本文關(guān)鍵詞： 頁巖 水力壓裂 射孔布置 裂紋起裂與擴(kuò)展 應(yīng)力場(chǎng)可視化　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：人類進(jìn)入21世紀(jì)以來對(duì)能源的需求與日俱增,隨著勘探的不斷深入,埋藏較淺的常規(guī)油氣資源在今后一兩個(gè)世紀(jì)面臨著消耗殆盡的可能,開采埋藏較深的低滲透非常規(guī)油氣資源也就成為了能源行業(yè)新的研究熱點(diǎn)。尤其是常規(guī)石油、天然氣匱乏的國家,尋求非常規(guī)油氣資源迫在眉睫。頁巖氣具有資源量大、分布廣的特點(diǎn),據(jù)美國能源信息署(EIA)報(bào)告,全球已探明的頁巖氣可采資源達(dá)到了187.5萬億立方米,美國頁巖氣的可采量約為24.4萬億立方米,而中國主要盆地的頁巖氣可采量約為26萬億立方米,可采資源量位居世界第一。1821年,隨著美國紐約州第一口頁巖氣井成功鉆井,1921年到1975年逐步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化開采,上世紀(jì)90年代以來,美國頁巖氣產(chǎn)量逐年遞增,預(yù)計(jì)到2035年,美國頁巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的49%。北美地區(qū)頁巖氣的成功開采為世界范圍內(nèi)其他尋求非常規(guī)資源的國家樹立了信心。然而,中國與美國的頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)條件存在著較大差異,美國頁巖氣開采的主要對(duì)象為海相沉積巖,而中國陸相沉積巖中頁巖氣儲(chǔ)量豐富,并且中國海相頁巖熱成熟度高、斷層發(fā)育,陸相沉積巖熱成熟度低、埋藏較深。中國頁巖氣的勘探和開采處于起步階段,制定符合中國地質(zhì)資源特點(diǎn)的開采方案,未來實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的工業(yè)開采必將振興中國的能源行業(yè)。頁巖氣以三種狀態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)頁巖中:頁巖裂隙和孔隙中的游離態(tài)、干酪根和黏土結(jié)構(gòu)表面的吸附態(tài)以及瀝青質(zhì)中的溶解態(tài),其中游離態(tài)存在的頁巖氣比重為20%~85%。頁巖為致密巖層,具有低滲透特性,孔隙率通常小于10%。頁巖的礦物組成決定其力學(xué)性能,脆性礦物(如方解石、石英和長石等)含量較高的頁巖具有較強(qiáng)的脆性,壓裂時(shí)較易形成復(fù)雜的縫網(wǎng),與天然裂縫的貫通有利于頁巖氣的流動(dòng),提高壓裂產(chǎn)能。而黏土礦物含量較高的巖層塑性較強(qiáng),壓裂時(shí)不易產(chǎn)生復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò),壓裂產(chǎn)能不高。儲(chǔ)層頁巖的埋深深度平均在地表以下6000英尺(約合1829米),儲(chǔ)層受到埋深、地應(yīng)力和溫度等的影響,使得作業(yè)開采的技術(shù)難度增大,成本增加。其中,地應(yīng)力條件影響著壓裂的起裂壓力和壓裂過程裂縫面的展布形態(tài),水平地應(yīng)力差較小的地層容易產(chǎn)生交錯(cuò)縫網(wǎng),易于頁巖氣的輸運(yùn)和開采。了解地應(yīng)力和巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)壓裂起裂和裂縫擴(kuò)展的影響對(duì)合理開發(fā)頁巖氣資源、提高開采效率具有重要意義。頁巖儲(chǔ)層的低滲透性影響著油氣資源的采收率,必須依靠對(duì)儲(chǔ)層的壓裂來進(jìn)行增產(chǎn)。水力壓裂是低滲透儲(chǔ)層增產(chǎn)的主要手段之一,在非常規(guī)資源的開采中有著廣泛的應(yīng)用,美國頁巖氣井大約有90%都是采用水力壓裂的增產(chǎn)作業(yè)方式,與水平井鉆井相結(jié)合,大大提高了單井采收率。水力壓裂增產(chǎn)的原理是沿最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生貫通儲(chǔ)層的裂縫,形成輸運(yùn)通道,達(dá)到增產(chǎn)目的。為了解決水力壓裂作業(yè)中存在的理論和技術(shù)難題,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力壓裂的起裂和擴(kuò)展問題進(jìn)行了大量的研究。理論研究上,基于平面應(yīng)變?cè)斫⒌膒kn和kgd裂縫擴(kuò)展模型、擬三維p3d模型、平面三維模型pl3d被應(yīng)用到壓裂問題中。但上述理論模型均假設(shè)巖層是均勻、連續(xù)和各向同性體,且僅限于平面內(nèi)的裂縫擴(kuò)展,無法分析裂縫面的偏轉(zhuǎn)。