摘要
钙芒硝是一种重要的硫酸盐矿床，是重要化工原料芒硝的来源之一。为了提高钙芒硝开采效率，降低开采成本，本研究团队提出了对钙芒硝原位改性流体化开采的方案。但钙芒硝属于难溶性盐岩，前期需要通过水力压裂在矿层中形成复杂的裂缝网，才能实现实现大规模的商业开采。目前我国钙芒硝储层地质条件复杂多变、无法对地层深部裂缝扩展过程进行有效监测，再加上对裂缝扩展机理缺乏认识，造成了一定的资源浪费。因此研究钙芒硝水力压裂条件下裂缝扩展规律，分析裂缝扩展的影响因素等具有重要意义。本文将通过实验和数值模拟相结合的方式对钙芒硝的可压性进行评价，分析岩石脆性、地应力差、天然裂缝、压裂液温度、排量、压裂井位置等因素对水力压裂裂缝扩展的影响。主要研究内容及结果如下： （1）钙芒硝力学实验：对钙芒硝进行了单三轴抗压和抗拉实验。实验结果表明钙芒硝的平均单轴抗压强度为16.36MPa，平均弹性模量为2.65GPa，平均泊松比为0.25，围压分别为4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa时，钙芒硝的平均抗压强度分别为37.404MPa、41.079MPa、49.627MPa、56.424MPa、65.232MPa。平均弹性模量分别为8.507GPa、9.560GPa、11.912GPa、15.347GPa、16.835GPa，钙芒硝的平均抗拉强度为2.03MPa。结果为后续研究钙芒硝脆性评价及数值模拟提供参数。 （2）钙芒硝脆性：钙芒硝脆性是评价储层可压性的关键因素，因此由第二章所得的钙芒硝的力学参数，基于应力应变曲线和应变能密度对钙芒硝脆性进行评价，研究发现：随着围压的不断增大，钙芒硝的脆性不断降低。同时利用RFPA模拟软件探究不同弹性模量、泊松比和压拉比对钙芒硝脆性的影响。结果发现：钙芒硝的弹性模量和压拉比越大，钙芒硝的脆性越高，单轴压缩后越容易发生破坏；而泊松比越大，钙芒硝的脆性就越低，抵抗破坏的能力就越强。 （3）钙芒硝水力压裂的机理：对钙芒硝水力压裂的整个压裂过程进行逐步分析，并建立适合岩盐水力压裂的数学控制方程。 （4）钙芒硝水力压裂试验：为探究钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律，为今后实际钙芒硝矿层的流体化开采提供依据，利用实验室中大型真三轴渗流模拟装置，探究不同地应力、压裂液温度和排量对钙芒硝水力压裂的影响。实验结果表明：地应力越大，钙芒硝越难起裂，裂缝一般会沿着最大水平主应力方向发展。随着钙芒硝埋深的增大，不仅地应力会变化，钙芒硝储层的温度也会升高，在地应力一致的情况下，对比80℃、60℃和常温水温条件下，80℃要比60℃和常温起裂压力分别降低了2.8%，5.7%，裂缝开度增加。同时钙芒硝储层的压裂效果还与水压排量大小密切相关，维持较低的排量，有利于裂缝的延伸和扩展形成较为复杂的裂缝，较高排量则可以使裂缝扩展的更远。 （5）数值模拟实验：为探究脆性对钙芒硝水力压裂的影响，利用RFPA-FLOW数值模拟软件，对钙芒硝在不同围压、弹性模量、泊松比和压拉比条件下进行水力压裂，研究结果表明：钙芒硝脆性越高，水力压裂后形成的水力压裂有效网越复杂，越有利于水力压裂改造储层的效果。同时还对天然裂缝角度、非均匀水压和多井同时压裂对裂缝扩展的影响进行了探究，研究表明：闭合的天然裂缝的激活与水力裂缝和天然裂缝的倾角有关，当倾角较大（接近90°时）地层的起裂压力较大，越容易在天然裂缝两端形成双向分支，更有利于裂缝网的形成。多井同时进行压裂时，若两井距离较近，两井会因为应力叠加效应，其中一个井的裂缝扩展会被另一个井所抑制，当距离较大时抑制效应减弱或者消失
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