基于改进PFC流固耦合算法的页岩水力压裂裂缝扩展研究

针对颗粒流软件PFC中传统流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形定义流动管道替换接触定义流通管道的流固耦合分析技术,解决基本算法中因为接触破坏而流动管道失效的问题,能更准确地描述页岩破坏后裂缝的优先流效应。在此基础上,通过设定额外属性区分管道流和裂隙流,提出水力压裂裂缝开度的计算公式,并建立储层页岩水力压裂模型,分析不同地应力作用下的完整页岩裂缝扩展模式,验证水力压裂模型的可靠性。研究结果表明:不同地应力组合的压裂裂缝扩展模式不同,不同方向的地应力相差较大时,裂缝依然沿着最大主应力方向延伸,当层理倾角不同时,压裂裂缝以较大角度逼近层理面,且较易穿过层理面,当压裂裂缝逼近角较小时,易被层理捕获并延伸;注水压力增大时,基质裂缝迅速萌生扩展,流体流入扩展的裂缝中,压裂裂缝的延伸模式差异显著;当页岩层理密度越小时,起裂注水压力越大,但层理密度较大对裂缝延伸的阻碍效应更明显。

储层页岩直剪破断特性及细观演化机制

以露头页岩为研究对象,开展不同层理倾角页岩的直剪试验,研究剪切全过程的4个阶段,同时开展基于颗粒离散元的页岩直剪全过程研究,与试验数据对比验证数值模型的可行性,从细观角度分析直剪全过程的能量演化规律,提出各向异性特征表征方法,并通过全过程的声发射变化解释细观裂缝的演化机制,阐明裂缝扩展与细观能量演化机制的一致性,研究不同时刻的层理页岩裂缝扩展规律及力链图,与对应层理倾角页岩的破坏模式进行对比,进一步探讨90°层理页岩剪切破断的裂缝特征,揭示不同层理页岩直剪全过程的裂缝演化机制。结果表明:法向应力增大能更大程度地抑制层理开裂,而剪切速率增大能更快速地达到峰值强度但降低抗剪强度;不同层理倾角页岩的破坏模式各异,0°沿层理面剪切滑移破坏,30°层理开裂为沿层理的雁列状裂缝,60°剪切破裂面呈曲线型。

改进的PFC流固耦合模型及其储层页岩渗透破坏模拟研究

深入研究储层页岩的裂缝扩展及其渗透性演化过程是有效确定储层页岩气采收率的关键.基于颗粒流离散元法(PFC)软件,针对PFC经典流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形替换接触定义流体流动管道的流固耦合分析方法,解决经典算法中因为接触破坏而导致流动管道失效的问题,能更真实地描述页岩破坏后的裂缝优先流效应.建立基于改进流固耦合算法的层理页岩颗粒流模型,分析荷载作用下页岩渗流过程中的孔隙压力和流量演化规律,对比试验结果以验证其算法的合理性.进一步研究了不同围压组合渗透压的页岩渗透特性,其结果表明:层理倾角对页岩初始渗透率的影响显著,围压一定时,其初始渗透率随层理倾角增加而增大,围压越小则影响程度越大;渗透压一定时,初始渗透率随围压增大而减小.最后,深入研究了不同围压组合渗透压的页岩破坏模式,显示不同荷载组合下的裂缝形态差异显著,高围压高渗透压下的页岩破坏微裂缝多,以X型剪切破坏或拉-剪混合破坏为主,而低围压低渗透压下的页岩破坏大多沿层理面形成剪切破坏.以上成果可为水力压裂诱发储层页岩损伤破裂的渗流通道形成及其渗透性演化提供科学依据和技术支持.

储层砂岩的物性差异对其渗透特性的影响

储层物性差异直接影响着开采过程中的储层渗透特性,改变油藏的采收率及产能.以含泥和不含泥储层砂岩为研究对象,分析其成分组成及孔隙特征,进行不同围压和渗透压组合的三轴试验,获得荷载全过程的偏应力-应变、偏应力-环向裂纹应变曲线及渗透率曲线等,揭示物性差异砂岩的裂纹扩展过程及渗透率变化规律.研究成果表明:同一荷载下含泥砂岩由于泥质物质的塑性较强,裂纹开展不足,渗透率较低;围压组合渗透压的砂岩渗透率随围压增大而减小,随渗透压增大而增大,阐明含泥砂岩的裂纹扩展对围压的抑制效应及渗透压的水力劈裂作用更敏感;通过砂岩的物性特征分析,说明泥质物质会降低岩石的强度,增强岩样塑性,导致较大变形,且泥质物质遇水软化膨胀并堵塞渗流通道,有效孔隙率及裂纹连通率降低,渗透率随之减小.基于损伤力学理论研究加载中两种砂岩的损伤演化,描述渗流-应力-损伤耦合作用下的储层砂岩渗透特性及破坏特征,阐明岩石物性差异对其渗透特性的影响特征.