水力压裂诱导含天然缺陷页岩裂隙扩展机制及应用研究

发布时间：2020-06-15 08:08

【摘要】：水力压裂作为一种有效的岩体压裂改造方法,在页岩气等非常规油气开采领域有着广阔的应用前景。但是由于页岩中天然缺陷导致的各向异性,使水力裂隙网络的扩展变得异常复杂;同时,水力压裂注射位置选择不当也会引起页岩储层中的断层活化,形成明显的微震效应。因此,研究水力压裂诱导含天然缺陷页岩裂隙扩展机制及应用具有重要的现实意义。本文采用现场调研、实验室试验、数值计算、理论分析相结合的研究方法,围绕天然缺陷参数对页岩破裂作用的敏感性、水力裂隙与天然缺陷互馈力学效应、水力裂隙网络的扩展规律、压裂中微震效应的发生机制以及压裂注射位置优化设计等内容进行了系统地研究,取得以下主要创新性成果:(1)揭示了天然缺陷参数对各向异性页岩破裂过程的敏感性规律。根据各向异性页岩力学特征变化,构建了不同颗粒接触表征矿物组分的离散裂隙网络模型;研究了天然缺陷强度、内聚力与抗拉强度比、法向和切向刚度以及角度适应范围对页岩抗拉强度、劈裂模量、不同种类裂隙数量和百分比以及破裂模式等方面的敏感性作用;提出了各向异性岩体模型的参数选取方法。(2)研究揭示了页岩水力裂隙与天然缺陷的互馈力学效应。探讨了不同起裂位置的起裂压力变化规律,提出了沿天然缺陷张拉破坏的起裂准则;建立了水力裂隙与天然缺陷的互馈作用力学模型,通过各向异性页岩水力压裂试验验证了模型的可靠性;基于该模型揭示了侵入角、围压差以及天然缺陷摩擦系数对水力裂隙-天然缺陷互馈的控制规律;综合破裂压力、环向位移和压裂效率等特征阐明了页岩各向异性导致力学效应产生差异性的主要原因。(3)构建了离散裂隙网络流固耦合模型,揭示了两类天然缺陷结构参数对水力裂隙网络扩展的作用机制。基于天然缺陷岩体流固耦合算法实现了不同种类水力裂隙的追踪与定位;系统研究了平行天然缺陷方位角、断续度、间距、阶梯角以及张开度等结构参量对水力裂隙网络分布和扩展模式的影响,结合水力裂隙网络的演化规律探讨了压裂改造效果及主控因素;揭示了围压比率和注射速率等条件下交叉天然缺陷对压裂改造体积、破裂压力梯度、水力裂隙分布和演化等方面的影响规律,掌握了交叉天然缺陷密度弱化上述影响的内在机制。(4)实现了水力压裂扩展过程中断层活化和微震效应的定量评估,提出了含断层缺陷页岩最佳注射位置优化设计方法。引入矩张量方法计算微震事件震级,构建了用于评价水力裂隙网络扩展的微震效应模型,提出同一微震事件时空判别准则,并通过试验数据和理论公式验证了模型的可靠性;定量分析了注射位置的选取对断层滑移距离、断层活化范围、钻孔注射压力、微震事件量级分布、累计频率以及所包含裂隙数量的影响,并分析了注射位置选取的合理性。研究成果对完善非常规油气储层裂隙扩展理论,指导水力压裂工业化生产设计具有重要意义,论文的研究思路和部分内容还可为解决煤矿中坚硬顶板的预裂及弱化、煤层瓦斯增透抽采及治理等问题提供一定的参考,同时,在深源地热开发领域也有一定的借鉴作用。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE377
【图文】：

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【参考文献】