基于离散元方法低渗透岩石水力压裂研究
发布时间：2021-04-01 05:51
水力压裂作为一种利用高压流体对地下致密岩层进行压裂改造提高岩石孔隙度和渗透性的物理力学方法,在油气开采、地热资源开发、放射性核废料处置以及地应力测量等领域被广泛应用。现有水力压裂技术的成熟应用大幅提升了页岩气开采产能,改变了世界能源格局,但工程现场仍面临地层突破压力（破裂压力）大,压裂效果不理想等问题。如何在保证压裂效果的同时降低大深度储层中面临的高破裂压力,从而降低注压系统的负载和压裂成本是压裂设计工程师和研究学者们亟需解决的问题。这需要对岩石水力压裂的力学机理和诸多影响因素,如岩石的物理力学性质、地应力状态、压裂液的黏度和注射方式、注压井筒尺寸以及岩石中的天然裂缝进行深入讨论。本文以低渗透岩石为研究对象,基于离散元方法在岩土体力学分析计算中的优势,选用PFC2D5.0程序,通过单轴压缩和巴西劈裂数值模拟试验校准标定模型微观参数,建立与研究对象相同物理力学性质的离散颗粒集合模型。在Cundall流固耦合理论的基础上考虑岩石的渗透性和饱和情况编写算法重现岩石水力压裂过程,通过数值模拟不同地应力比条件下岩石水力压裂过程验证算法的可靠性,并开展了一系列数值模拟试验讨论...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
018年我国各类能源消费结构图
中国地质大学（北京）硕士学位论文3重复压裂、水力喷射压裂以及分支井压裂等多种压裂技术，特别是水平井多级水力压裂技术，2000年美国页岩气年产量为122×108m3，在该技术成功应用后，页岩气产量快速增长，2017年美国页岩气年产量达到4620×108m3，占美国天然气总产量的50%以上[5]。由此可见，水力压裂技术在页岩气开采中的重要性。图1-2水平井多级水力压裂示意图近年来，中国页岩气勘探开发正在不断地快速推进，并在多个领域取得了重要突破。2018年，我国页岩气年产量达到108.81×108m3，同比增长了21%，占国内天然气总产量比重的6.74%。然而与美国页岩气发展历程相比，我国页岩气勘探开发正处于快速发展的初级阶段。我国已在四川盆地内部埋藏深度小于3500m的页岩气储层中形成一套较为成熟的钻完井和水力压裂技术。与美国主要勘探开发埋深小于3500m页岩气资源不同，我国页岩气资源分布范围较广，丘陵、低山、平原以及戈壁地区均有分布，地表环境差异较大，且储层的埋藏深度大地质构造复杂[3]。据统计，我国埋藏深度大于3500m的页岩气资源占比达到65%以上。现有的水力压裂技术在应用到塔里木盆地和四川盆地埋深大于3500m的储层时，地层突破压力比较高，配套的设备和工具无法满足高压作用要求，同时储层改造后页岩气试采产量偏低，增产效果不理想，未达到预期的高产值，相对于高昂的钻完井和压裂投入，根本无法实现经济化开采[6]。页岩气储层复杂的地表环境和地质条件对开采技术提出了更高的要求，因此，我们的科研工作者和工程师需要在借鉴国外技术的基础上探索出适合自身条件的页岩气开采压裂技术。水力压裂技术在页岩气开发领域的广泛应用，造就了“北美页岩气盛世”，并
第一章绪论4将世界天然气资源总量提高了47%。随着科学技术的不断发展，水力压裂技术在地热资源的开发利用、放射性核废料的处置以及老旧油田的增产改造等领域的应用也被广泛开展。干热岩地热资源作为一种清洁高效的可持续可再生能源，在全球气候变化和能源需求日益剧增的大背景下，已成为世界各国重点研究开发的新能源。1970年美国拉斯阿莫斯国家实验室提出了一种干热岩地热能开采技术并命名为增强型地热系统（enhancedgeothermalsystem,EGS），即通过向地下低孔、低渗的干热岩层中进行高压水注射，将其改造成渗透性较高且相互连通的人工热储，然后采用水或二氧化碳等介质循环提取岩层中的热能，并将其用于地表发电和供暖[7]。随后世界上多个国家相继开展了一系列EGS研究开发项目。中国地质调查局和中国科学院等研究机构对我国干热岩资源储量进行评估，认为我国具有非常大的干热岩资源潜力。水力压裂技术作为EGS储层改造核心技术，对于推动EGS发展和商业化开采至关重要。图1-3增强型地热系统结构示意图[2]目前，无论是在页岩气的勘探开发、还是干热岩地热资源的开采中，水力压裂作为核心技术发挥着重要的作用。与美国等西方国家相比，我国自然资源的埋藏环境和开采条件更为复杂，同时对于水力压裂技术的研究和应用我们仍处于探索阶段，为了加快我国能源消费结构转型、生态文明建设以及保障能源安全，探索出适合我国自身条件的开采技术至关重要。1.1.2研究目的利用水力压裂技术对储层进行增透改造，当储层埋藏深度较大时，地层的突破压力（即岩石水力压裂的破裂压力）随之增大。高突破压力对地面注压系统的
