页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝起裂与扩展研究

发布时间：2017-10-21 09:35

  本文关键词：页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝起裂与扩展研究

  更多相关文章： 页岩气藏 高能气体压裂 动态有限元分析 扩展有限元 裂缝几何形态

【摘要】：作为无水压裂技术的高能气体压裂可在井筒周围形成多条径向裂缝,实现对页岩储层的缝网改造,有利于我国页岩气的高效开发。针对页岩气储层脆性矿物含量高、非均质性强和天然裂缝发育等特征,结合水平井高能气体压裂技术特点,本研究基于室外实验和数值模拟探究页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝起裂与扩展规律。整个研究过程将高能气体压裂分为应力波载荷与高能气体载荷作用两个阶段。在应力波载荷作用阶段,基于动力有限元方法,建立了页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝起裂模型,并与模型的解析解进行了对比分析,验证了其准确性,分析了加载速率、峰值压力以及页岩力学参数对裂缝起裂的影响,并对加载速率与裂缝条数关系进行了探讨;在高能气体载荷作用阶段,基于质量与动量守恒定律,运用扩展有限元方法,建立了页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝扩展的气固耦合模型,并与实验模拟结果进行了对比验证,分析了压力递减速率、页岩非均质性和天然裂缝与压裂裂缝几何形态关系。结果表明:高杨氏模量的储层易形成窄而长的裂缝,低泊松比、高抗拉强度的储层易形成窄而短的裂缝。低加载速率、高峰值压力有利于裂缝的生长,加载速率越大,裂缝起裂压力越高,裂缝发生有效扩展的条数越多;峰值压力对裂缝起裂压力、起裂条数没有影响。压力递减速率是影响裂缝有效扩展的关键因素,减小压力递减速率有利于裂缝扩展。页岩储层层理普遍发育,不同层理的物性差异导致裂缝扩展过程中应力应变发生明显变化;具有高杨氏模量和低泊松比的层理,容易受到主裂缝诱导应力的影响,应力集中较严重,易产生局部复杂缝网。高能气体压裂裂缝以任意角度与天然裂缝相遇,均会发生不同程度的转向,产生的诱导应力促使天然裂缝发生剪切滑移形成新的次生裂缝,转向程度与天然裂缝方位、逼近角大小有关。本文研究结果可为页岩气藏水平井高能气体压裂工艺设计、参数控制及优化提供相关指导,具有重要的理论价值。
【关键词】：页岩气藏 高能气体压裂 动态有限元分析 扩展有限元 裂缝几何形态
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE377
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符号表8-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究的背景及意义10
• 1.2 国内外发展现状10-14
• 1.2.1 高能气体压裂理论研究现状10-11
• 1.2.2 高能气体压裂裂缝起裂扩展模型研究现状11-13
• 1.2.3 高能气体压裂裂缝数值模拟研究13-14
• 1.3 研究内容及创新点14-17
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 创新点15
• 1.3.3 技术路线15-17
• 第二章 页岩气储层特征及高能气体压裂裂缝扩展模型17-25
• 2.1 页岩气储层特征17-18
• 2.2 液体火药燃烧规律18-19
• 2.2.1 液体火药燃烧规律18
• 2.2.2 液体火药燃烧的状态方程18-19
• 2.3 高能气体压裂裂缝扩展模型19-24
• 2.3.1 假设条件19-20
• 2.3.2 射孔孔眼泄流模型20-21
• 2.3.3 裂缝扩展分析21
• 2.3.4 裂缝扩展几何模型21-23
• 2.3.5 裂缝内压力分布23
• 2.3.6 气体的渗滤模型23-24
• 2.4 小结24-25
• 第三章 页岩气藏水平井高能气体压裂裂缝起裂研究25-48
• 3.1 水平井井筒与孔眼应力分布25-28
• 3.2 裂缝起裂判据及页岩本体起裂的破裂压力计算模型28-29
• 3.2.1 裂缝起裂判据28
• 3.2.2 页岩本体起裂的破裂压力计算模型28-29
• 3.3 裂缝起裂的动态有限元分析29-33
• 3.3.1 岩石响应的动力学基本方程29-30
• 3.3.2 Newmark时间积分法30
• 3.3.3 高能气体压裂动态响应的有限元求解30-33
• 3.4 实例计算33-37
• 3.4.1 计算模型及网格划分33-34
• 3.4.2 模型参数取值34-35
• 3.4.3 求解结果35-37
• 3.5 影响裂缝起裂与扩展的参数分析37-43
• 3.5.1 岩石力学参数对裂缝起裂的影响37-40
• 3.5.2 加载速率、峰值压力对裂缝起裂的影响40-43
• 3.6 加载速率对裂缝条数的影响43-46
• 3.7 小结46-48
• 第四章 高能气体压裂裂缝扩展形态48-53
• 4.1 实验设计48-49
• 4.1.1 实验装备及原理48
• 4.1.2 实验主要材料48-49
• 4.2 实验结果及分析49-51
• 4.3 室外实验与数值模拟结果对比51-52
• 4.3.1 模型建立51
• 4.3.2 室外实验与数值模拟结果对比51-52
• 4.4 小结52-53
• 第五章 页岩气藏高能气体压裂裂缝扩展规律研究53-67
• 5.1 高能气体驱动裂缝扩展的流固耦合分析53-56
• 5.1.1 高能气体在裂缝内的流动方程53-54
• 5.1.2 岩石变形与流体流动控制方程离散54
• 5.1.3 基于扩展有限元的裂缝描述54-56
• 5.2 高能气体压裂压力加载过程56-57
• 5.2.1 数值模拟压力加载过程56-57
• 5.2.2 模型选取57
• 5.3 求解结果与参数分析57-61
• 5.3.1 高能气体驱动裂缝扩展规律57-60
• 5.3.2 压力递减速率对裂缝扩展的影响60-61
• 5.4 页岩储层非均质性对裂缝扩展的影响61-64
• 5.5 页岩内天然裂缝对裂缝扩展的影响64-66
• 5.6 小结66-67
• 第六章 结论及建议67-68
• 6.1 结论67
• 6.2 建议67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目73-74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈军斌;魏波;谢青;王汉青;李涛涛;王浩;;基于扩展有限元的页岩水平井多裂缝模拟研究[J];应用数学和力学;2016年01期

