是低滲透油氣開(kāi)采過(guò)程中的核心技術(shù)之一,低滲透巖石在地應(yīng)力和注水壓力的共同作用會(huì)形成壓裂裂縫,提高巖層的滲透性。儲(chǔ)層巖體水力壓裂增透的效果主要取決于是否能夠形成足夠發(fā)育和相互連通的裂縫網(wǎng)絡(luò),這與儲(chǔ)層巖體的地層應(yīng)力、巖性、和孔隙結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。砂巖作為一種重要非常規(guī)儲(chǔ)層巖石,是有多期巖石顆粒堆疊而成,具有巖相變化快、巖石結(jié)構(gòu)成熟度和成份成熟度低的特點(diǎn),經(jīng)常會(huì)有清晰非均質(zhì)礦物顆粒分布,巖層本身呈現(xiàn)極強(qiáng)的非均質(zhì)性。在水力壓裂改造的過(guò)程中,裂縫的起裂擴(kuò)展不僅受到地應(yīng)力和注入壓力的影響,還受到非均質(zhì)顆粒的影響,造成壓裂裂縫存在多縫起裂現(xiàn)象,并且裂縫在擴(kuò)展的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、分叉等復(fù)雜機(jī)理,最終呈形態(tài)復(fù)雜的空間縫網(wǎng)分布和擴(kuò)展模式。基于現(xiàn)有理論設(shè)計(jì)的水力壓裂方法常常難以達(dá)到預(yù)期效果、采收率低、資源浪費(fèi)較嚴(yán)重。因此,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和探明地應(yīng)力與巖石非均質(zhì)性共同作用下巖層壓裂裂縫的形成機(jī)理、展布模式和影響因素是低滲透儲(chǔ)層水力壓裂開(kāi)采設(shè)計(jì)、儲(chǔ)層改造和提高抽采率的基礎(chǔ)與核心科學(xué)問(wèn)題。然而,現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)受到現(xiàn)有技術(shù)的限制,難度大、成本高,有很高的局限性。人們難以直觀獲知和準(zhǔn)確描述巖層壓裂裂縫的發(fā)育機(jī)理、擴(kuò)展規(guī)律、空間展布特征以及地質(zhì)環(huán)境的影響,巖層實(shí)際壓裂效果缺乏科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)判。因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究,揭示砂礫巖水壓致裂機(jī)理對(duì)于準(zhǔn)確定量地評(píng)判水力壓裂效果、有效地實(shí)施水力壓裂技術(shù)、提高非常規(guī)油氣資源的采收率、降低開(kāi)采成本具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)以上問(wèn)題,本文利用實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了水平應(yīng)力比和材料非均質(zhì)性共同作用下三維裂縫網(wǎng)絡(luò)的空間展布形態(tài)。揭示了砂礫巖水壓致裂的起裂和擴(kuò)展機(jī)理。物理實(shí)驗(yàn)研究中,由于天然巖心非常珍貴,且數(shù)量有限,因此本文中測(cè)試了天然砂礫巖巖心的物理力學(xué)性質(zhì),和顆粒結(jié)構(gòu)空間分布特征。制作人工物理模型。通過(guò)真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)、CT掃描實(shí)驗(yàn)、圖像三維重構(gòu)等方法,直觀展示了壓裂裂縫的三維空間形態(tài),探討不同水平地應(yīng)力比和模型非均質(zhì)性共同作用下,壓裂裂縫的展布規(guī)律,同時(shí)引入分形表征的方法,對(duì)復(fù)雜的壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)在三維空間上的復(fù)雜程度進(jìn)行了定量描述,建立起壓裂裂縫的復(fù)雜程度和地應(yīng)力比之間的關(guān)系。并且基于斷裂力學(xué)準(zhǔn)則和有限元模擬的方法對(duì)壓裂裂縫的擴(kuò)展方向進(jìn)行了判斷,揭示了非均質(zhì)介質(zhì)中壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展機(jī)理。但是,通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)的研究,雖然獲得了壓裂完成后最終的縫網(wǎng)展布形態(tài),但是依靠現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究手段很難捕捉壓裂裂縫完整的擴(kuò)展過(guò)程。因此,以人工物理模型為參考,重構(gòu)得了具有相同非均質(zhì)結(jié)構(gòu)分布特征的數(shù)值模型,并通過(guò)MIMICS軟件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和屬性分類。然后基于cdem算法,針對(duì)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的水平應(yīng)力比設(shè)置應(yīng)力邊界條件,進(jìn)行了水力壓裂的數(shù)值模擬研究,展示了非均質(zhì)模型中裂縫的起裂和擴(kuò)展過(guò)程。得到了壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展的過(guò)程。最后,為了更加直觀的展示壓裂裂縫的空間展布形態(tài),為揭示砂礫巖水壓致裂機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),本文開(kāi)展了透明材料的壓裂實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)方法的主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是利用透明材料本身的透光特性,可以直觀的展示壓裂裂縫的空間形態(tài),擺脫了對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度的依賴和繁瑣的數(shù)據(jù)圖像處理;二是可以最大程度上保證材料的均質(zhì)性,排除孔隙、天然裂隙、缺陷等因素的干擾,更有利于集中討論本文關(guān)心的主要因素對(duì)于裂縫起裂擴(kuò)展的影響。