页岩水力压裂的关键力学问题_庄茁_柳占立_王涛_高岳_王永辉_付海峰
水力压裂在页岩气开发中的应用研究
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水力压裂在页岩气开发中的应用研究
水力压裂在页岩气开发中的应用研究水力压裂技术（Hydraulic Fracturing）在页岩气开发中起到了至关重要的作用。
本文将从水力压裂技术的原理和发展历程、在页岩气开发中的应用及效果、存在的问题和挑战以及前景展望等方面进行探讨和研究。
1. 水力压裂技术的原理和发展历程水力压裂技术是一种通过注入高压液体来产生裂缝和断裂而达到开采矿藏的目的的方法。
其基本原理是通过注入高压液体，在地下岩层中形成高压液体的压力，从而使岩石发生断裂和裂缝，以增加油气的产能和采集效率。
水力压裂技术的发展历程可以追溯到20世纪40年代，最早应用在煤层气开采中。
随着石油和天然气资源的逐渐枯竭和能源需求的增加，水力压裂技术逐渐应用于页岩气等非常规天然气资源的开发中。
2. 水力压裂技术在页岩气开发中的应用及效果水力压裂技术在页岩气开采中具有重要的应用和效果。
首先，通过水力压裂技术，可以使得页岩气储层中原本难以渗流的岩石变得可渗透性增强，从而提高了储层的产能和采集效率。
其次，通过压裂液注入，可以打破页岩储层中的层理结构，使得水平井和多水平井得以实施，大大提高了储层的开发潜力。
3. 存在的问题和挑战然而，在水力压裂技术应用中，也存在一些问题和挑战。
首先，压裂液的注入量和压力的控制需要严格的技术要求，过高的注入压力可能会引起岩层破裂，导致破裂裂缝扩展到非目标层位；过低的注入压力则可能会导致裂缝无法扩展到足够的范围。
其次，压裂液的化学成分和含有一定量的添加剂，可能对地下水环境产生潜在的影响和风险。
另外，水力压裂技术的成本相对较高，投资回报周期较长。
4. 前景展望尽管存在一些问题和挑战，但水力压裂技术在页岩气开发中的应用前景仍然十分广阔。
首先，随着技术的不断创新和进步，水力压裂技术在控制压裂液注入量和压力的精确度方面将更加精细化。
其次，研究人员将会进一步研究和开发环境友好型的压裂液，以减少对地下水环境的影响。
另外，整个水力压裂技术的成本也将随着技术的成熟和规模化的应用而逐渐降低。
页岩层水力压裂控制缝网的实验、理论和计算研究
2.5~7.1
2.0~6.0 4.74~5.69
压力系数
地层压力（MPa） 地层变形
1.35~2.03
31.6~49.9 逆冲
1.4~1.96
35.1~67.3 走滑
1.35~1.55
31.0~38.0 走滑
8
天然裂缝发育
力学的挑战与机遇
页岩低孔、低渗透率的物性特征（孔隙度一般在4%~6%， 渗透率小于1nmD），导致油气溢出阻力比常规油气大，基 本无自然产能，因此流体的渗透通道主要依靠裂缝网络。对 页岩储层的大规模压裂改造是形成油气产能的主要技术手段。 水力压裂是成功的开采方式，尽管北美页岩气革命取得了成 功，目前采收率仅为5~15%*，问题出在哪里呢？
The angle of crack growth is obtained
2 K K 1 c 2 arctan I sign( K II ) 8 I 4 K II K II
Get growth velocity from crack tip displacement : Equivalent mode I SIF
14
2 理论研究 I、建立时间相关性和各向异性Biot本构模型：
1. Biot假设应变������������������ 分别与应力������������������ 和孔隙压力������呈线性关系
1 1 1 ij ij p ij kk ij 2G 3K 6G 9 K
第十一届中国CAE工程分析技术年会（CCAC2015） 2015-08-06
页岩层水力压裂控制缝网 的实验、理论和计算研究
柳占立
合作者：黄克智院士 庄茁教授 博士生：王涛 高岳 许丹丹 曾庆磊
水力压裂技术在页岩气开发中的应用
水力压裂技术在页岩气开发中的应用近年来，页岩气开发一直备受关注。
作为一种非常重要的天然气资源，它可以很好地满足我们的能源需求。
然而，页岩气的开采并不是一件简单的事情。
它的开发需要依靠一些高端技术，其中最重要的就是水力压裂技术。
本文将从这一技术的应用角度，来探讨水力压裂在页岩气开发中的应用。
一、水力压裂技术简介水力压裂技术是一种通过高压水将岩石裂开的技术。
它是一种用于提高天然气、石油或其他矿物质开采率的方法。
该技术利用高压液体对岩石施加压力，从而形成裂缝，并将油气释放出来。
这些油气沿着裂缝移动，最终被收集起来。
二、水力压裂在页岩气开发中的应用1. 提高采收率页岩气的开采过程比较困难，因为天然气储存在岩石裂缝中，而且岩石的质地也很硬。
水力压裂技术可以帮助解决这个问题。
它可以通过高压水的作用，裂开岩石，形成裂缝，从而释放出页岩气，提高开采率。
2. 减少环境污染水力压裂技术可以比较好地减少环境污染。
它是一种非常干净的技术，不需要使用化学药品。
相比于常规开采方法，它可以极大地减少地面的废弃物和水污染。
3. 提高经济效益水力压裂技术可以大大提高页岩气的开采效率。
这将对经济效益产生积极的影响。
通过减少投入，提高产出，水力压裂技术可以带来可观的利润。
4. 实现能源安全随着全球化的发展，能源安全越来越受到关注。
水力压裂技术可以帮助实现能源安全。
它可以大大提高我们对国内矿产资源的依赖，减少对进口矿物质的需求。
三、水力压裂技术面临的挑战尽管水力压裂技术在页岩气开发中有很多好处，但它也面临着一些挑战。
这些挑战包括：1. 高成本水力压裂技术的成本非常高。
要使用这种技术，必须购买昂贵的压裂设备和材料。
对于一些没有足够预算和技术支持的企业来说，这可能会限制它们的发展。
2. 水资源紧缺水力压裂技术需要大量的水资源。
岩石裂隙需要用水冲洗，以便释放天然气。
考虑到一些地方水资源极为紧缺，使用水力压裂技术可能会让当地面临水资源短缺的风险。
页岩气藏开发中的关键力学问题
页岩气藏因其极低的渗透率 , 必须采用多级水 力压裂的水平井才能进行商业化开发. 2003 年以来, 美国 Barnett, Fayetteville 等页岩油气区以水平井开发 为主. 2011 年, 美国完钻非常规水平井 8500 多口, 页 岩油气水平井 7600 余口, 形成了比较成熟的“水平井 +多级压裂”的非常规油气开发模式. 页岩气藏开发中创建了 “ 井工厂 ” 的高效开发模
中国科学: 物理学 力学 天文学
2013 年
第 43 卷
第 12 期: 1527–1547
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica
能源论坛专辑·评述
页岩气藏开发中的关键力学问题
[1,2]
径非常小, 渗透率极低, 页岩气藏必须进行压裂才能 进行商业化开采 ; (3) 页岩多尺度孔隙介质结构和多 储集方式特性使得页岩中气 -水两相运移机制非常复 杂, 常规只考虑黏性流动的达西方程无法描述. 本文 从页岩气藏储层特征及开发方式入手 , 提出了页岩 气藏开发中亟需解决的三个关键力学问题 : 页岩气 微纳尺度流动力学、页岩人工压裂裂缝的扩展力学、 页岩气藏的分段压裂水平井缝网宏观流动力学 , 以 及一个关键技术问题水平井和裂缝网络系统的优化 设计 , 针对各前沿关键问题综述了研究进展和发展 趋势, 介绍了本课题组研究的最新成果, 对页岩气藏 的高效开发具有重要的理论指导意义.