本文编号：3112792
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
018年我国各类能源消费结构图
中国地质大学（北京）硕士学位论文3重复压裂、水力喷射压裂以及分支井压裂等多种压裂技术，特别是水平井多级水力压裂技术，2000年美国页岩气年产量为122×108m3，在该技术成功应用后，页岩气产量快速增长，2017年美国页岩气年产量达到4620×108m3，占美国天然气总产量的50%以上[5]。由此可见，水力压裂技术在页岩气开采中的重要性。图1-2水平井多级水力压裂示意图近年来，中国页岩气勘探开发正在不断地快速推进，并在多个领域取得了重要突破。2018年，我国页岩气年产量达到108.81×108m3，同比增长了21%，占国内天然气总产量比重的6.74%。然而与美国页岩气发展历程相比，我国页岩气勘探开发正处于快速发展的初级阶段。我国已在四川盆地内部埋藏深度小于3500m的页岩气储层中形成一套较为成熟的钻完井和水力压裂技术。与美国主要勘探开发埋深小于3500m页岩气资源不同，我国页岩气资源分布范围较广，丘陵、低山、平原以及戈壁地区均有分布，地表环境差异较大，且储层的埋藏深度大地质构造复杂[3]。据统计，我国埋藏深度大于3500m的页岩气资源占比达到65%以上。现有的水力压裂技术在应用到塔里木盆地和四川盆地埋深大于3500m的储层时，地层突破压力比较高，配套的设备和工具无法满足高压作用要求，同时储层改造后页岩气试采产量偏低，增产效果不理想，未达到预期的高产值，相对于高昂的钻完井和压裂投入，根本无法实现经济化开采[6]。页岩气储层复杂的地表环境和地质条件对开采技术提出了更高的要求，因此，我们的科研工作者和工程师需要在借鉴国外技术的基础上探索出适合自身条件的页岩气开采压裂技术。水力压裂技术在页岩气开发领域的广泛应用，造就了“北美页岩气盛世”，并
第一章绪论4将世界天然气资源总量提高了47%。随着科学技术的不断发展，水力压裂技术在地热资源的开发利用、放射性核废料的处置以及老旧油田的增产改造等领域的应用也被广泛开展。干热岩地热资源作为一种清洁高效的可持续可再生能源，在全球气候变化和能源需求日益剧增的大背景下，已成为世界各国重点研究开发的新能源。1970年美国拉斯阿莫斯国家实验室提出了一种干热岩地热能开采技术并命名为增强型地热系统（enhancedgeothermalsystem,EGS），即通过向地下低孔、低渗的干热岩层中进行高压水注射，将其改造成渗透性较高且相互连通的人工热储，然后采用水或二氧化碳等介质循环提取岩层中的热能，并将其用于地表发电和供暖[7]。随后世界上多个国家相继开展了一系列EGS研究开发项目。中国地质调查局和中国科学院等研究机构对我国干热岩资源储量进行评估，认为我国具有非常大的干热岩资源潜力。水力压裂技术作为EGS储层改造核心技术，对于推动EGS发展和商业化开采至关重要。图1-3增强型地热系统结构示意图[2]目前，无论是在页岩气的勘探开发、还是干热岩地热资源的开采中，水力压裂作为核心技术发挥着重要的作用。与美国等西方国家相比，我国自然资源的埋藏环境和开采条件更为复杂，同时对于水力压裂技术的研究和应用我们仍处于探索阶段，为了加快我国能源消费结构转型、生态文明建设以及保障能源安全，探索出适合我国自身条件的开采技术至关重要。1.1.2研究目的利用水力压裂技术对储层进行增透改造，当储层埋藏深度较大时，地层的突破压力（即岩石水力压裂的破裂压力）随之增大。高突破压力对地面注压系统的
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