但是,傳統(tǒng)的透明試件的材料和制作方式,如本文中使用的pmma試件無(wú)法將非均質(zhì)顆粒引入到模型。因此,本文借助3d打印技術(shù),制作帶有非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明模型進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了壓裂裂縫的三維可視化。綜合上述研究,本文揭示了地應(yīng)力和非均質(zhì)顆粒共同作用下的砂礫巖水壓致裂機(jī)理,得到了以下主要成果:(1)巖石的非均質(zhì)性和水平應(yīng)力比都對(duì)壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展有著重要的影響。水平應(yīng)力比1:1.7是出現(xiàn)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的臨界值。當(dāng)水平應(yīng)力比小于1:1.7時(shí),會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的裂縫擴(kuò)展模式。隨機(jī)分布的顆粒對(duì)裂縫的起裂和擴(kuò)展產(chǎn)生了重要的影響。一旦水平應(yīng)力比超過(guò)1:1.7,則會(huì)出現(xiàn)平行于最大水平主應(yīng)力的單一裂縫形態(tài),地應(yīng)力差是壓裂裂縫擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。三維分形算法表征了三維裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。其隨水平應(yīng)力比的變化趨勢(shì)體現(xiàn)了當(dāng)水平力比超過(guò)1:1.5后,裂縫復(fù)雜程度逐漸降低的現(xiàn)象。(2)通過(guò)斷裂力學(xué)的理論和有限元的方法對(duì)于近井筒處和起裂裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了定量的分析,揭示了巖石的非均質(zhì)性以及水平地應(yīng)力差影響壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展的機(jī)理。結(jié)果表明,局部應(yīng)力場(chǎng)是影響裂縫分叉彎轉(zhuǎn)的決定性因素。而局部應(yīng)力場(chǎng)受到材料本身非均質(zhì)性的影響很大。實(shí)驗(yàn)中得到的裂縫形態(tài)符合理論分析的結(jié)果。(3)數(shù)值模擬得到的壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展過(guò)程顯示非均質(zhì)顆粒裂縫的起裂具有重要的影響。裂縫會(huì)沿井筒周圍多個(gè)位置起裂。而在裂縫向前擴(kuò)展時(shí),這些微裂縫會(huì)發(fā)生匯聚,形成一條主裂縫向前擴(kuò)展。由于材料的非均質(zhì)性,在裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中受到的局部阻力會(huì)有所不同,導(dǎo)致了最終向前擴(kuò)展的裂縫在體積上存在很大的差異性。而在裂縫的擴(kuò)展階段,地應(yīng)力差則會(huì)起到主導(dǎo)作用。當(dāng)水平應(yīng)力比小于1:1.7時(shí),多裂縫的擴(kuò)展模式,也得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。(4)透明3d打印模型的壓裂實(shí)驗(yàn)直觀展示了非均質(zhì)介質(zhì)中壓裂裂縫的空間形態(tài)。當(dāng)?shù)[石顆粒強(qiáng)度較低時(shí),壓裂裂縫多會(huì)穿過(guò)非均質(zhì)顆粒向前擴(kuò)展。但裂縫在軟硬介質(zhì)中擴(kuò)展的過(guò)程中,也易于出現(xiàn)裂縫分叉的現(xiàn)象。這為認(rèn)識(shí)非均質(zhì)砂礫巖水壓致裂裂縫在三維空間中的分布特征提供了詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文的研究中主要有以下的創(chuàng)新點(diǎn):(1)在巖石水壓致裂機(jī)理的研究中同時(shí)考慮了材料的非均質(zhì)性和地應(yīng)力差的影響,闡述了裂縫的最終展布模式是兩種因素共同作用的結(jié)果,給出了水平應(yīng)力比主導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的臨界值,并提出了壓裂縫網(wǎng)的三維分形表征方法;(2)利用有限元和離散元結(jié)合的算法,考慮了模型真實(shí)的非均質(zhì)結(jié)構(gòu),開(kāi)展了水力壓裂的模擬研究。(3)將3D技術(shù)在模型制作上的優(yōu)勢(shì)引入到水力壓裂裂縫起裂擴(kuò)展機(jī)理的研究當(dāng)中,實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中壓裂裂縫的直觀可視化;
[Abstract]:Water pressure fracturing is one of the core technologies in the process of low permeability oil and gas production . Based on the theory of fracture mechanics and finite element simulation , a numerical model with the same non - homogeneous structure distribution characteristics is presented . ( 3 ) The crack initiation and expansion process of fracturing fracture obtained by numerical simulation show that the fracture of non - homogeneous particles has an important influence .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE357.1

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本文編號(hào)：1447454