(a) 表示 Marcellus 页岩气田 2007–2011 年采用“多井井场 ”模式钻井的比例; (b) 表示 Marcellus 页岩气田的钻井模式 Figure 2 Multi-well pads in the marcellus shale. (a) The percent of Multi-well pads in 2007–2011; (b) the mode of Multi-well pads.
QK-水平井水力压裂增产技术中的岩石力学问题
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(14)：2463～2466 July，2004
水平井水力压裂增产技术中的岩石力学问题
程远方 王桂华 王瑞和
257061) (石油大学(华东)石油工程学院 东营
1 概
述
水平井是近年来兴起的一种新的钻井技术。其 主要目的是降低勘探开发成本、增加单井产能并提 高采收率。我国自“八五”攻关以来，已经打了几 百口水平井。有些井的产量达到了预期的效果，而 相当一部分井的产量与直井相比，并没有多大的提 高 。国外近年来用水力压裂方法提高致密油藏水 平井的产量，取得了明显的经济效益，为我国改造 低产水平井提供了一种技术选择。水平井压裂适用 于下列情况： (1) 垂向渗透率低于水平渗透率或存
∫
r
a
p n (ξ )ξdξ − fpn ( r )
(7) 式中： α = 1 − cfr 为 Biot 系数，cfr 为岩石骨架的压 cb
缩系数，cb 为岩石的容积压缩系数；µ为泊松比；f 为岩石的孔隙度；pn(r) = p(r)－pp，为径向坐标等于 r 时的净流体压力，pp 为远场地层孔隙压力，p(r)为 钻井液液柱压力 Pm 引起的孔隙压力。 那么，流体流动在井壁上产生的附加应力为 σ r = − f ( pm − pp ) α (1 − 2µ ) σθ = σ z = − f ( p m − pp ) 1− µ
2002 年 5 月 28 日收到初稿，2002 年 7 月 23 日收到修改稿。
[1]
2 井眼围岩应力分布规律
设水平井井眼的垂深为 h，受 3 个原地主应力 分量控制，它们分别是上覆岩层压力σv、最大水平地 应力σH、最小水平地应力σh。井眼轴线方向与最大水 平地应力方向的夹角为β。将原地应力分量从主方 向坐标系 123 转换到井眼坐标系 XYZ，如图 1 所示。
水力压裂采油技术在页岩气开发中的应用研究
水力压裂采油技术在页岩气开发中的应用研究随着石油资源的逐渐枯竭，石油行业开始向新能源领域转型，其中页岩气开发成为了近年来备受瞩目的领域。
水力压裂采油技术，作为页岩气开发的主要手段之一，已经成为工业节能、环保和经济发展的重要推动力量。
本文将从水力压裂采油技术的定义、原理、优势和应用等方面，对其在页岩气开发中的应用研究进行探讨。
一、水力压裂采油技术的定义和原理水力压裂采油技术，也称为液压裂缝压裂技术，是利用高压液体对岩石等地层进行破裂，以增加地层渗透率，从而提取油气资源的一种技术。
其原理就是在深部地层注入高压流体，由于岩层的破裂和变形，使得原先密闭的地层可以释放出大量的油气等资源。
二、水力压裂采油技术的优势水力压裂采油技术具有以下优势：1、页岩气开采难度大，水力压裂采油技术能够突破地层渗透性低的难题，提高页岩气的产量和开采效率。
2、该技术可靠性高，施工成本较低，可以提高开采效益，并减少资源浪费，减少地质环境的破坏。
3、技术的改进和创新，不断提升了水力压裂采油技术的施工和监测能力，进一步提升了其开采效率和成功率。
三、水力压裂采油技术在页岩气开发中的应用水力压裂采油技术在页岩气开发中有着广泛的应用，其主要应用有以下几个方面：1、水平井设计和建造优化，在水力压裂完后，可以使井身尽量横向延伸，从而提高投资回报率。
2、节约成本和提高产量，通过水力压裂采油技术，可以有效地提高生产井稳产时间、节约成本，达到更高的单井产量。
3、精细管理，通过合理设计实验参数，实时监测及调控采油工艺，精细管理页岩气的开采过程，从而提高采储效率。
4、环保，水力压裂采油技术大大减少对地下水资源的压迫和污染。
四、水力压裂采油技术的应用研究现状虽然水力压裂采油技术在页岩气开采中应用广泛，但其所面临的挑战和困境也很明显。
目前，针对水力压裂采油技术的应用研究主要有以下几个方面：1、深入研究水力压裂技术中的微观机理和影响因素，以更精细的实验参数调控为技术指导，提高技术应用成功率。
应用于页岩气开采中的水力压裂核心技术专利分析
应用于页岩气开采中的水力压裂核心技术专利分析摘要：本文利用DWPI数据库、SIPOABS数据库和CNABS数据库得到应用于页岩气开采中的水力压裂专利文献，通过对专利文献的统计分析得到专利数据样本，在对页岩气开采进行技术分解的基础上结合专利数据样本，对页岩气开采的核心技术水力压裂技术进行相关专利分析，最后探讨提高页岩气开采经济效益的途径。
关键词：页岩气；水力压裂；专利页岩气属于开采难度较大的“贫矿”，要把页岩气开采出来并在商业上获益，只有在技术上进行创新。
页岩气开采涉及到多种技术，主要包括勘探技术、开采技术和应用技术，而开采技术中水力压裂技术的发展是页岩气开发过程的重大突破，水力压裂可以使储层产生密集的裂缝网络，进而提高储层渗透率，使地层中的天然气更容易流入井筒[1]。
美国公司早在1970年就提出了在页岩层通过压裂产生的裂缝或穴使气体进入收集管道，从而拉开了页岩气关键技术专利申请的序幕，虽然我国在页岩气开采技术中的专利申请量仅次于美国，但页岩气开采中的水力压裂增产技术还未形成核心技术体系，核心技术中的关键设备以及零部件还未完全实现国产化供应。
1 水力压裂技术在页岩气开采中的技术分解页岩气储存在页岩之中，属于非常规天然气，主要有游离态与吸附态两种形式。
页岩具有孔隙度小，渗透率低的特点，其孔隙度往往只有3%～5%。
开发页岩气主要依赖增产与监测两类技术[2]。
这两类技术又包含多种适用于不同情况的具体技术，这些技术分类如图1-1 所示。
2 专利检索及分析工具本文通过在CNABS数据库、DWPI数据库中进行相关专利检索，以及在CNTXT数据库、SIPOABS数据库进行相应的查漏补缺，采用不同的检索方式以及各种算符命令有效确保“检准”和“检全” ，获取初步结果后将检索文献中的明显噪声进行去噪，最终筛选出页岩气开采技术相关专利530篇作为样本数据，利用S系统的统计命令以及Excel等工具进行统计分析。
3 水力压裂应用于页岩气开采专利分析3.1 专利申请趋势分析国际上于20世纪80年代开始研究水平井的压裂增产改造技术，在水力裂缝的起裂、延伸，水平井压后产量预测，水力裂缝条数和裂缝几何尺寸的优化，压裂液的配置，分段压裂施工工艺技术与井下分隔工具等方面取得了一定进展[3-4]。
浅析水力喷射压裂关键技术
Ｎｅ Ｗ Ｔ ｅ ｅ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｄｕ
Ｑ
： Ｑ ！ｉ 王
浅析 水 力喷 射压裂 关键 技术
王宗磊
（ 中国石 油长庆油田分公 司，陕 西 西安 ７ １ ０ ２ ０ １ ）
