人工應(yīng)力遮擋作用下水力壓裂縫高控制機(jī)理與設(shè)計方法研究.pdf

1、在控制水力壓裂裂縫高度增長的各種方法中，人工應(yīng)力遮擋控制縫高技術(shù)效果較好，應(yīng)用廣泛。鑒于目前人工應(yīng)力遮擋控制縫高技術(shù)的研究主要是其基本原理的定性分析和現(xiàn)場工藝優(yōu)化，而沒有進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析，所以有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)的實驗研究、機(jī)理分析和設(shè)計方法研究。 論文從斷裂力學(xué)和滲流力學(xué)角度對常規(guī)水力壓裂縫高控制及設(shè)計方法進(jìn)行了分析，主要涉及水力壓裂裂縫模型、水力壓裂裂縫開裂準(zhǔn)則、縫內(nèi)流體流動規(guī)律、裂縫擴(kuò)展方程等；同時從巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)

2、和地層應(yīng)力幾個方面對影響壓裂縫高的因素和控制方法進(jìn)行了分析，對論文的研究有重要的指導(dǎo)和借鑒作用。 鑒于目前充填轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層的實驗研究，主要集中在是壓裂施工的現(xiàn)場監(jiān)控分析上，室內(nèi)實驗?zāi)M主要集中在攜帶液和導(dǎo)向劑的最優(yōu)組合、轉(zhuǎn)向劑的物化性能、阻流性能、導(dǎo)流能力的研究方面，而對于一定濃度的轉(zhuǎn)向劑對裂縫擴(kuò)展應(yīng)力的影響，攜帶液在地層中滲流量及與地層壓差的經(jīng)時變化對裂縫擴(kuò)展能力的影響還存在空白。 由于目前測試手段的局限性，直接

3、測試裂縫尖端的受力狀態(tài)非常困難，論文采用實驗與有限元計算相結(jié)合的方法，首次系統(tǒng)地分析了轉(zhuǎn)向劑建立人工應(yīng)力遮擋的作用過程與作用效果：在轉(zhuǎn)向劑濃度一定的條件下，滲流量越大裂縫處應(yīng)力值變化越大，但隨著滲流量的繼續(xù)增加，裂縫應(yīng)力值的變化越來越小，應(yīng)有-合理滲流量；裂縫處應(yīng)力隨壓差增加而增加，基本為線性關(guān)系，壓差越大轉(zhuǎn)向劑對裂縫處應(yīng)力值影響越大；采用轉(zhuǎn)向劑可以建立3～4MPa的人工應(yīng)力遮檔；采用人工應(yīng)力遮擋進(jìn)行壓裂施工時，還應(yīng)注意優(yōu)化壓裂設(shè)計，合

4、理確定轉(zhuǎn)向劑攜帶液的濃度、排量、施工泵壓等參數(shù)。 論文實驗方法可應(yīng)用于對轉(zhuǎn)向劑材料的篩選、評價及轉(zhuǎn)向劑與巖石的適應(yīng)性分析，指導(dǎo)轉(zhuǎn)向劑材料的研究與生產(chǎn)。 由于目前還沒有系統(tǒng)的人工隔層形成機(jī)理，而人工隔層形成機(jī)理是研究轉(zhuǎn)向劑控縫高機(jī)理、現(xiàn)場操作程序、轉(zhuǎn)向劑控縫高效果預(yù)測的基礎(chǔ)，論文考慮壓裂液在裂縫中運(yùn)移的相對有序性，描述了充填轉(zhuǎn)向劑形成人工隔層的基本過程，在考慮原地應(yīng)力和地層濾失剖面變化的基礎(chǔ)上，通過耦合計算，確定了轉(zhuǎn)向劑濃

5、度、粒徑大小、轉(zhuǎn)向劑密度、流體粘度、注入速率、泵注排量等設(shè)計參數(shù)對人工遮擋效果的影響；提出了實際水力壓裂中人工隔層控制縫高技術(shù)中轉(zhuǎn)向劑的性能要求、施工要點(diǎn)及基本工藝過程。 根據(jù)料漿沉降原理，建立了轉(zhuǎn)向劑的沉降-成層數(shù)學(xué)模型，實際生產(chǎn)中可以結(jié)合實驗計算轉(zhuǎn)向劑的實際沉降速度，確定轉(zhuǎn)向劑的沉降成層規(guī)律，更好的控制加液時間，為保證形成有效、密實的低滲透遮擋層提供理論依據(jù)。在人工隔層控縫高線彈性斷裂力學(xué)分析中，改進(jìn)了Simonson的線彈

6、性斷裂力學(xué)模型，得到了縫內(nèi)壓力與裂縫延伸進(jìn)入隔層深度的關(guān)系式，計算分析認(rèn)為：隨著隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差的增大，水力裂縫延伸進(jìn)入隔層同樣的深度所需的縫內(nèi)液壓越來越大；在隔層與產(chǎn)層水平地應(yīng)力差一定的情況下，通過控制縫內(nèi)液壓，可控制裂縫延伸進(jìn)入隔層的深度；如果隔層與產(chǎn)層的水平地應(yīng)力差較小，只需稍微增加縫內(nèi)壓差，就可能導(dǎo)致裂縫延伸進(jìn)入隔層深度的急劇增大；人工隔層產(chǎn)生的壓降，可減小裂縫尖端處的裂縫延伸壓力，達(dá)到控制裂縫高度的目的。 在人工

7、隔層控縫高滲流力學(xué)分析中，借鑒了脫砂壓裂技術(shù)的相關(guān)思想、方法，通過對水力裂縫端部區(qū)域的滲流場分析，認(rèn)為人工隔層對裂縫擴(kuò)展的控制作用主要體現(xiàn)在其對縫內(nèi)壓裂液的阻流作用上，這種阻流作用的大小和人工隔層的物性及壓裂液性能有密切關(guān)系。 根據(jù)Darcy定律、流體流動的連續(xù)性方程結(jié)合轉(zhuǎn)向劑沉降-成層數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出了轉(zhuǎn)向劑形成人工應(yīng)力遮擋的數(shù)學(xué)表達(dá)式：即遮擋層形成的壓力降與攜帶液的濾失速度、遮擋層厚度、攜帶液的粘度成正比，與遮擋層的滲透率成

8、反比，并且隨著縫內(nèi)壓力的增大，遮擋層形成的壓力降變的更大。該表達(dá)式可定量確定轉(zhuǎn)向劑形成人工遮擋層作用效果的大小，結(jié)合縫高計算公式，可對水利壓裂裂縫高度進(jìn)行預(yù)測。 論文提出了人工隔層控制縫高的設(shè)計方法，在設(shè)計中不僅需要清楚地層豎向地應(yīng)力剖面，還要考慮裂縫延伸與施工排量、流體粘度、砂比、支撐劑顆粒大小和比重的關(guān)系，F(xiàn)racproPT三維壓裂軟件可以預(yù)測裂縫高度增長速率、裂縫擴(kuò)展、泵送時間和注入液體體積的關(guān)系，在壓裂設(shè)計中應(yīng)根據(jù)各因素