擴展有限元法應(yīng)用于頁巖氣藏水力壓裂數(shù)值模擬研究.pdf

1、頁巖氣是儲藏于頁巖基質(zhì)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(guān)注。頁巖氣藏由于具有低孔隙度低滲透率特點，需要進(jìn)行水力壓裂等增產(chǎn)措施改造儲層才能獲得可觀經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。
　　水平井多段壓裂是一種能有效提高頁巖儲層產(chǎn)量的重要技術(shù)手段。多段壓裂一般分為順序壓裂和同時壓裂，施工設(shè)計要求人工裂縫能夠盡量生成橫向直裂縫以延伸到較遠(yuǎn)地層區(qū)域，溝通更大面積儲層以提高導(dǎo)流率。由于裂縫之間存在應(yīng)力陰

2、影效應(yīng)導(dǎo)致裂縫偏離其預(yù)設(shè)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(yīng)力干擾強度，但是過大的裂縫間距也會使整個儲層導(dǎo)流率降低。合理的裂縫間距是水平井多段壓裂設(shè)計的關(guān)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(xué)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。考慮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(shè)計的關(guān)鍵

3、力學(xué)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(fù)雜縫網(wǎng)，能顯著提高地層導(dǎo)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(jié)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(yù)測頁巖地層中復(fù)雜縫網(wǎng)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(zhì)中孔隙滲流的多場耦合復(fù)雜力學(xué)

4、問題，受限于理論研究和實驗研究的局限性，數(shù)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(shù)中引入增強函數(shù)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(wǎng)格重構(gòu)，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(shù)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(yīng)力干擾

5、問題，對比了順序壓裂和交替壓裂方法應(yīng)力干擾強度和最優(yōu)裂縫間距。結(jié)果表明，地應(yīng)力差對應(yīng)力干擾區(qū)域大小有顯著影響;地應(yīng)力差較小時，需要增大裂縫間距才能避免應(yīng)力陰影效應(yīng)的影響。裂縫附近的應(yīng)力分布會隨著裂縫的擴展不斷變化，這是在預(yù)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(yīng)力干擾相互抵消的效應(yīng)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(jié)果表明，當(dāng)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(yù)設(shè)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(zhuǎn)向，初始偏轉(zhuǎn)角隨材料角呈現(xiàn)周期性變化。水力裂縫偏轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)力差較大時，裂縫擴展方向主要由地應(yīng)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(jié)型天然裂縫對水力裂縫擴展行為和復(fù)雜縫網(wǎng)形成過程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)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(yīng)力差、裂縫摩擦系數(shù)和巖石抗張強度。當(dāng)水力裂縫與粘結(jié)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(jié)裂縫斷裂韌度和巖石基質(zhì)斷裂韌度。水力裂縫與粘結(jié)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(gòu)型天然裂縫的地層，水力壓裂在摩擦裂縫地層形成的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)比在粘結(jié)裂縫地層形成的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)更復(fù)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(fù)雜縫網(wǎng)的形成過程。
　　本文建立的數(shù)值模型、分析方法和計算結(jié)果，能為頁巖氣藏水力壓裂施工設(shè)計提供一定的技術(shù)指導(dǎo)，以期獲得最優(yōu)壓裂效果，提高地層導(dǎo)流率以實現(xiàn)