摘 要 ：本 文主 要探 讨 了水 力喷 射 压 裂这 一 关键技 术 在低 渗 透 油 田探 明储 量 中的应 用 ，重点 分析 了水 力喷射 压 裂 的关键 技术 。分析了压裂机理 ，工艺研 究进展 ，并简要 的介绍 了水力喷射压裂装置，以及在文章的最后简要论述 了技术特点。 关 键 词 ：水 力喷射 压 裂 ；机 理 ；研 究进 展 ；工 具和 装置 ；技 术特 点 中图 分类 号 ：Ｔ Ｅ ３ ５ ７ 文献 标识 码 ：Ａ 常规 的水平 井 压裂会 带来 很 多其他 严 重 的负面 影 响。水 力 喷射 压裂 思想 的首 次 提 出是 由ｓ ｕ Ｉ ｊ ａ ａ ｔ ｍ ａ ｄ ｊ ａ 在ｌ ９ ９ ８ 年提 出 的 ，该 方 法 能够 精准 的在 特 定位 置进 行裂 缝 的制 造 。而且 还 能够极 大 的缩 短作 业 时 间 ，减 少 作业 风 险 。 水 力喷 射压 裂机 理 通 过 能 量 守 恒 定 律 以 及 伯 努 利 （ Ｂ ｅ ｒ ｎ ｏ ｕ ｌ ｌ ｉ ）方程 可 知 ，携 砂 液通 过 喷射 工具和耐磨喷嘴 ，在这一过程 中油管中本 身 具有 的高压 能量 可 以被 转换 成 动能 ，岩 石 冲击 出孔就 是靠 被 转换 成 的动 能产 生 的
一
他 可 以在施 工 的特定 部位 产生 裂缝 。在工 程 压 裂 施 工 过 程 中存 在 着 高 压 差 水 力 喷 射 ，压力 能 够使 压裂 液 由工作 管泵 入 以及 通过 喷射 工 具进 入地 层 ，而作 用 于地层 ， 进 而可 以有 效 的完成 裂缝 的产 生 以及 裂缝 的扩展。水力喷射辅助压裂技术环空压力 的维 持 主要 是利 用从 环 空 中泵 人 的液体 ， 而补充液体的损失需要大部分环空流体 ， 使得仅剩余少部分的环空流体进入到了裂 缝当中。和常规压裂方式具有相似之处 ， 水力 喷 射辅 助压 裂工 艺 ，是将 前 置液 、压 裂液和冲洗液从上而下地注入油管 内进行 高速的携砂液流体 冲击力 ，同时在这种高 压裂 工作 。 （ 三 ）水力喷射环 空压裂技术 。水 速 冲击力的作用下，可以在射流孔道前端 破 碎 岩石 或是 将 岩石 制造 出微 裂缝 。这样 力喷射压裂技术中的压裂液通过喷嘴进行 就 降低 了地层 岩 石而 引起 的起 裂压 力 。 除 运行 ，强大的压力对喷嘴的使用寿命有严 此之外 ，射出的高速液流可以在喷射通道 重的影响。在进行压裂工作中使用 的工作 中聚 集 。能够 形 成一 定 的压力 ，起 到增 压 管柱直径有限，会导致总流量和体积的减 的作用。然后 。通过环空中泵人流体增加 少 ，进而一定程度上抑制 了压裂效果。水 环空压力 ，在喷射流体和环空压力叠加到 力喷射环空压裂技术对该压裂技术进行 了 能够超过破裂压力的瞬间，能够将射孔孔 改进 ，改为事先向油管中泵入流体完成二 眼顶 端处 地层 压破 ，达 到压裂 目的 。因为 力水力射孔的过程，保证压裂时油管内的 在 喷 嘴 出 口的液 流速 度最 大 。因此 可 以根 流 量维 持较 小 的值 ，减小 压力 ，同时其 油 据伯努利方程 ，我们可以计算出 ，一旦形 管柱 还 能够 起到 静管 柱 的作用 ，可 以有 效 成 了水 力 喷射 裂缝 ，其压 力就 是最 低 的 。 的对作业过程中射孔等进行实时的监控 。 保 障流体会被 自动泵入裂隙 ，避免其流入 使用该技术在保障足够流量的前提下 ，可 到其他 的地方 。与此同时，在压差 的作用 以有效的、或是适当的延长喷嘴的寿命 。 下 ，环空的流体也会被泵人到地层 ，能够 该技术的该井对小的产层段单独压裂或把 充 分 的扩 展裂 缝 ，得 到较 大 的裂缝 。水 动 长井 段 分为 较小 井段 进行 压裂 非 常适用 。 力 学原 理 在整 个 过程 中是 不可 缺少 的 ，帮 对设备 的保养 和更换 与其他设备有所不 助 在 不需 要其 他 的措施 进 行封 隔 的条件 下 同 ，主要 是 在对 油管 进行 清理 的过 程 中 ， 实 现水 力封 闭 。 其静 液压力 不 能超过 破裂 压力梯 度 。 二 、水 力喷 射压 裂工 艺研 究进展 三、水力喷射压裂装置分析 （ 一） 水力 喷 射酸 化压 裂技术 。该 技 （ 一 ）喷射工 具分 析 。水力 喷射压 力 术 通 常被 应用 于地 层 上 ，也就 是说 只适 用 工艺 中的主体是喷射工具 ，较为常用的有 于在地 层 上形 成小 口 ，该 技术 的缺 点是 形 两种 ，一是 固定 式 ；二是 可调 式 。对构 造 成 的增 产 液容 易过 早 地与 近井 地层 发 生反 而 言两 者 的不 同是 ，前者 的 主体框 架 的两 应 ，从 而 对裂 缝 的延 伸造 成影 响 。水力 喷 侧有 多个 喷 嘴 ，高压 流体 可 以通过 这些 喷 射 酸化 压 裂技 术将 压裂 、酸化 和挤 酸 等技 嘴 喷出 。另 外就 是 回流装 置这 一 喷射装 置 术 结合 在 一起 ，其 工作 原 理是 通过 工作 管 的关 键部 件 之一 ，在 回流 装置 装有 渗透 挡 柱 将增 产 液运 送 到井底 。并 利 用 喷射装 置 板 ，而其 下 部主要 是 圆球 装置 。 圆球 能够 给 予增 产 液较 大 的流速 ，同 时结合 其他 气 防止 流体 从底 部 流 出 ，回流装 置 的工作 原 体如ｃ Ｏ 来使喷射流体混合产生泡沫混合 理是水力喷射过程中，圆球停留在装置底 物 ，来 冲击 井 简 ，当压 力 足够 时则 会使 地 部 ，阻止 液体 流 出 。相反 的 ，当高 压 流体 层出现裂缝 。但是这种方式需要多种化学 不经 过工 作 油管 注入 井简 时 ，流体 可通 过 试剂，同时操作复杂。 此装 置 回流 出井 筒 。可调 式 喷射工 具 主要 （ 二 ）水力喷射辅助压裂技术 。水力 由射流工具、外壁面和内壁面组成 。设有 喷 射是 施工 过 程 中进行 压 裂 的主要 方式 ， 旋转 套筒 ，其 可 以沿 着射 流力喷射压裂技术在水平井中 的 应 用探 讨 Ⅱ 】 ． 中 国石 油 和化 工标 准 与质
页岩油气与煤层气开发的岩石力学与压裂关键技术
页岩油气与煤层气开发的岩石力学与压裂关键技术张金才;尹尚先【摘要】对于塑性较强的页岩与煤层,水力压裂仍然存在一定的技术挑战.介绍了解决这些难点的一些关键技术.原岩应力与孔隙压力控制着水力压裂裂缝扩展与压裂效果.深部孔隙介质岩层与浅部岩层的原岩应力和孔隙压力的特性差异较大.最大、最小水平主应力一个重要的但往往被忽略的特点是具有岩性依赖性,这一特点对岩层的压裂效果至关重要.水平主应力还高度地依赖于孔隙压力的变化,例如孔隙压力的超压造成最小水平主应力增加,而开采后储层的孔隙压力降低造成最小水平主应力减小.这直接影响到水力压裂裂缝的扩展层位与方向,因为最小水平主应力的减小会造成起裂压力大幅度地减小,特别是对于开采了一段时间后需要重新压裂的储层.分析了地层中3种原始应力状态与裂缝形成和扩展的关系,特别是对于强构造应力区如果采用常规压裂技术,水平井并不能显著增产,就此提出了强构造应力区水平井长射孔多层水平压裂方法.另外,页岩储层在油气赋存方面的不均一性,可能导致一些原预计高产的井完井后达不到预期的结果,就此分析了如何寻找高富集的油气区,即“甜点”,并介绍了一种提高煤层气压裂效果的间接煤层压裂新方法.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)008【总页数】9页(P1691-1699)【关键词】页岩油气;煤层气;原岩应力;异常孔隙压力;水力压裂;甜点;间接煤层压裂【作者】张金才;尹尚先【作者单位】华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室,北京101601;华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室,北京101601【正文语种】中文【中图分类】P618.11;P618.13随着对油气需求的急骤增加,页岩油气与煤层气的开采被提到了重要日程。
页岩油气与煤层气是生于烃原岩的油气未经迁移而储存于页岩或煤层的油或气。
由于其渗透率极低,传统的开采方法不能有效地开采,所以,属于非常规油气田。