壓裂實(shí)驗(yàn)上,人們主要通過宏觀三軸實(shí)驗(yàn)展開研究。blair等采用在水泥中預(yù)埋砂巖的方法,觀察了壓裂液的滲透路徑。ito和kayashi獲得了裂縫寬度與巖石孔隙水壓力之間的關(guān)系。wu等設(shè)計(jì)了不同的射孔排布方式,發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展方向受最小主應(yīng)力方向影響。athavale等采用水泥包裹巖石的方法,發(fā)現(xiàn)均質(zhì)巖石的裂縫呈翼狀分布,非均質(zhì)巖石的裂縫形狀復(fù)雜。數(shù)值方法上,包括位移不連續(xù)法(ddm)、擴(kuò)展有限元法(xfem)、離散元法(dem)和邊界元法(bem)等。位移不連續(xù)法假設(shè)裂紋擴(kuò)展為平面應(yīng)變問題,以斷裂韌度、楊氏模量和泊松比為基本輸入?yún)?shù)。擴(kuò)展有限元方法,采用積分法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子,并以周向應(yīng)力理論為判定準(zhǔn)則。nagel等利用離散元平臺(tái)udec/3dec,分析了層狀頁巖壓裂的破壞和裂縫分布。olson等運(yùn)用邊界元方法,分析了天然裂縫和水平主應(yīng)力差對(duì)壓裂的影響。另外,損傷變量、無單元法(efm)、非連續(xù)變形分析(dda)和顆粒流(pfc)在壓裂模擬中也有著一定的應(yīng)用。因此,針對(duì)頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)和壓裂起裂和裂縫擴(kuò)展,以及固體材料變形破壞斷裂參數(shù)的表征等,本文開展了如下研究,并獲得了一些有意義的結(jié)論:一、儲(chǔ)層頁巖物理力學(xué)性質(zhì)研究:1)針對(duì)山東勝利油田地層深度3300~3500米處頁巖,通過12組巖心的孔隙率、滲透率測(cè)試,得到了孔隙率為1%~6.2%,滲透率在1.23?10-3~8.60?10-3md范圍變化,為典型的致密低滲透儲(chǔ)層。2)應(yīng)用x射線衍射技術(shù),對(duì)五個(gè)不同地層深度處頁巖的礦物成分分析。結(jié)果顯示石英、方解石、白云石和鈉長石是頁巖脆性礦物主要組成部分,脆性礦物含量越高,越容易形成復(fù)雜的縫網(wǎng)有利于頁巖氣的開采,勘探時(shí)應(yīng)選擇脆性礦物含量高的儲(chǔ)層壓裂。3)利用單軸試驗(yàn)測(cè)取了頁巖強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等參數(shù),同一層位的巖心具有各向異性的力學(xué)性質(zhì),力學(xué)參數(shù)的測(cè)取為建立頁巖橫觀各向同性本構(gòu)模型提供了依據(jù)。4)三軸試驗(yàn)測(cè)取了不同地層深度處頁巖的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力,工程中應(yīng)選擇內(nèi)摩擦角大且粘聚力小的儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂,易形成復(fù)雜縫網(wǎng),提高壓裂效率。5)采用人字形切槽三點(diǎn)彎曲圓棒試驗(yàn)測(cè)得了頁巖的斷裂韌性,該值的測(cè)定為分析頁巖壓裂的起裂提供了判據(jù)。二、基于所測(cè)頁巖力學(xué)參數(shù),引入橫觀各向同性本構(gòu)方程,利用有限元方法結(jié)合斷裂力學(xué)理論,研究了射孔參數(shù)和地應(yīng)力條件對(duì)壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展的影響:1)射孔方向與水平最大主應(yīng)力的夾角從0°增大到90°,起裂壓力逐漸增大,射孔方向與水平最大主應(yīng)力方向一致為最佳射孔方向。2)當(dāng)射孔方向與最大水平應(yīng)力呈一定角度時(shí),裂縫面逐漸向最大水平應(yīng)力方向扭轉(zhuǎn),尖端i、ii型應(yīng)力強(qiáng)度因子同時(shí)增大,表現(xiàn)出裂縫面的拉剪狀態(tài)。3)線性布孔、對(duì)稱布孔和交錯(cuò)布孔對(duì)起裂壓力影響不大,其中交錯(cuò)布孔的起裂壓力最小。4)射孔密度的增大導(dǎo)致起裂壓力下降,大于4孔/米時(shí),起裂壓力趨于穩(wěn)定,考慮到預(yù)置射孔套管的成本,合理的射孔密度為4-6孔/米。5)射孔直徑的增大導(dǎo)致起裂壓力減小,當(dāng)直徑增加到30mm時(shí),起裂壓力變化不大,限于技術(shù)手段和成本,射孔直徑30mm為最佳。6)射孔深度的增加,起裂壓力下降但變化幅度不大,射孔深度對(duì)起裂壓力的影響較小。