弱层理剪切诱导缝网裂缝的形成与扩展机理研究

发布时间：2018-07-24 14:38

【摘要】：页岩气是实现天然气产量接替的一种重要的非常规油气资源,必须经过体积压裂形成缝网裂缝才能实现经济有效开发。基于页岩储层弱层理发育的特点,从弱层理剪切滑移对水力裂缝的作用机理,揭示缝网裂缝的扩展规律,对实现页岩储层的高效开发具有重要意义。本文首先根据多孔介质平衡方程及流体流动连续性方程,建立储层流固耦合数学模型,推导求解节点位移及孔隙压力的有限元方程。分析岩石中裂缝起裂准则及诱导弱层理扩展的判断准则,并阐述用于描述弱层理的cohesive单元,形成用于分析缝网裂缝起裂与扩展机理的数学模型。第二,搭建带有侧向围压功能的I型裂缝扩展实验台,采用数字散斑相关方法,利用高速照相机捕捉试件表面散斑场的变化,获取裂缝经弱层理扩展过程中试件表面位移场和应变场的变化,通过位移外推法求取裂缝尖端应力强度因子的变化规律,发现I型裂缝拐折扩展的主控机理。第三,建立水力裂缝与弱层理交汇扩展的力学模型,借助数值模拟方法,采用二阶损伤张量描述地层中不规则分布的弱层理,建立基岩—水力裂缝—弱层理耦合的二维缝网裂缝模型,采用刚度退化的traction-separation准则模拟裂缝的起裂和扩展,提出页岩储层缝网裂缝数值模拟方法,并通过现场井验证数值模拟方法的合理性。第四,利用所提出的数值模拟方法,发现水力裂缝与弱层理交汇后,在水力裂缝尖端钝化与远场地应力的共同作用下,弱层理发生剪切破坏,形成分支裂缝。综合各因素对剪切破坏的贡献及对裂缝扩展速度的影响,在水平主应力差越小、注入流量越大、储层岩石弹性模量越大及合适的压裂液粘度的条件下,可有效激活弱层理形成缝网裂缝,获得更大的压裂改造面积。基于非常规页岩储层弱层理发育的特点,本文揭示了弱层理剪切滑移诱导缝网裂缝的形成机理,得到了各因素对缝网裂缝扩展形态的影响规律,可为非常规储层压裂施工设计提供技术支撑,以提高压裂改造效果。
[Abstract]:Shale gas is an important unconventional oil and gas resource in order to achieve natural gas production replacement. Only through volume fracturing to form fracture network fracture can economic and effective development be realized. Based on the characteristics of the development of weak bedding in shale reservoir, it is of great significance to realize the efficient development of shale reservoir from the action mechanism of shear slip of weak bedding on hydraulic fracture, and to reveal the law of fracture extension. In this paper, based on the equilibrium equation of porous media and the continuity equation of fluid flow, the fluid-solid coupling mathematical model of reservoir is established, and the finite element equations for solving nodal displacement and pore pressure are derived. The criterion of crack initiation and the criterion of inducing weak bedding propagation in rock are analyzed. The cohesive element used to describe weak bedding is described, and a mathematical model for analyzing the mechanism of crack initiation and propagation is formed. Secondly, a model I crack propagation test bench with lateral confining pressure is built. The digital speckle correlation method is used to capture the change of speckle field on the surface of the specimen by using a high-speed camera. The variation of surface displacement field and strain field during crack propagation through weak bedding is obtained. The variation law of stress intensity factor at crack tip is obtained by displacement extrapolation method, and the main controlling mechanism of mode I crack bend propagation is found. Thirdly, a mechanical model of the intersection and propagation of hydraulic fractures and weak bedding is established, and the second-order damage Zhang Liang is used to describe the irregular distribution of weak bedding in the formation by means of numerical simulation. A 2-D fracture mesh fracture model with coupling of bedrock hydraulic fracture and weak bedding is established. The fracture initiation and propagation are simulated by traction-separation criterion of stiffness degradation. A numerical simulation method of fracture network fracture in shale reservoir is proposed. The rationality of the numerical simulation method is verified by field wells. Fourthly, by using the numerical simulation method, it is found that after the intersection of hydraulic fracture and weak bedding, shearing failure of weak bedding occurs under the joint action of passivation at the tip of hydraulic fracture and far field ground stress, and branch fracture is formed. Considering the contribution of various factors to shear failure and the influence of fracture propagation speed, the smaller the horizontal principal stress difference, the greater the injection flow rate, the greater the elastic modulus of reservoir rock and the proper fracturing fluid viscosity. It can effectively activate weak bedding to form fracture net fracture and obtain larger fracturing area. Based on the characteristics of weak bedding development in unconventional shale reservoir, this paper reveals the formation mechanism of fracture pattern induced by shear slip of weak bedding, and obtains the influence of various factors on fracture extension morphology. It can provide technical support for fracturing operation design of unconventional reservoir and improve fracturing effect.
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE377

【参考文献】

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本文编号：2141693