一些页岩油气层的渗透率低到只有纳达西级,所以只有借助于水力压裂方法才能采出油气。
水力压力波动注入压裂增产工艺的力学原理
水力压力波动注入压裂增产工艺的力学原理仝少凯;高德利【摘要】为了提高水力压裂的改造增产效果,解决连续油管环空水力压裂作业中高泵压的难题,提出了一种新的水力压力波动注入压裂增产工艺.基于水力压裂原理,解释了水力压力波动注入条件下井筒压力系统变化规律;根据流体力学、弹性力学及波动力学理论,建立了水力压力波动注入压裂增产工艺的基础力学原理.分析结果表明,水力压力波动注入条件下,井筒内流动流体发生了能量转换,在井底附近产生了不稳定的压力波动,这种由于不稳定注入排量产生的不稳定的压力波动在储层裂缝内以压力波的形式传播;水力压力振动波沿缝长方向传播时并不是以恒定压力振幅传播,而是呈现压力振幅衰减的规律;水力裂缝的长度和宽度随着压裂泵工作转速的增大而增加.研究结果表明,水力压力波动注入压裂增产工艺可以提高水力压裂的改造效果和油气井的产量,建议将该工艺方法应用到现场水力压裂作业中.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】10页(P265-274)【关键词】压力波动;水力压裂;不稳定排量;水力压力振动波;力学原理【作者】仝少凯;高德利【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室;油气资源与工程国家重点实验室;中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室;油气资源与工程国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TE357.1水力压裂是油气藏储层改造、试油完井井下作业的一项重要措施，广泛应用于低渗透油气藏、页岩气藏储层改造中，已取得良好的增产效果。
其基本工作原理是利用地面压裂泵组将高浓度、黏性携砂流体以超过储层吸收能力的“稳定排量”注入井筒中，在井底憋起稳定高压力，若此稳定高压力大于井壁附近的地应力和储层岩石抗张强度时，在井底井壁附近储层产生裂缝；继续注入携砂流体，裂缝向前延伸并充填支撑剂，停泵关井后裂缝在闭合压力的作用下闭合在支撑剂上，从而在井底附近形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使油气井达到增产的目的。
关于页岩气开发水力压裂技术的综述
关于页岩气开发水力压裂技术的综述摘要：当前，在全世界具有含量丰富的页岩气，然而由于页岩地层具有较低的渗透率，因此还未得到全面开发。
在开发页岩气方面，应用较为广泛的技术即为水力压裂技术，可用于改造页岩储层。
本文主要介绍了几种页岩气开发水力压裂技术，并结合页岩气在国外的开发情况，及水力压裂技术在我国的使用情况，对几种压裂技术的适用特点进行了探讨，以供参考。
关键词：页岩气；水力压裂技术；清水压裂；重复压裂；同步压裂技术当前世界上蕴藏着较为丰富的页岩气资源，然而就其勘探和开发来说，仍未得到广泛研究，究其原因，则是因为页岩基质具有较低的渗透率，增大了勘探和开发的难度。
而页岩气井钻井的出现，也并未较好的改变这一现状。
提升页岩气产量的最主要原因，则是水平钻井技术及水力压裂技术的进步。
结合全世界页岩气工业发展情况来看，美国的发展时期最早，其发展速度和年产量也居世界首位。
相比于美国，中国在页岩气开发方面则处于最初的成长阶段，因此，中国可借鉴美国的页岩气开发技术。
本文重点介绍了页岩气开发水力压裂技术及其适用特点，并就其具体应用做了探讨，内容如下。
1.页岩气水力压裂技术及其适用特点1.1多级压裂技术多级压裂技可称为分段压裂技术，主要利用限流技术或者封堵球对储层不同层位进行分隔。
这种技术可依据储层特点，采取相应的施工方式，具有较为明确的目标和压裂效果。
多级压裂包含滑套封隔器分段压裂和可钻式桥塞分段压裂两种方式。
当前，美国在开发页岩气井时，采取的开采方式大都为水平井和多级压裂技术相结合的方式，具有较为明显的增产效果。
2006年，美国Newfield公司在开发一部分Woodford页岩井时，采取了5~7段式的分段压裂技术，最终总结出，相比于早年阶段的压裂水平井，增加压裂井段，有利于改善页岩气开采效果。
在当前的页岩水平井多段压裂中前沿中，多级滑套封隔器分段压裂是一种应用较多的完井方式，它可适用于水平井或者直井中，并在不使用桥塞分隔的情况下，对多个层段进行同时压裂。
页岩气水力压裂地面工程关键技术
页岩气水力压裂地面工程关键技术随着化石能源价格上涨和油气开发技术的不断进步，页岩气已成为非常规油气资源领域中的重要组成部分。
目前美国和加拿大是页岩气规模开发的两个主要国家，1821年，第一口页岩气井钻于美国东部，至今已经有180多年历史。
进入21世纪以来，以美国为代表的西万国家在页岩气开发领域走在世界前列，其成熟的水平井与水力压裂技术得以将页岩气商业化。
美国页岩气资源量超过28万亿立方米，2010年美国页岩气产量达到1380亿立万米，超过我国天然气产量。
页岩气藏在美国的成功开发依赖于水平井与水力压裂技术的应用。
页岩气藏因其储层物性差、孔隙度和渗透率极低，需要应用水力压裂技术才能经济开采。
2003年，随着水平井成为页岩气开发的主要完钻井万式，水力压裂开始成为页岩气水平井主要增产措施。
水力压裂是利用含有减阻剂、黏土稳定剂和必要的表面活性剂的水作为压裂液，这项技术可以在不减产的前提下节约30%的开发成本，在低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。
页岩气开发的地面工程围绕着水力压裂和气体储运而开展，其中水力压裂注入系统及压裂液的应用决定了页岩气开发的经济效益，是一项非常重要的开发环节。
水是页岩气开发压裂液中的必要组成部分，压裂过程中需要消耗大量的水量，随着人类对环保的日益重视，将返出液处理净化后可以进行循环利用已成为一种共识。
这方面避免了污染排放，另一方提高了页岩气的开发效益目前返出液的净化和利用已成为页岩气经济开发的一项关键技术。
一、页岩气水力压裂地面工程关键技术与装备由于页岩气藏岩性特别致密，对作业井的压裂特征参数不清楚，试验潜在风险高、难度大，加上页岩气藏压裂作业井规模大、排量高，需要动用的设备也多，在工艺设计、地面配套等方面需要进行针对性的分析。
与常规油气的水力压裂相比，页岩气藏压裂作业属于高排量(>10m³min)、超大规模(>2000m³)，因此对于注入设备选型提出很高要求。
页岩气储层水力裂缝转向扩展机制
页岩气储层水力裂缝转向扩展机制
陈勉
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(037)005
【摘要】从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸.分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算.结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄；压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大；水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向；水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄；裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小；水力裂缝转向能扩展为2～3种裂缝模式的复合.
