摘要
能源是一个国家的经济命脉，与国家战略安全息息相关。目前我国各个油田的高渗区块已经处于开发后期，产能日益低下。因此，寻求页岩气、煤层气和油页岩等非常规油气资源成为当前能源界的热点问题。而水力压裂技术是提高低渗透储层采收率和开采页岩油等非常规油气资源的关键技术。目前我国在水力压裂技术开采低渗透储层时仍然存在虚度亟待解决的问题，主要表现在：（1）水力压裂过程中储层地应力条件和射孔参数对裂缝扩展的影响规律认识不够；（2）储层地应力条件对裂缝之间干扰扩展的影响认识不够；（3）水力压裂裂缝与天然裂缝相交形成缝网的扩展规律问题认识不够等等。因此，对储层中水力压裂裂缝扩展规律及裂缝之间的相互干扰作用进行研究，对提高非常规油气储层采收率具有十分重要的意义。本文结合断裂力学、岩土力学等，基于cohesive单元二次编程及XFEM扩展有限元，对水力压裂裂缝扩展及缝间干扰问题进行探究，主要研究内容如下： (1)研究了0MPa、2MPa和4MPa不同水平应力差，0°、15°、30°、45°、60°和75°入射角下，水力压裂裂缝起裂、扩展及转向的变化规律，分析了水力压裂过程中射孔角度和注入压力的变化规律。随着射孔角度增加，水力压裂裂缝扩展越偏离最大水平主应力方向，裂缝向前扩展难度增大，导致水力压裂裂缝内部的孔隙压力不断增大，使得裂缝宽度增加。而随着水平应力差的增加，裂缝宽度整体呈现减小的趋势。 (2)研究了0MPa、2MPa、4MPa不同水平应力差下，水力压裂裂缝分别与储层中45°、60°和75°倾角的天然裂缝相交时的扩展形态，揭示了裂缝宽度以及孔隙压力的变化规律，发现水平应力差越小，水力压裂裂缝更易开启天然裂缝进行扩展，水平应力差越大，水力压裂裂缝更倾向于穿透天然裂缝，当天然裂缝倾角为60°水平应力差为2MPa时，裂缝宽度达到最大，天然裂缝倾角为75°水平应力差为2MPa时，裂缝宽度达到最小，而在不同水平应力差下，水力压裂裂缝注入点处的孔隙压力变化趋势一致。 (3)建立了水平井多段压裂裂缝相互干扰模型，研究了多条水力压裂裂缝之间的相互竞争与干扰，以及相互干扰条件下裂缝扩展形态、水平最大主应力与孔隙压力的变化规律。发现水力压裂裂缝在分时压裂干扰中，先压裂的裂缝在扩展的过程中产生诱导应力，会改变后压裂裂缝周围的最小主应力方向和大小，对后压裂的裂缝造成挤压作用，导致后压裂裂缝的宽度减小，而后压裂裂缝会压缩先压裂裂缝内部的空隙，造成先压裂的裂缝宽度减少。对于同时压裂的裂缝，中间位置裂缝在上下两裂缝的挤压作用下，裂缝扩展受到抑制，导致中间裂缝压力增大和裂缝长度变短，而在中间裂缝的应力干扰作用下，上下两条裂缝会向最大水平主应力方向进行偏转。 (4)通过二次编程全局嵌入cohesive单元，对储层中水力压裂裂缝与天然裂缝相遇形成的复杂缝网进行有限元模拟，总结了不同水平应力差下缝网的扩展状态，发现随着水平应力差的不断增加，水力压裂裂缝与天然裂缝相交后，形成的缝网更趋向于沿着最大水平主应力方向扩展，水力裂缝在天然裂缝处的弯折次数增加，产生的缝网形态更加复杂。 (5)在有限元仿真基础上，采用相似性原理制作了真三轴水力压裂页岩试件，并利用三轴水力压裂实验设备进行了水力压裂裂缝起裂与转向实验、水力压裂裂缝与天然裂缝相交实验以及水力压裂裂缝缝间相互干扰的物理实验，并将有限元数值模拟结果与物理实验结果进行对比，验证了数值模拟的正确性。本文通过有限元数值模拟与真三轴水力压裂实验研究相结合的方式，揭示水力压裂过程中裂缝扩展形态、裂缝宽度、注入点压力、多裂缝及复杂缝网扩展变化规律。对开发页岩油气资源提高页岩油气采收率提供参考依据。
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