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页岩力学特性及水力压裂机理分析——以川南龙马溪组为例

时间:2022-05-13 08:16 | 栏目:结构力学论文 | 浏览:

硕士论文网第2022-05-13期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇结构力学论文文章《页岩力学特性及水力压裂机理分析——以川南龙马溪组为例》,供大家在写论文时进行参考。
加载倾角为 0°~60°之间的圆盘试样的整体抗拉强度以及变形特征与圆盘基质比较接近,加载倾角超过 60°后其整体抗拉强度和变形能力迅速降低。可将不同加载倾角下页岩圆盘的破坏模式分为以下三类:中央裂纹贯通(CF)、非中央裂纹贯通(NF)以及层理活化裂纹贯通(LA),其分别主要出现在层理面倾角为 0°~30°、45°~60°以及 75°~90°的加载情况下。当层理倾角小于 71.6°时,圆盘存在两种破坏情况,岩石基质受拉破坏和层理面剪切破坏;当层理倾角大于 71.6°时,圆盘会发生层理面的受拉或是受剪破坏
1 绪论
1 Introduction
1.1 研究背景及意义(Research Background and Significance)
一直以来,常规化石能源,如煤炭、石油等在我国国民经济中始终占据着主导地位,但随着这些能源的大量开采和消耗,我国将不得不面临能源紧张及由此带来的环境污染等问题,这将严重制约我国经济的健康发展,因此,积极发展非常规化石能源具有十分重要的战略意义。近些年来,煤炭和石油两大传统化石能源的消费比例呈现缓慢下降的趋势,而天然气的消费比例逐年上升。与煤炭和石油相比,天然气单位热值高,使用安全,二氧化碳和氮氧化合物排放量更少,能缓解温室效应,改善地球环境。因此,天然气兼具传统化石燃料和清洁能源的优点,是未来能源发展的重要趋势之一。页岩气是继煤层气、致密砂岩气之后重要的非常规天然气资源,是常规油气资源的重要补充,其具有开采寿命长、生产周期长、烃类运移距离较短及含气面积大等特点[1]。美国是世界上最早开发和利用页岩气的国家,世界上第一口页岩气井是 1821 年在纽约州的 Chautauga 县泥盆系 Dunkirk 页岩中完井[2]。在 20 世纪,页岩气在美国完成了从发现到工业化生产,再到技术改造后的高速增产等过程。相比于美国,中国页岩气的勘探开发历程虽然短暂,但相关研究表明我国页岩气的储存含量很高[3-8]。2011 年 12 月,国务院批准页岩气为我国独立矿种第 172 种[9],同年,中国第一口页岩气资源战略调查井—渝页 1 井在重庆市彭水县莲湖乡成功实施。目前,我国在四川盆地、鄂尔多斯盆地取得了重大突破,初步形成了鄂尔多斯盆地、四川盆地威远、长宁(长宁一昭通)、富顺一永川、涪陵等几个页岩气产区,产能超过 70 亿立方米/年。如表 1-1 所示,与美国页岩气勘探开采相比,我国主要的页岩产区储层具有埋深大、页岩孔隙度小、地层压力系数大等特点[10]。更多的文献资料[11-13]已经指出,我国页岩气的地质条件更为复杂,页岩层系时代老,热演化程度高,经历了多期构造演化,埋藏深,保存条件不够理想,开发技术要求更高。而目前中国在页岩气勘探开发的一些技术上还不完善,在许多方面诸如水平钻井以及体积改造等技术方面还有待提高。
中美主要页岩气产区储层参数对比
1.2 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)
页岩气开采的核心技术是水力压裂,水力压裂后页岩内人工裂缝与天然裂缝能否形成良好的裂缝网络是广大页岩气开采者最关心的问题。由于我国的页岩气勘探开发还处于初级阶段,因此,目前大部分的文献多集中在页岩气储层的成藏机理、气藏特征以及页岩气与页岩基质吸附转运机理等方面[16-23],而涉及到页岩本身力学特性的研究较少。因此,本文研究所关注的重点是页岩的物理、力学以及渗透特性,以此应用到深部页岩储层的水力压裂数值模拟中。为此,以下将主要就页岩储层的岩石物理力学特性、渗流特性以及水力压裂技术方面进行文献调研,总结出这几个方面的研究现状。
2 页岩的物理及微观特性研究
2 Study on Physical and Microcosmic Properties of Shale
2.1 页岩取样(Preparation of Shale Specimens)
为保证本文研究能得到优质可靠的页岩试样,采取野外现场取样和室内加工的方式来获得试验所需的页岩试样。
2.1.1 取样地点及地质背景
对页岩气成藏机理及成藏的物质基础等分析表明[3-7],中国南方海相地层发育区具有优越的页岩气成藏地质条件和丰富的页岩气资源,有望成为中国油气资源的重要战略接替新领域,其中对四川盆地页岩气成藏的物质基础、地质条件、勘探油气显示以及实验结果等研究较为详细,因此四川盆地最值得首先关注。许多学者对四川盆地内具体区域和层位选择进行了研究和探讨,尽管对于关键要素的选择及勘探首选地区不尽相同,但综合地质条件、成藏要素以及研究程度等因素来看,将四川盆地南部的泸州—自贡—永川或泸州—宜宾—自贡等地龙马溪组作为勘探开发首选目标更为可行。国土资源部中国地质调查局已基本查明,中上扬子地区龙马溪组优质页岩分布广、厚度大、含气性好,资源潜力大,占全国页岩气资源的 20%。图 2-1 为中国地质调查局《中国页岩气资源调查报告(2014 年)》给出的下志留统龙马溪组主要探井分布图,从图中可以看到四川盆地南部已有多处页岩气钻井取得突破,威 201、宁 201、丁页 1、焦页 1、彭页 1 以及盐志1等气井的产量已经突破万方。因此,将该地区的页岩作为研究对象更具有实际意义。
下志留统龙马溪组主要探井分布图(数据来自中国地质调查局)
2.2 试验测试系统(Test Equipment)
2.2.1 试验设备
本文所使用的试验设备包括物理特性分析设备、力学特性试验设备以及其他附属设备等。下面对主要设备仪器进行简单的介绍。
(1)页岩试样矿物成分分析设备。