【总页数】7页(P88-94)
【作者】陈勉
【作者单位】中国石油大学石油工程学院,北京102249
【正文语种】中文
【中图分类】TE357
【相关文献】
1.斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型研究 [J], 张广清;陈勉;王强
2.页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律 [J], 夏彬伟;杨冲;卢义玉;宋晨鹏
3.页岩暂堵转向压裂水力裂缝扩展物模试验研究 [J], 侯冰;木哈达斯·叶尔甫拉提;付卫能;谭鹏
4.非均匀应力场作用下水力裂缝扩展特征数值模拟研究 [J], 侯林;伊向艺;王园园;陈一民;张婷婷
5.考虑页岩弱层理的水力裂缝扩展路径三维数值模拟 [J], 周文高;王素兵;杨焕强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响
页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响孙可明张树翠辛利伟辽宁工程技术大学力学与工程学院孙可明等.页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响.天然气工业,2016,36(2): - .摘 要 页岩气储层具有不同于常规储层的层理结构，使其水力压裂规律也与常规水力压裂有所不同。
为研究天然层理方向对水力压裂过程中裂纹扩展的影响，利用三轴水力压裂实验系统进行了页岩水力压裂实验，并基于扩展有限元开发了水力压裂起裂判据，建立了三维页岩气储层水力压裂计算模型，研究了层理方向对页岩储层水力压裂裂纹扩展的影响。
结果表明：页岩气储层水力压裂裂纹扩展规律由原地应力状态和层理面结构及强度共同决定，层理方向是水力压裂裂纹扩展方向的主控因素，若压裂后层理面法向拉应力先达到层理面抗拉强度，则裂纹沿层理方向扩展；反之，裂纹垂直最小地应力方向扩展。
裂纹沿层理面扩展时，层理法向与最小地应力方向夹角增加，起裂和扩展压力增大，裂纹面积减小。
裂纹整体呈椭球非平面扩展，随着压裂液的注入，裂纹面积增加，地层总滤失率增加，裂纹扩展速度减小。
压裂实验与模型计算所得的压裂裂纹扩展规律相吻合，从而验证了页岩气储层水力压裂模型的有效性。
关键词 页岩气水力压裂实验室试验层理方向损伤起裂裂纹滤失扩展有限元DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.006Impacts of bedding directions of shale gas reservoirs on hydraulically induced crackpropagationSun Keming, Zhang Shucui, Xin Liwei(School of Mechanics & Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China)Abstract: Shale gas reservoirs are different from conventional ones in terms of their bedding architectures, so their hydraulic fracturing rules are somewhat different. In this paper, shale hydraulic fracturing tests were carried out by using the triaxial hydraulic fracturing test system to identify the effects of natural bedding directions on the crack propagation in the process of hydraulic fracturing. Then, the fracture initiation criterion of hydraulic fracturing was prepared using the extended finite element method, on this basis, a 3D hydraulic fracturing computation model was established for shale gas reservoirs. And finally, a series of studies were performed about the effects of bedding directions on the crack propagation created by hydraulic fracturing in shale reservoirs. It is shown that the propagation rules of hydraulically induced cracks in shale gas reservoirs are jointly controlled by the in-situ stress and the bedding plane architecture and strength, with the bedding direction as the main factor controlling the crack propagation directions. If the normal tensile stress of bedding surface reaches its tensile strength after the fracturing, cracks will propagate along the bedding direction, and otherwise vertical to the minimum in-situ stress direction. With the propagating of cracks along bedding surfaces, the included angle between the bedding normal direction and the minimum in-situ stress direction increases, the fracture initiation and propagation pressures increase and the crack ar-eas decrease. Generally, cracks propagate in the form of nonplane ellipsoids. With the injection of fracturing fluids, crack areas and total formation filtration increase and crack propagation velocity decreases. The test results agree well with the calculated crack propagation rules, which demonstrate the validity of the above-mentioned model.Keywords: Shale gas; Hydraulic fracturing; Laboratory test; Bedding direction; Damage; Fracture initiation; Crack; Filtration; Extended finite element method基金项目：国家自然科学基金资助项目“超临界二氧化碳多脉冲气爆低渗透煤层抽采瓦斯增产机理研究”（编号:51574137）。