7)不同地應(yīng)力條件下,起裂位置隨水平應(yīng)力比的增大而上升,起裂壓力隨水平應(yīng)力比的增大而減小,裂縫面沿水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展,應(yīng)力集中區(qū)域隨著裂縫面尖端而移動(dòng)并有增大趨勢(shì),應(yīng)力強(qiáng)度因子先增大后減小,反映了壓裂過程能量先積聚后釋放的過程。三、水力壓裂數(shù)值分析表明,裂紋尖端為應(yīng)力集中區(qū)域,斷裂的發(fā)生是由于該區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)子超過了斷裂韌性,為了從實(shí)驗(yàn)的角度探究裂紋前緣應(yīng)力場(chǎng)是如何影響斷裂,本文通過3d打印技術(shù)制備了光彈性模型,利用應(yīng)力場(chǎng)可視化方法,研究了應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的裂縫起裂和擴(kuò)展過程:1)3d打印制備的模型無殘余應(yīng)力,斷裂后無塑性殘余應(yīng)力,表現(xiàn)為彈脆性破壞特征,保證了基于彈性斷裂理論開展應(yīng)力場(chǎng)分析的有效性。2)組成的光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括高速攝像系統(tǒng)、光彈性測(cè)試分析鏡、準(zhǔn)靜態(tài)便攜式加載裝置和脈沖激光(半高寬為220ns),能捕捉到質(zhì)量較高的動(dòng)態(tài)條紋圖像。3)裂紋擴(kuò)展過程,應(yīng)力集中區(qū)域隨著裂尖而移動(dòng),裂尖較大的集中應(yīng)力導(dǎo)致了材料的開裂和擴(kuò)展,與頁巖水力壓裂數(shù)值結(jié)果一致。4)裂紋擴(kuò)展速度與尖端最大應(yīng)力的變化趨勢(shì)一致,反映了裂尖附近應(yīng)力場(chǎng)控制著裂紋擴(kuò)展的表觀現(xiàn)象,是驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的本質(zhì)影響因素。5)對(duì)徑壓縮過程,應(yīng)力強(qiáng)度因子增大反應(yīng)了能量的積聚,而起裂后應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋向兩端面受壓區(qū)擴(kuò)展而逐漸減小,又反映了斷裂過程能量的逐步釋放。6)基于斷裂理論的數(shù)值分析與光彈性實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算所得的應(yīng)力場(chǎng)大小一致,相互驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值分析方法計(jì)算斷裂過程應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確性。四、三維模型斷裂過程應(yīng)力場(chǎng)的探索:1)借助于3d打印技術(shù)制備了含有初始梭形裂紋模型,通過應(yīng)力凍結(jié)實(shí)驗(yàn)獲得了裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段的三維斷裂模型,滿足了不同裂紋擴(kuò)展階段模型中應(yīng)力場(chǎng)捕捉的實(shí)驗(yàn)要求。2)運(yùn)用相移法和matlab自編程序,解決了光彈性切片相位圖轉(zhuǎn)化成全場(chǎng)應(yīng)力分布的難題。3)裂縫萌生階段和裂縫擴(kuò)展階段,應(yīng)力集中區(qū)域位于初始梭形裂紋短軸圓周處,且向四周遞減,反映了材料破壞正是由于初始裂縫處的較大的應(yīng)力集中造成的,而斷裂之后裂縫尖端較小的應(yīng)力場(chǎng)與裂紋止裂相吻合,可為判斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)的起裂區(qū)域和止裂提供依據(jù)。4)斷裂力學(xué)數(shù)值分析應(yīng)力場(chǎng)與光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,相互驗(yàn)證了數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。裂紋萌生和擴(kuò)展階段,尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的先增大后減小反映了開裂過程中裂尖能量的積聚和釋放,為研究材料變形破壞的機(jī)制提供了參考和方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(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)】：O346.1

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本文編號(hào)：1462376