2 刘合;兰中孝;王素玲;许建国;赵晨旭;;水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理[J];石油勘探与开发;2015年06期

3 Majid Goodarzi;Soheil Mohammadi;Ahmad Jafari;;Numerical analysis of rock fracturing by gas pressure using the extended finite element method[J];Petroleum Science;2015年02期

4 曾青冬;姚军;;基于扩展有限元的页岩水力压裂数值模拟[J];应用数学和力学;2014年11期

5 李海涛;罗伟;姜雨省;张俊松;;复合射孔爆燃气体压裂裂缝起裂扩展研究[J];爆炸与冲击;2014年03期

6 郭天魁;张士诚;刘卫来;赖文旭;;页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力[J];天然气工业;2013年12期

7 姚军;孙海;黄朝琴;张磊;曾青冬;隋宏光;樊冬艳;;页岩气藏开发中的关键力学问题[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2013年12期

8 杨建;付永强;陈鸿飞;曾立新;李金穗;;页岩储层的岩石力学特性[J];天然气工业;2012年07期

9 孙志宇;刘长印;苏建政;李宗田;;多级脉冲高能气体压裂裂缝动态扩展分析[J];西南石油大学学报(自然科学版);2010年06期

10 姜浒;陈勉;张广清;金衍;赵振峰;朱桂芳;;定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响[J];岩石力学与工程学报;2009年07期

，

本文编号：1072637