该试验分析在苏州泰纽测试服务有限公司地质实验室进行,使用的设备为德国Bruker D8 DISCOVER X 射线衍射仪。该设备测量精度高,可以对样品进行物相定性和定量分析,可以测定精确的晶胞参数、简单晶体的晶体结构、样品的结晶度、微晶的粒度等参数。利用相应附件还可以测定纳米粒度、薄膜厚度等。测样前先将块状样品研磨成粉末状,并过 325 目筛,送检的粉末样品质量不少于 0.5g,然后对样品进行测试,得到的数据结果使用相关分析软件进行后续处理分析,最终得到所需的实验分析报告。室内测试条件为温度 20℃,湿度 35%RH。
(2)页岩试样孔隙度分析设备。
该测试采用压汞实验的方法,同样在苏州泰纽测试服务有限公司地质实验室进行,使用的设备为美国麦克高性能 AutoPore Ⅳ 9505 全自动压汞仪。该压汞仪最大压力228MPa,孔径测量范围 0.003μm~1100μm,有两个高压和四个低压站,进汞和退汞体积的测量分辨率极高,为 0.1μL。该设备不仅可以得到样品的多种孔体积、孔面积和孔尺寸曲线,同时还可计算得到总进汞体积、总孔比表面积、中值孔径、平均孔径、堆积密度和表观(骨架)密度等参数值。室内测试条件为温度 20℃,湿度 35%RH。
 
3 页岩的强度、变形及破坏特性试验研究.......................................................................... 38
3.1 页岩常规三轴压缩试验研究 ........................................................................................... 38
3.2 页岩巴西劈裂试验研究 ................................................................................................... 52
3.3 页岩三轴循环加卸载试验研究 ....................................................................................... 65
3.4 页岩三轴卸围压试验研究 ............................................................................................... 79
3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 86
4 基于室内试验的页岩脆性评价方法研究.......................................................................... 88
4.1 页岩脆性评价的方法 ....................................................................................................... 88
4.2 基于不同评价方法的页岩脆性特征分析 ....................................................................... 93
4.3 页岩脆性特征与破坏模式的关系讨论 ......................................................................... 108
4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 109
5 完整和含裂隙页岩渗透特性试验研究.............................................................................111
5.1 试验原理和程序 ............................................................................................................. 111
5.2 完整页岩渗透特性分析 ................................................................................................. 115
5.3 裂隙页岩渗透特性分析 ................................................................................................. 131
5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 134
6 页岩的强度、变形及破坏机理离散元模拟研究............................................................ 136
6.1 PFC2D 程序简介............................................................................................................. 136
6.2 页岩数值模型的建立及细观参数标定 ......................................................................... 142
6.3 页岩常规三轴压缩模拟结果分析 ................................................................................. 154
6.4 页岩循环加卸载模拟结果分析 ..................................................................................... 163
6.5 页岩卸围压模拟结果分析 ............................................................................................. 174
