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

【摘要】：水壓致裂是低滲透油氣開采過程中的核心技術之一,低滲透巖石在地應力和注水壓力的共同作用會形成壓裂裂縫,提高巖層的滲透性。儲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,這與儲層巖體的地層應力、巖性、和孔隙結(jié)構等因素密切相關。砂巖作為一種重要非常規(guī)儲層巖石,是有多期巖石顆粒堆疊而成,具有巖相變化快、巖石結(jié)構成熟度和成份成熟度低的特點,經(jīng)常會有清晰非均質(zhì)礦物顆粒分布,巖層本身呈現(xiàn)極強的非均質(zhì)性。在水力壓裂改造的過程中,裂縫的起裂擴展不僅受到地應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,并且裂縫在擴展的過程中可能會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、分叉等復雜機理,最終呈形態(tài)復雜的空間縫網(wǎng)分布和擴展模式�；诂F(xiàn)有理論設計的水力壓裂方法常常難以達到預期效果、采收率低、資源浪費較嚴重。因此,準確認識和探明地應力與巖石非均質(zhì)性共同作用下巖層壓裂裂縫的形成機理、展布模式和影響因素是低滲透儲層水力壓裂開采設計、儲層改造和提高抽采率的基礎與核心科學問題。然而,現(xiàn)場探測受到現(xiàn)有技術的限制,難度大、成本高,有很高的局限性。人們難以直觀獲知和準確描述巖層壓裂裂縫的發(fā)育機理、擴展規(guī)律、空間展布特征以及地質(zhì)環(huán)境的影響,巖層實際壓裂效果缺乏科學準確的評判。因此,通過實驗室研究,揭示砂礫巖水壓致裂機理對于準確定量地評判水力壓裂效果、有效地實施水力壓裂技術、提高非常規(guī)油氣資源的采收率、降低開采成本具有重要的科學意義和工程應用價值。針對以上問題,本文利用實驗室物理實驗和數(shù)值模擬的方法研究了水平應力比和材料非均質(zhì)性共同作用下三維裂縫網(wǎng)絡的空間展布形態(tài)。揭示了砂礫巖水壓致裂的起裂和擴展機理。物理實驗研究中,由于天然巖心非常珍貴,且數(shù)量有限,因此本文中測試了天然砂礫巖巖心的物理力學性質(zhì),和顆粒結(jié)構空間分布特征。制作人工物理模型。通過真三軸水力壓裂實驗、CT掃描實驗、圖像三維重構等方法,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,同時引入分形表征的方法,對復雜的壓裂裂縫網(wǎng)絡在三維空間上的復雜程度進行了定量描述,建立起壓裂裂縫的復雜程度和地應力比之間的關系。并且基于斷裂力學準則和有限元模擬的方法對壓裂裂縫的擴展方向進行了判斷,揭示了非均質(zhì)介質(zhì)中壓裂裂縫的起裂和擴展機理。但是,通過物理實驗的研究,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)有的實驗研究手段很難捕捉壓裂裂縫完整的擴展過程。因此,以人工物理模型為參考,重構得了具有相同非均質(zhì)結(jié)構分布特征的數(shù)值模型,并通過MIMICS軟件對數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分和屬性分類。然后基于cdem算法,針對實驗中設計的水平應力比設置應力邊界條件,進行了水力壓裂的數(shù)值模擬研究,展示了非均質(zhì)模型中裂縫的起裂和擴展過程。得到了壓裂裂縫起裂和擴展的過程。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理提供實驗依據(jù),本文開展了透明材料的壓裂實驗。這種實驗方法的主要有兩個優(yōu)點: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),擺脫了對于實驗設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心的主要因素對于裂縫起裂擴展的影響。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試件無法將非均質(zhì)顆粒引入到模型。因此,本文借助3d打印技術,制作帶有非均質(zhì)結(jié)構的透明模型進行水力壓裂實驗,實現(xiàn)了壓裂裂縫的三維可視化。綜合上述研究,本文揭示了地應力和非均質(zhì)顆粒共同作用下的砂礫巖水壓致裂機理,得到了以下主要成果:(1)巖石的非均質(zhì)性和水平應力比都對壓裂裂縫的起裂和擴展有著重要的影響。水平應力比1:1.7是出現(xiàn)復雜裂縫網(wǎng)絡的臨界值。當水平應力比小于1:1.7時,會出現(xiàn)復雜的裂縫擴展模式。隨機分布的顆粒對裂縫的起裂和擴展產(chǎn)生了重要的影響。一旦水平應力比超過1:1.7,則會出現(xiàn)平行于最大水平主應力的單一裂縫形態(tài),地應力差是壓裂裂縫擴展的主導因素。三維分形算法表征了三維裂縫網(wǎng)絡的復雜程度。其隨水平應力比的變化趨勢體現(xiàn)了當水平力比超過1:1.5后,裂縫復雜程度逐漸降低的現(xiàn)象。(2)通過斷裂力學的理論和有限元的方法對于近井筒處和起裂裂縫尖端的應力場進行了定量的分析,揭示了巖石的非均質(zhì)性以及水平地應力差影響壓裂裂縫的起裂和擴展的機理。結(jié)果表明,局部應力場是影響裂縫分叉彎轉(zhuǎn)的決定性因素。而局部應力場受到材料本身非均質(zhì)性的影響很大。實驗中得到的裂縫形態(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展過程顯示非均質(zhì)顆粒裂縫的起裂具有重要的影響。裂縫會沿井筒周圍多個位置起裂。而在裂縫向前擴展時,這些微裂縫會發(fā)生匯聚,形成一條主裂縫向前擴展。由于材料的非均質(zhì)性,在裂縫在擴展過程中受到的局部阻力會有所不同,導致了最終向前擴展的裂縫在體積上存在很大的差異性。而在裂縫的擴展階段,地應力差則會起到主導作用。當水平應力比小于1:1.7時,多裂縫的擴展模式,也得到了實驗結(jié)果的驗證。(4)透明3d打印模型的壓裂實驗直觀展示了非均質(zhì)介質(zhì)中壓裂裂縫的空間形態(tài)。當?shù)[石顆粒強度較低時,壓裂裂縫多會穿過非均質(zhì)顆粒向前擴展。但裂縫在軟硬介質(zhì)中擴展的過程中,也易于出現(xiàn)裂縫分叉的現(xiàn)象。這為認識非均質(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的實驗數(shù)據(jù)。本文的研究中主要有以下的創(chuàng)新點:(1)在巖石水壓致裂機理的研究中同時考慮了材料的非均質(zhì)性和地應力差的影響,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,給出了水平應力比主導裂縫擴展的臨界值,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,考慮了模型真實的非均質(zhì)結(jié)構,開展了水力壓裂的模擬研究。(3)將3D技術在模型制作上的優(yōu)勢引入到水力壓裂裂縫起裂擴展機理的研究當中,實現(xiàn)了非均質(zhì)結(jié)構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 .

【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE357.1

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本文編號：1447454