水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟

水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟
何泽轩
【摘要】水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义.本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度.本文所要做的第一步是要建立模型,再对水
力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟.通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础.
【期刊名称】《石油化工应用》
【年(卷),期】2017(036)008
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】水力压裂;数值模拟;Franc2D/L;裂缝启裂扩展
【作者】何泽轩
【作者单位】西安石油大学,陕西西安 710065
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.14
在全球油气勘探程度持续增长的条件下，传统常规石油天然气被发现的数量在减少，而且规模同样亦在缩减[1]。

依据我国的资源开采现状，对石油天然气的常规勘探
基本上已经趋于稳定，若想要增大开采量，还是有些难度的，除此之外，我国非常规的汽油资源还是挺丰富的，但是还有待于大规模开发[2]。

参考以往的研究成果，纵观国内外，水力压裂对非常规油气田的开发明显是一个非
常有效的手段[3，4]。

因此针对非常规储层水力压裂后裂缝的启裂情况、裂缝的形成和裂缝进一步扩展方面进行数值模拟研究，了解在压裂前后裂缝周围的应力状况，以便对水力压裂裂缝的整个形成过程有一个更好的理解。

将地层看成无限大，各项均质的理想线弹性岩体，在建立模型时，作出以下几个假设：
（1）水力裂缝在地层中的延伸情况可以归结为平面应变问题；
（2）根据地层中的地应力状态，可以忽略垂向应力的作用；
（3）忽略井筒造成周围附近的地应力场变化，以及压裂液在地层中的渗透和滤失作用造成的压力损失。

通过以上的假设条件，本文建立二维平面模型，模型大小设置为200 m×200 m，最小水平主应力（Ph）方向为坐标轴中的x方向，最大水平主应力（PH）方向为坐标轴中的y方向，通过Franc2D/L自带的CASCA软件建立好有限元模型后，
导入Franc2D/L软件。

边界条件设置中，分别将左边界和右边界加载方向相反，
大小相等的最小水平主应力。

与此同时，上下边界就加载了最大的水平主应力。

图中央竖线表示的是水力泵裂，横向中心线是水平井筒（见图1），它是沿着最小水平主应力方向。

由于Franc2D/L软件多数用于研究材料断裂力学，在岩石断裂力学中的使用较为
少见，因此在开展下一步的研究之前，有必要对Franc2D/L所建立模型的解的正
确性进行检验。

先从单条裂纹研究做起，使用模型的数据（见表1），可以观察出单条水力裂缝对地层应力状态的作用，以及对周边地层应力的影响。

左图是用ABAQUS软件计算结果，右图是采用Franc2D/L的模拟结果（见图2）。

模拟试验之后，可以从表1中看出，所体现的数据裂缝都在它的周边产生了一些
诱导应力。

并且可以得出单一主裂缝延伸时对于周边的作用，与ABAQUS软件验
证是相当吻合的。

依照图2所示，从颜色上就可以清楚的看到，主裂缝周边的应
力状况，应力的增大区和减小区是非常明显的，有限元软件ABAQUS模拟得出的应力变化范围为18.01 MPa～18.91 MPa，用Franc2D/L模拟得出的应力变化范围为18.05 MPa～18.89 MPa，其误差在5%以内。

沿用上一章所建立的模型（见表1）。

最终的结果（见图3），图3表示裂缝在扩展中的变化，看到在裂缝周围，所分布的应力试验x轴方向的变化。

其中图3（a）是初始状态下的应力云图，图3（b）是主裂缝开启时的情况，图3（c）是主裂缝的扩展情况。

对比图3 中的（a）（b）（c）三幅图，可以看出：在人工裂缝的延伸过程中，可以看到在两个尖端，会有一个拉应力的集中区，可以明显地观察到拉应力的变化，随着裂缝与尖端的距离越来越远，它是与拉应力的数值成反比的，拉应力相对就会减小。

这是尖端诱导的结果，除此之外，可以看到在裂缝两侧会产生一定的压应力，而压应力的数值也与裂缝距离成反比，最后会趋向于地层压力。

压应力的产生，是因为裂缝在开裂后，挤压两侧的岩石造成的。

从以上结论可以得出，当诱导应力足够大时，所产生的应力差就会很大，它就会改变两个水平应力的大小，使小的一方变成最大水平主应力方向，然后会使裂缝传播的方向垂直于初始方向。

裂缝尖端对周围地层所产生的剪应力（见图4）。

在尖端两侧，剪应力的分布，往两侧散开，越往外侧它的数值越小。

通常剪切应力的存在，是体积压裂过程中天然裂缝开裂的主要原因。

论文在充分调研国内外有关水力压裂模拟研究资料的基础之上，以岩石力学和有限元计算方法相关理论为基础，选取使用了能模拟水力压裂过程中人工裂缝扩展的软件－Franc2D/L，建立了本文所需的模拟模型，模拟了裂缝的启裂与扩展。

得出以下结论：当裂缝进行破裂的过程中，会在周边产生一定的应力范围，它会改变原有的地层应力状态从而使地层脱离平衡状态，这也就是为什么水力压裂会产生裂缝。

并且如果诱导应力足够大的话，会改变地应力的方向，从而改变人工裂缝启裂扩展的方向。

【相关文献】
［1］蒋廷学，卞小冰，苏瑗，等.页岩可压性指数评价新方法及应用［J］.石油钻探技术，2014，42（5）：16-19.
［2］蒲泊伶，牛嘉玉，董大忠，等.页岩气储层研究新进展［J］.地质科技情报，2014，33（2）：98-101.
［3］Michael J.Economides，Tony Martin.Modern Fracturing:Enhancing Natural Gas Production ［M］.Houston，Energy Tribune Publishing，2007：1-509.
［4］M.J.Mayerhofer，E.P.Lolon，N.R.Warpinski，et al.What is Stimulated Reservoir Volume ［C］.SPE119890，SPE Shale Gas Production Conference，16-18 November 2008，Fort Worth，Texas.。