煤岩储层中水力裂缝延伸扩展规律研究

水力压裂是煤岩储层获得经济产量的关键技术。压裂过程中,煤层中的天然裂缝会对水力裂缝的延伸造成严重影响。根据水力裂缝与天然裂缝相交过程中可能出现的四种破裂方式,基于弹性力学和岩石力学相关理论,建立了相应破裂模式下的裂缝相交作用准则。计算结果认为,裂缝的相交角是控制裂缝延伸模式的最主要参数。

天然裂缝影响下的复杂压裂裂缝网络模拟

水力压裂缝与页岩储层中的天然裂缝沟通后,多因素影响下的起裂与延伸变化规律将决定裂缝网络的几何尺寸及复杂程度。根据断裂力学基础理论,引入裂缝起裂与延伸判定准则来研究裂缝延伸过程中角度变化趋势及延伸压力影响因素。在此基础上建立页岩气压裂复杂裂缝数学模型,分析不同岩石力学参数、地应力分布、裂缝物性参数以及施工参数对裂缝网络形态的影响。求解过程中以等压力梯度值划分裂缝延伸方向上的计算节点,能在迭代拟合流量分布之前显式求解裂缝几何参数,加快求解速度;将起裂与延伸准则作为分支缝扩展依据,能避免常规拟三维裂缝模拟中对缝长延伸的拟合,减少迭代次数。模拟结果表明,优选天然裂缝发育、地应力差较小的储层是形成缝网的充分条件;通过暂堵、转向等方式保持较高的缝内压力有利于分支缝以较大的曲率半径延伸更远的距离,扩大增产作用区域;模拟得到的缝网形态能够与现场微地震测试数据点的存在范围、分布密度实现较好地吻合,佐证了上述模型的准确性。

CDM-PKN压裂模型研究

现场实践表明,高裂缝内净压力、不规则的施工压力剖面和裂缝高度延伸等,都与传统的二维压裂模型预测结果相差较大,且传统的二维压裂模型无法解释异常高施工压力。施工压力预测的部分难题可以通过修改基本模型或修正压力下降方程来解决,但其根本原因是线弹性断裂力学(LEFM)采用的裂缝延伸法则自身存在不足。连续损伤力学(CDM)理论可以解决基于线弹性断裂力学理论模型本身存在的矛盾,既能解释净压力,也能有效预测宽短裂缝。通过引入Kachnoanov参数和微裂隙之间的平均距离,并将线弹性断裂力学与连续损伤理论结合,建立CDM-PKN模型,能够有效解释异常高施工压力,既可以解释实际施工压力剖面,也能够预测裂缝长度、宽度和流体效率。CDMPKN模型充分应用了CDM理论的优点,可以用来解释裂缝高度的移动和水力压裂中的相关现象。