摘要
随着世界经济技术的不断发展，地球浅部常规油气资源日渐枯竭，全球战略目光均已向地球深部非常规油气资源转移。而非常规油气储层致密，开采难度大，往往需要采用水力压裂技术对储层进行压裂改造，增加人工缝网，提高储层渗透率才能实现经济有效开采。因此，如何进行压裂设计才能产生最有效的复杂压裂缝网，实现最优化开采是亟需解决的问题。目前，最常用的压裂设计手段是采用水力压裂数值模拟方法，进行压裂缝网演化模拟，通过揭示水力压裂缝网演化机制，为压裂施工设计提供技术支持。而水力压裂缝网演化过程直接由裂缝起裂参数和损伤演化参数决定，因此，准确地获取深部岩体的力学参数用于水力压裂数值模拟至关重要。 非常规致密油气储层一般处于几千米的深地，其岩体破裂受原位地应力场（大小与方向）的影响和控制，属于深部岩体原位抗断裂能力问题。而传统的岩体断裂力学试验方法并没有考虑深部岩体原位力学环境的影响，因此，亟需开展基于深部岩体原位力学状态的断裂力学试验，准确获取深部岩体的真实断裂力学特性，从而基于岩体原位力学参数进行水力压裂数值模拟，才有利于理解裂缝在深部应力环境下的扩展机理，揭示深部致密储层压裂缝网成因演化机制，为压裂设计提供最准确的指导，实现非常规致密油气的高效开采。 针对目前亟需解决的问题，本文提出了岩体原位断裂力学试验方法，采用圆球形试样获取了可体现岩石三维特性的抗拉强度值以及深部岩体原位力学环境下的断裂韧度值。通过将抗拉强度值作为裂缝起裂参数，将断裂韧度值转换成断裂能作为损伤演化参数引入到ABAQUS有限元模拟软件，采用扩展有限元法和cohesive单元方法进行了水力压裂数值模拟，研究了水力裂缝间相互作用过程、水力裂缝与层理面和天然节理裂隙相互作用过程，得到了基于深部岩体原位断裂力学参数的压裂裂缝演化模拟结果，为压裂施工设计提供了技术支撑。本文主要研究结果如下: (1)分别采用圆球形试样和巴西圆盘试样进行了抗拉强度测试试验，对比分析了两种试样测试结果的异同。轴向压缩时，巴西圆盘试样的应力分布较集中，间接限制了潜在破裂面的范围，所获取的抗拉强度值更趋向于某一断面的强度参数。而圆球形试样应力集中区分布更广，呈现三维特征，不会预先限定潜在破裂面，增加了破裂的随机性，所获取的抗拉强度值更能体现岩石三维状态下的强度参数。巴西圆盘试样所获取的抗拉强度值约为圆球形试样的2倍。 (2)开展了圆球形试样和厚壁圆筒试样在含围压条件下的断裂韧度试验，结合分片合成法和有限元标定方法推导了两种试样的断裂韧度计算公式。试验结果表明:厚壁圆筒试样测试含围压断裂韧度时，轴压对试验结果无影响，所获取的断裂韧度值类似于假三轴条件下的数值。而圆球形试样可同时考虑轴压和围压共同作用下的影响，接近于真三轴条件下的断裂韧度实验，可近似还原深部岩体原位力学环境，所获取的断裂韧度值更能表征深部岩体真实断裂力学特征。数值上，圆球试样所获取的断裂韧度值要远大于厚壁圆筒试样。 (3)采用Python编程语言对ABAQUS有限元软件进行了二次开发，建立了矿物非均质性模型和DFN离散裂隙网络模型并且提出了声发射数值模拟方法。基于二次开发成果，将岩石原位力学参数引入到模拟软件，研究了水力裂缝间的相互作用过程、水力裂缝与层理面和天然节理裂缝的相互作用过程。模拟结果表明:水力裂缝间相互影响由应力阴影效应控制，应力阴影会导致两条水力裂缝背向扩展，而随着水力裂缝的扩展应力阴影的大小也在不断变化，当裂缝长度为射孔间距的2.5倍时，应力阴影效应最强。此外，矿物非均质性会导致两条裂缝非同步扩展，在矿物非均质性和应力阴影的共同作用下，水力裂缝扩展路径趋向复杂化。水力裂缝的扩展路径同样会受到层理面角度、层理面强度、层理面间距以及地应力差和排量大小的影响和控制。层理面角度为30度时，穿层破裂与顺层破裂交替出现，呈现断续位错式破裂特征，压裂缝网复杂。此外，合适的层理面强度和层理面间距，更易产生复杂压裂缝网，并且地应力差越小或排量越大，水力裂缝与天然裂缝的作用越充分，产生的水力压裂缝网越复杂。水力压裂数值模拟结果为压裂施工设计提供了重要技术支撑，有利于指导非常规致密油气的高效开采。
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