深层页岩缝网压裂关键力学理论研究进展
摘要:随着埋藏深度的增加，构造复杂程度、地层温度和压力增加，地层闭合压力、地应力差、杨氏模量和抗压强度等力学参数也都有不同程度的增大，水平井分段多簇压裂技术在深层页岩气勘探开发中遭遇重大挑战，面临着以下亟待解决的问题：①深层高应力下页岩脆性与可压性评价；②高应力、工作液扰动和各向异性条件下多簇裂缝起裂与扩展；③缝网裂缝中支撑剂输送与铺置；④高应力水化条件下裂缝网络的长效支撑；⑤页岩多组分微观结构的力学作用机理。
为了给深层页岩气储层压裂形成有效的裂缝改造体积提供理论支撑，基于页岩脆性与可压性评价、多裂缝网络竞争起裂扩展、裂缝网络中支撑剂输送、高应力下裂缝网络的支撑和水岩作用机理等深层页岩压裂关键力学理论，系统分析和阐述了相关理论的研究进展和发展趋势，进而指出了深层页岩气储层压裂关键力学理论的发展方向：①高温高应力下流固耦合的页岩脆性模型和可压裂性评价模型；②高温高应力水岩作用下页岩的本构方程和各向异性页岩破裂压力预测模型；③支撑剂输送下的三维裂缝网络扩展模拟；④裂缝网络中支撑剂转向输送机制和粗糙弯曲裂缝网络中支撑剂输送模拟；⑤缝网中各级裂缝导流能力综合优化；⑥页岩软化机制和水化微裂缝起裂扩展机理。
结论认为，该研究成果对于推动和促进深层页岩气储层相关压裂理论的发展和压裂技术的进步具有借鉴和参考作用。
关键词: 深层页岩气；储集层；脆性；可压裂性；裂缝扩展；支撑剂输送；支撑机理；水化0引言页岩气储层埋深介于3 500 ～4 500 m 的被界定为深层页岩气[1-3]，借鉴四川盆地3 500 m 以浅页岩气规模效益开发的成功经验，深层页岩气效益开发已经取得了初步的技术进展，目前主要形成了密切割分段压裂[2]、大孔径等孔径射孔[4]、变黏度压裂液多级交替注入[5]、大排量低黏滑溜水加砂[6]、大规模高强度小粒径组合支撑剂和暂堵转向改造[7]等工艺技术，其主要目的是增加深层页岩储层裂缝的复杂程度、维持高闭合压力下的支撑裂缝导流能力。
页岩储层水力压裂裂缝相互作用分析研究
页岩储层水力压裂裂缝相互作用分析研究赵超能【摘要】水平井分段压裂是对页岩进行储层改造和增产的一项工艺技术,在进行体积压裂过程中,裂缝尖端产生应力集中,并且人工裂缝之间也会因为应力干扰而产生相互作用,对于延长陆相页岩储层,结合线弹性断裂力学理论,运用有限元方法对裂缝之间的相互作用进行了研究,结果表明:裂缝扩展以张开型为主,裂缝之间存在应力干扰作用,进行单井压裂时,裂缝会相互排斥,随着间距的增加,排斥作用降低,为页岩储层压裂改造提供参考和依据.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2017(036)001【总页数】5页(P28-32)【关键词】泥岩;水力压裂;裂缝;相互作用【作者】赵超能【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】TE357.11近年来，北美地区页岩气开发取得巨大成功，使美国已经成为世界第一大天然气生产国。
相关预测表明，未来数十年，页岩气资源将在能源结构中发挥重要作用[1]。
页岩储层的渗透率极低，对低渗透页岩储层进行体积压裂改造（SRV），从而形成复杂缝网是实现页岩储层经济开发的关键[2]。
Fisher等[3]认为水力裂缝以及相互连接的天然裂缝，能够大幅度地增加井筒与储层的接触面积。
马兵等[4]根据线弹性断裂力学理论，运用边界元计算理论研究了单条水力缝与单条天然裂缝的相互作用。
Zhou等[5]运用不连续位移法，提出评价因子“H”，研究了评价因子对人工裂缝相互作用的影响。
刘顺等[6]基于物质守恒原理，建立了水力裂缝与天然裂缝正交时的计算模型。
国外一些学者Blanton、Warrinski等针对裂缝相互作用-特别对水力裂缝与天然裂缝进行了试验研究[7，8]。
本文基于断裂力学理论，结合延长陆相页岩储层物性参数，运用有限元软件研究水力裂缝相互作用。
鄂尔多斯盆地（Ordos Basin），又称陕甘宁盆地，地处华北地区西部，是华北板块中发育的一个大型的中生代内陆、多旋回、叠合型沉积盆地，是我国继塔里木盆地之后的第二大含油气沉积盆地。
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2016年第61卷第1期：72~81引用格式: 庄茁, 柳占立, 王涛, 等.页岩水力压裂的关键力学问题.科学通报, 2016, 61: 72–81Zhuang Z, Liu Z L, Wang T, et al. The key mechanical problems on hydraulic fracture in shale (in Chinese). Chin Sci Bull, 2016, 61: 72–81, doi:10.1360/N972015-00347© 2015《中国科学》杂志社 《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS 第517次学术讨论会•页岩气开发中的工程科学问题页岩水力压裂的关键力学问题庄茁①*, 柳占立①, 王涛①, 高岳①, 王永辉②, 付海峰②①清华大学航天航空学院, 北京 100084;②中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院, 廊坊 065007*联系人, E-mail: zhuangz@2015-07-14收稿, 2015-08-30修回, 2015-08-31接受, 2015-10-16网络版发表国家自然科学基金(11372157)和教育部博士点专项研究基金(20120002110075)资助摘要页岩气的开采成为我国绿色能源开发的新领域. 尽管北美页岩气革命取得了成功, 水力压裂是成功的开采方式, 目前采收率仅为5%~15%, 问题出在哪里呢? 由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇. 本文针对页岩水力压裂的关键力学问题, 阐述理论、计算和实验的研究进展和技术难点, 主要内容有: 页岩人工裂缝扩展的大型物理实验模拟平台; 考虑时间相关性的各向异性本构模型; 页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法; 裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型; 耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展数值模拟方法.关键词页岩, 水力压裂, 力学问题1 “页岩气革命”风吹中国页岩气是指以吸附和游离、时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气. 美国和加拿大是页岩气进行规模开发的主要国家, 页岩气年产量约占天然气(干气)产量的1/4. 2013年, 美国能源部能源信息管理局预测中国的页岩气储量排名世界第一, 占比全球储量的36%, 是美国的1.5倍, 达到1115×1012m3[1]. 北美页岩气的商业化开采给世界各国的能源结构调整带来巨大影响, 加快页岩气资源勘探与开发已成为页岩气资源大国的共同目标, 特别是在我国不合理的能源消费结构背景下, 页岩气开采将成为绿色能源开发的新领域, 从而成为缓解原油产量不足, 降低减少煤化石燃料环境污染的有效途径.页岩油气规模开发主要依靠水平井和水力压裂改造两项关键技术, 目标是增加储层宏观渗透率. 页岩基质中气体的微流动(吸附、解吸、扩散与渗流)是影响产气量的决定因素, 这也是页岩气不同于常规天然气藏的主要区别. 