擴展有限元法應用于頁巖氣藏水力壓裂數值模擬研究.pdf

1、頁巖氣是儲藏于頁巖基質中的一種非常規(guī)天然氣資源。隨著常規(guī)資源日益減少以及能源需求不斷增加，頁巖氣得到全世界越來越廣泛的關注。頁巖氣藏由于具有低孔隙度低滲透率特點，需要進行水力壓裂等增產措施改造儲層才能獲得可觀經濟產量。
　　水平井多段壓裂是一種能有效提高頁巖儲層產量的重要技術手段。多段壓裂一般分為順序壓裂和同時壓裂，施工設計要求人工裂縫能夠盡量生成橫向直裂縫以延伸到較遠地層區(qū)域，溝通更大面積儲層以提高導流率。由于裂縫之間存在應力陰

2、影效應導致裂縫偏離其預設方向生成非平面裂縫，降低了壓裂效果。增大裂縫間距能降低應力干擾強度，但是過大的裂縫間距也會使整個儲層導流率降低。合理的裂縫間距是水平井多段壓裂設計的關鍵因素。
　　頁巖作為一種典型的沉積巖，在垂直于層理方向和平行于層理方向呈現(xiàn)顯著的各向異性力學特征，可以簡化為正交各向異性材料處理。水力裂縫在各向異性巖石中的起裂和擴展規(guī)律與在各向同性巖石中顯著不同?？紤]巖石各向異性對水力裂縫擴展形態(tài)的影響是壓裂施工設計的關鍵

3、力學問題之一。
　　頁巖地層中包含大量天然裂縫，水力裂縫在擴展過程中與地層中天然裂縫相交形成復雜縫網，能顯著提高地層導流率。地層中天然裂縫可以分為兩類:摩擦型天然裂縫和粘結型天然裂縫。水力裂縫與這兩種類型天然裂縫相互作用機理不同。研究水力裂縫與不同類型天然裂縫相交行為對預測頁巖地層中復雜縫網形成過程具有重要意義。
　　水力壓裂是涉及巖石骨架變形、裂縫起裂和擴展、裂縫中流體流動、壓裂液濾失和巖石基質中孔隙滲流的多場耦合復雜力學

4、問題，受限于理論研究和實驗研究的局限性，數值模擬成為研究水力壓裂的一種有效手段。擴展有限元法(XFEM)通過在傳統(tǒng)有限元位移插值函數中引入增強函數來描述裂紋等不連續(xù)位移場，可以模擬裂紋沿任意路徑擴展而不需要網格重構，極大減少計算量。
　　本文基于擴展有限元法，建立了二維非線性流固耦合水力壓裂數值模型，研究水平井多段壓裂、正交各向異性巖石中裂縫擴展、水力裂縫與天然裂縫相交等問題:
　　(1)研究了水平井多段壓裂裂縫之間應力干擾

5、問題，對比了順序壓裂和交替壓裂方法應力干擾強度和最優(yōu)裂縫間距。結果表明，地應力差對應力干擾區(qū)域大小有顯著影響;地應力差較小時，需要增大裂縫間距才能避免應力陰影效應的影響。裂縫附近的應力分布會隨著裂縫的擴展不斷變化，這是在預測裂縫擴展路徑時必須要考慮的重要因素。交替壓裂通過在兩條已壓裂完成的裂縫中間壓裂第三條裂縫，可以利用應力干擾相互抵消的效應縮短生成橫向直裂縫所需壓裂間距。
　　(2)研究了正交各向異性巖石的材料角和楊氏模量比對水

6、力裂縫擴展路徑的影響。結果表明，當水力裂縫初始方向和正交各向異性巖石材料主軸之間有夾角時，裂縫擴展過程中將偏離其預設方向而生成非平面裂縫。水力裂縫在第一個擴展步會發(fā)生明顯的轉向，初始偏轉角隨材料角呈現(xiàn)周期性變化。水力裂縫偏轉程度隨楊氏模量比增大而增加，水力裂縫傾向于沿著楊氏模量更小的材料主軸方向擴展。地應力差較小時，裂縫擴展方向主要由材料正交各向異性特征決定;地應力差較大時，裂縫擴展方向主要由地應力決定。
　　(3)研究了水力裂縫

7、與天然裂縫相交行為，對比了摩擦型天然裂縫和粘結型天然裂縫對水力裂縫擴展行為和復雜縫網形成過程的影響。結果表明，當水力裂縫與摩擦型天然裂縫相交時，水力裂縫能否穿透天然裂縫取決于裂縫相交角、地應力差、裂縫摩擦系數和巖石抗張強度。當水力裂縫與粘結型天然裂縫相交時，水力裂縫能否穿透天然裂縫取決于裂縫相交角、粘結裂縫斷裂韌度和巖石基質斷裂韌度。水力裂縫與粘結型天然裂縫相交常形成L型裂縫，而與摩擦型天然裂縫相交常形成T型裂縫;因此，對于含有相同初始

8、幾何構型天然裂縫的地層，水力壓裂在摩擦裂縫地層形成的縫網結構比在粘結裂縫地層形成的縫網結構更復雜。
　　(4)研發(fā)了二維擴展有限元水力壓裂程序Matlab-XFEM，可以模擬各向同性巖石和正交各向異性巖石中裂縫的起裂和擴展，多條裂縫同時擴展，水力裂縫與天然裂縫相互作用以及復雜縫網的形成過程。
　　本文建立的數值模型、分析方法和計算結果，能為頁巖氣藏水力壓裂施工設計提供一定的技術指導，以期獲得最優(yōu)壓裂效果，提高地層導流率以實現(xiàn)