6.6 本章小结 ......................................................................................................................... 185
7 页岩水力裂缝扩展机理及应用研究................................................................................ 187
7.1 PFC2D 中流-固耦合的实现............................................................................................ 187
7.2 页岩水力压裂裂缝扩展机理研究 ................................................................................. 193
7.3 页岩储层水平井分段压裂应用研究 ............................................................................. 218
7.4 本章小结 ......................................................................................................................... 234
7 页岩水力裂缝扩展机理及应用研究
7 Study on Hydraulic Fracture Propagation Mechanismand Its Engineering Application of Shale
前几章中,本文基于室内试验结果和数值模拟分析详细研究了页岩试样的各向异性力学特性和渗流特性。本章将以第六章中页岩各向异性数值模型为基础,基于 PFC2D 平台中的流-固耦合模型,并结合第五章中页岩试样渗透特性试验的分析结果,对各向异性页岩试样中水力压裂裂缝的扩展机理进行研究,并结合页岩气开采的实际工程背景开展水平井分段压裂的模拟应用。
7.1 PFC2D 中流-固耦合的实现(Fluid-mechanical Coupling Algorithm inPFC2D)
水力压裂是岩土工程中应用广泛的一种技术手段,在射孔中高压水压力的作用下射孔壁开始产生裂纹,并向四周扩展。同时在地层中也存在不同方向大小各异的地应力,因此在水力压裂过程中岩石基质同时受到地应力和流体压力的作用,而在这些压力作用下岩石基质的渗透特性会发生改变,从而造成流体在压裂过程中渗流场的变化,这就是一个流体-固体互作用的耦合过程。对流-固耦合作用机理的研究一直是岩土工程中的重点和难点,其中,数值模拟计算是一种重要的研究手段。不同的数值模拟平台对流体作用原理的模拟方法不同,其中对多种流体或多相耦合的处理手段会采用精细的模型去
求解,这些模拟方法结果的准确度往往取决于其模型本构的精确度以及边界条件的复杂程度,因此计算比较繁琐并且在很多情况下是不需要如此精细的耦合方法,近似模拟既能得到相似的结果又能提高计算效率。在 PFC 中,对不同情况和复杂程度的颗粒-流体作用问题一般可以采用以下不同的近似解决方法[363-365]:
8 结论与展望
8 Conclusions and Prospects
8.1 主要结论(Main Conclusions)
本文以四川盆地南缘长宁地区的页岩气田水力压裂开采为研究背景,针对该技术过程中所涉及到的与页岩各向异性力学行为和渗流特性以及水力裂缝扩展相关的课题展开了具体研究。采用室内试验和理论分析的方法对页岩不同应力加载路径下的各向异性力学行为和渗流特性进行了研究分析,采用离散元数值模拟方法对页岩试样的力学特性进行了更深入地拓展研究,并开展了页岩水力压裂的模拟研究与分段压裂技术的应用。通过这些研究工作,本文获得的主要研究结论如下:
8.1.1 页岩各向异性力学特性研究结论
(1)页岩常规三轴压缩试验研究结论
页岩试样的峰值强度(σp)和裂纹损伤阈值(σd)均随层理倾角的增大而呈现“U”型变化,试样的轴向峰值应变随着层理倾角的增大显示出无规律的波动变化,弹性模量随层理倾角的增大显示出周期的波动变化,近似于“W”型;泊松比和内摩擦角均未显示出特殊的变化规律,粘聚力则表现出类似的“U”型变化规律。从整体上看非线性的 Hoek-Brown 准则比线性 Mohr-Coulomb 准则能更好地预测页岩试样三轴压缩试验的强度结果,而Ramamurthy 准则和 Saeidi 准则的预测效果要好于 Mohr-Coulomb 准则和 Hoek-Brown 准则,但 Ramamurthy 准则不能很好地预测围压较小时试样的强度;页岩试样破裂形态可分为四类典型模式:拉裂纹穿过层理面的劈裂破坏(T-T)、拉裂纹沿着层理面的劈裂破坏(T-A)、剪切裂纹穿过层理面的剪切破坏(S-T)以及剪切裂纹沿着层理面的剪切破坏(S-A)。T-T 模式主要出现在单轴压缩条件下、层理倾角为0°、15°、30°、45°和 75°的试样中;T-A 破坏模式存在于层理倾角为 90°的单轴压缩试样中;S-T 破坏模式可出现在围压条件下的各种倾角试样中;S-A 模式主要出现在层理倾角为 45°~75°的试样中。数值模拟研究表明:在低围压低层理倾角条件下,试样以基质产生拉伸裂纹带破坏为主,而在高围压高层理倾角时试样的节理面则产生以剪切微裂纹为主的剪切破坏,并在节理面附近的岩石基质中聚集有大量的拉伸裂纹;
(2)页岩巴西劈裂试验研究结论
加载倾角为 0°~60°之间的圆盘试样的整体抗拉强度以及变形特征与圆盘基质比较接近,加载倾角超过 60°后其整体抗拉强度和变形能力迅速降低。可将不同加载倾角下页岩圆盘的破坏模式分为以下三类:中央裂纹贯通(CF)、非中央裂纹贯通(NF)以及层理活化裂纹贯通(LA),其分别主要出现在层理面倾角为 0°~30°、45°~60°以及 75°~90°的加载情况下。当层理倾角小于 71.6°时,圆盘存在两种破坏情况,岩石基质受拉破坏和层理面剪切破坏;当层理倾角大于 71.6°时,圆盘会发生层理面的受拉或是受剪破坏


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