北美“页岩气革命”取得了成功, 但是根据美国页岩油气田的产量数据表明, 目前采收率仅为5%~15%. 尽管水力压裂是成功的开采方式, 仍不足以开采出大部分的油气, 地下几千米, 看也看不见, 问题出在哪里呢? 由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇.美国科学院院士、西北大学的Bažant等人[2]认为在水力压裂裂缝扩展过程中, 局部裂缝失去扩展稳定性是主要原因之一. 从现有页岩气开采技术层面看, 我国页岩气开采同样面临更多的技术和方法的选择与挑战. 我国的页岩地质条件与美国相比更加复杂, 这是因为美国页岩储层主要是海相沉积, 而我国有极其发育的陆相沉积; 美国页岩气产区主要分布在比较稳定的大地构造岩层内, 页岩气埋藏深度平均在1500 m; 而我国众多的页岩层都经历了强烈的后期改造. 以四川和塔里木盆地为例, 其页岩气埋藏深度在3000~6000 m, 且地表环境较差, 多山区或沙漠, 经历地震重构、严重缺水和道路崎岖, 因此, 施工成本和开发难度极高. 人们自然要问: 我国的采收率能够达到多少呢?我国大规模开发的页岩气示范区包括中石油的威远和长宁区块以及中石化的涪陵区块, 这3个区块的传统评价指标(地层孔隙压力、脆性指数和地应力等)都较为相似, 但是产量差异较大. 在长宁区块的钻井过程中发生了严重的井壁失稳, 长宁和威远区块在压裂过程中发生了很多套管变形事故, 直接导致水平段缩短, 体积改造规模降低. 页岩储层的储气方式以自由气和吸附气为主, 由于页岩储层具有超低渗透率(通常在纳达西的量级), 基质渗透率过小, 渗流阻力过大. 这种低孔、低渗透率的物性特征(孔隙度一般在4%~6%, 渗透率小于0.001 mD), 导致油气溢出阻力比常规天然油气大, 基本无自然产能, 因此流体的渗透通道主要是裂缝网络系统. 对页岩储层进行大规模压裂改造是形成页岩油气工业产能的主要技术手段.水力压裂从1985年开始广泛用于页岩储层增产作业中, 多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩油气水力压裂常用技术, 已经应用并取得了成功. 在水力压裂过程中, 通过高压压裂液的注入, 使储层产生新的裂缝, 连通原有的天然裂缝, 进而形成复杂的裂缝网络. 页岩油气储层人工裂缝与天然裂缝、以及天然裂缝相互之间的连通性对于储层产能有着重大影响, 只有相互连通的有效裂缝网络对产量才有贡献. 因此对页岩储层进行压裂改造形成缝网系统是提高页岩气工业产能的主要技术手段.页岩动态裂缝扩展是涉及到固体断裂、液体流动、气体扩散等多个物理过程的耦合问题, 是发展断裂力学理论和数值计算方法应用于工程的最佳选题. 在水力压裂改造的过程中, 使储层产生新的裂缝, 相互连通和分叉扩展的稳定裂缝网络系统才能提高产能. 已有研究表明中国页岩储层断裂具有许多新的特性: (1) 页岩储层为层叠沉积岩, 每一叠层属性各不相同, 具有明显的各向异性; (2) 某些区块水平面内弹性模量和渗透系数与竖直方向有很大差别, 是典型的横观各向同性材料; (3) 受层间界面阻碍, 裂缝很难沿竖直方向扩展, 造成油气沿竖直方向渗透困难; (4) 由于叠层间粘接弱面或节理的存在, 页岩断裂后具有复杂的几何形态, 大量裂缝分支的存在给压裂液的设计及对裂缝网渗透性及连通性的评估带来了困难. 为了设计针对页岩断裂特点的压裂技术, 必须研究页岩断裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理.本文针对我国页岩油气高效开发中的水力压裂问题, 结合大型物理模型实验和现场数据, 阐述了发展断裂力学理论与数值模拟方法和程序、应用水力压裂对页岩进行体积改造和控制缝网的研究进展和关键技术. 主要内容有: 页岩裂缝扩展的大型物理模拟实验平台和方法; 考虑时间相关性的各向异性Biot本构模型; 页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法; 裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型; 耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展模拟方法.2 页岩裂缝扩展的大型物理模拟实验平台和方法随着页岩气、煤层气、致密气等非常规天然气藏大规模开发, 大型水力压裂物理模拟(大物模)实验在认识复杂裂缝起裂扩展机理、模拟现场压裂工艺方面发挥了重要作用. 20世纪80年代, 国外开始水力压裂物理模拟方面的研究[3,4], 从90年代至今, 我国学者陈勉等人[5]和姚飞等人[6]利用小规模物模实验也开展了相关研究. 2012年, 中石油勘探开发研究院廊坊分院在国内建立了目前国际领先、亚洲唯一的1.0 m3大物模实验系统, 岩样的标准尺寸为762 mm×762mm×914 mm, 加载最大应力可达69 MPa, 如图1所示. 然而, 如何对水力压裂裂缝实时扩展动态进行准确监测, 不仅是大物模实验也是现场压裂施工过程中亟需解决的难题. 目前, 水力压裂实验中采用的声波监测裂缝扩展技术主要分为主动和被动声波两类[7]. 2001年, 荷兰学者de Pater等人[8]开发了主动声波监测技术, 该技术只能进行二维平面定位, 对于转向裂缝或扭曲裂缝定位还存在误差. 目前应用最广泛的监测技术是被动声波监测技术, 在小型岩心板压裂实验中, 取得较好监测效果[9], 但尚未见到在大尺寸岩样上应用的报道. 本文作者王永辉和付海峰利用大物模实验, 研究了声波监测水力裂缝起裂及扩展形态. 图2为清华大学黄克智院士参加实验时观察页岩裂缝, 压裂液的路径代表了裂缝缝隙, 展现了岩石解理面位置. 声波监测模型采用单一速度场, 为了弥补速度模型的缺陷. 2013年, 付海峰等人[9]通过主动声发732016年1月 第61卷 第1期74图1 (网络版彩色)页岩压裂大型实验装置Figure 1 (Color online) A large 3D shale sample on fracking experiment图2 (网络版彩色)黄克智院士在实验现场观察页岩裂缝Figure 2 (Color online) Prof. KC Hwang was observing shale fracture on-site射对传感器坐标点的定位进行速度场校核, 最大限度地降低声波速度误差; 同时, 为了降低声波在大尺度岩样内衰减带来的误差, 尽可能增加声波监测通道的数量, 采用24路声波监测通道实时监测. 因此, 改进大物模实验系统和实时监测等技术, 有助于推进页岩动态裂缝控制机理的研究.在已建立的大物模实验平台基础上, 研究人员进行了页岩和砂岩的断裂力学性能和压裂参数的研究, 评估材料本构、围压、水压等对裂缝扩展影响的规律. 利用主/被动声发射结合监测技术, 对页岩内声发射事件进行实时监测和定位. 研究的目的是揭示裂缝扩展规律, 并为标定岩石模型参数提供技术手段, 为理论模型和数值模拟程序的计算结果提供实验验证.3 页岩本构模型和裂缝扩展准则页岩是多孔、各向异性且含有复杂天然裂缝、节理等弱面的非均质材料, 建立合适的页岩本构模型及其起裂、分叉准则是进行裂缝扩展数值模拟的基础. 现有理论和数值软件中多把页岩简化成无孔、各向同性材料处理. 而在开采页岩气时, 由于气体压力分布发生变化, 影响页岩储层基体的应力分布, 因此, 当研究页岩储层的力学特性时, 不能忽略页岩孔隙气体压力变化的影响. 早在1925年, Terzaghi 等人[10]开始研究多孔介质的变形与流体流动的耦合作用, 提出了将岩石中的应力与孔隙压力求和的等效应力公式, 并建立了一维固结模型. 1941年, Biot [11,12]将固结模型推广到三维空间, 提出了相应的本构模型, 首次在岩土本构中引入达西定律, 考虑了多孔介质孔隙气体压力与介质变形互相影响, 从此Biot 本构便成为研究岩土的常用本构. 1993年, Detournay 和Cheng [13]从等效应力本构出发, 基于弹性力学系统推导了多孔介质流固耦合的理论基础, 并给出了几种问题的解析解, 近年来, Garagash 等人[14]又基于Biot 本构导出了在压裂液黏性和岩石断裂韧性主导下的裂尖应力场奇异性, 对理解页岩起裂具有重要意义. 2008年, Zhang 等人[15]在Biot 本构模型中增加了考虑解吸附过程引起的体积应变, 即公式(1)右侧的最后一项, 这目前被认为是诠释页岩水力压裂和气体开采过程的最合理的修正的Biot 本构模型:1111,26933s ij ij kk ij ij ij p S G G K K εαεσσδδδ⎛⎫=--++ ⎪⎝⎭(1) 注意, 笔者在这里增加了时间开关项S 1(在压裂过程, S 1=0; 在解吸附过程, S 1=1). 其原因是解吸附发生在水力压裂之后, 相比以小时和天计量的短时间压裂过程, 气体释放体积膨胀是以月和年计量的长时间过程.目前, 大多数石油公司的程序中采用的是线弹性本构模型, 少数商用软件采用各向同性的Biot 本构. 然而, 页岩是各向异性的, 造成岩石的抗拉强度也具有各向异性特征, 对裂缝扩展产生重要影响, 裂缝扩展指向最大压应力方向; 再者, 在水力压裂过程中的孔隙流动出现了扩散方程, 带来了材料的时间效应, 其本构是随时间变化的. 水力压裂的过程, 时间长短是相对的, 水压加的越慢, 保压时间越长, 越容易压裂. 解决这两个关键问题, 需要修正现有的Biot 本构模型, 即发展考虑时间相关性、各向异性, 页岩孔隙压力、解吸附体积膨胀的修正的Biot 本构模型, 以其替代现有的广义虎克定律模型, 改进现有的岩石强度准则, 并利用修正的Biot 本构进行井眼强度校核, 给出井眼安全条件.75合适的本构模型在研究页岩裂缝网形成机制中至关重要. 需要同时基于应力和能量释放率准则研究多裂缝相互作用规律, 考虑裂缝间摩擦力、地应力状态、压裂裂缝和天然裂缝相互作用等各种因素对裂缝扩展路径的影响, 诠释复杂裂缝网的形成机理. 当水压裂缝与天然裂缝、断层等弱面相遇时会出现多种情况, 如: (1) 压裂裂缝和天然裂缝同时扩展; (2) 压裂裂缝终止, 天然裂缝扩展, 如图3(a)所示; (3) 压裂裂缝穿过天然裂纹扩展, 天然裂缝保持静止, 如图3(b)所示, 其中水力压裂的扩展路径选择对复杂裂缝网的形成非常重要.国内外学者对穿越界面的裂纹扩展问题进行了研究[16,17], 但至今尚无广泛接受的准则. Renshaw 和Pollard [18]对水压裂缝垂直相遇天然裂缝时给出一个简单的准则: 当水压裂缝尖端应力场能满足在天然裂缝另一侧形成新的裂缝, 而同时又不使天然裂缝面发生滑动的条件时, 则认为水压裂缝能够穿过天然裂缝扩展, 此准则依赖于天然裂缝面的摩擦系数. 很显然, 界面裂缝穿越问题是涉及相遇裂缝夹角, 界面黏结和摩擦等多个因素的复杂过程, 仅考虑裂尖应力场是不够的, 必须结合裂尖应力幅值和能量释放率才可能建立比较合理的裂缝相互作用准则. 因此, 需要建立考虑岩石脆度、地层压力、地应力的页岩裂缝的起裂、扩展、止裂和分叉准则, 以断裂力学理论为基础研究含流体压力的裂缝尖端应力场特性, 建立流体压力驱动裂缝扩展的能量释放率公式.4 页岩水力压裂缝网的数值模拟大物模实验研究能够获得重要的页岩裂缝扩展数据, 如岩石本构参数、三向应力与水力致裂的关系、裂纹扩展形貌, 但实验成本昂贵, 一次实验动辄几十万元, 需耗费大量的人力、物力; 另外, 再大的物模也是从页岩露头样品采集的, 不能完全表现地下几千米的地层形态和状态, 只能对理论模型和数值模拟技术给予参数标定和方法验证. 近年来随着数值模拟技术的发展, 水力压裂的数值模拟已成为研究压裂过程的有效手段, 对理解页岩复杂裂缝网形成机理、指导改进压裂技术具有重要意义.国内外对岩体压裂裂缝扩展的数值模拟主要有以下几种典型方法: 基于边界元的位移间断方法(DDM)[19], 当裂纹扩展时需要重新剖分网格, 以求解裂纹面处位移间断在岩体内部产生的变形场; 基于有限元和非连续变形分析的流行元方法(NMM)[20], 该方法很容易处理岩体内断层、节理、裂纹等不连续面, 但扩展到三维有一定困难; 基于解析或半解析裂缝模型的离散裂缝网方法(DFN)[21], 该方法求解效率高, 在商业软件中广泛采用, 但其基于简单的平面裂缝模型, 难以考虑天然裂纹、材料各向异性、孔隙压力等对裂缝网形貌的影响. 这些方法目前在岩体压裂裂缝扩展研究中都已经得到有效应用, 取得了丰硕的成果. 具体介绍如下: 1980年, Hagoort 等人[22]建立了水力压裂过程中裂缝扩展的数学几何模型, 模拟水压致裂过程, 认为压裂液的注入率和地层的孔隙率对裂纹扩展有非常大的影响. 1992年, Abass 等人[23]基于最大拉应力准则和拉格朗日极值法建立了井筒附近的裂缝空间的转向模型, 分析井筒内的压裂液的压力和三向地应力共同作用下裂缝的起裂和扩展. 2011年, Zhang 和Ghassemi [24]利用二维模型模拟裂缝的萌生和扩展,发展了一个无量纲参数来表征由压裂液黏性引起的水力压裂裂尖的重定位和弯曲转向.图3 (网络版彩色)水压裂缝与天然裂缝相互作用情况. (a) 压裂裂缝终止, 天然裂缝扩展; (b) 压裂裂缝穿过天然裂纹扩展, 天然裂缝保持静止 Figure 3 (Color online) Interaction between hydraulic fracture and natural fracture. (a) Hydraulic fracture arrest, natural fracture growth; (b) hydrau-lic fracture penetrates natural fracture and the later keeps arrest2016年1月 第61卷 第1期762013年, Erfan 和Dmitry [25]采用PKN 模型来模拟裂缝的几何形态, 并考虑了岩石的可渗透性, 模拟了低黏度压裂液作用下的水力压裂过程. PKN 和KGD 是两类经典的水力压裂计算模型, 如图4所示: 图4(a)中PKN 模型假设裂纹在竖直方向的截面互相独立, 裂纹长度远大于高度, 将椭圆裂纹的张开关系代入润滑方程, 考虑流体流动和压力梯度, 不考虑裂尖效应. 图4(b)中KGD 模型假设裂纹在水平方向的截面互相独立, 裂纹高度远大于长度, 考虑裂尖的效应. 两种模型均将3D 问题转化为2D 平面应变问题. 2013年, Damjanac 等人[26]考虑了三维压裂模型, 并通过DFN 引入天然裂缝, 研究更加真实的压裂过程. Weng 等人[27]和Zhang 等人[28]基于DFN 模型提出了非常规裂缝扩展模型(UFM), 该模型能够模拟天然裂缝和人工裂缝之间的相互作用, 建立了裂缝端部扩展准则, 考虑了压裂液的一维流动、支撑剂的输送和裂缝宽度的弹性变形.国内的岩石压裂数值模拟处在起步阶段, 尚没有形成有影响力的指导水力压裂工程的软件. 主要研究进展有: 1997年, 王水林和葛修润[29]使用流形元方法模拟了岩石中的裂纹扩展, 针对两个算例的分析展示了流形元方法的有效性. 1999年, 肖洪天等人[30]使用裂纹奇异单元, 建立了用于裂纹流变扩展的力学模型, 数值分析了主裂纹与微裂纹相互作用的过程, 得到了裂纹流变扩展的细观力学机理. 2002年, 蒋廷学等人[31]使用有限元及时间差分的方法,分析了水力压裂井在一些复杂情况下的动态响应, 建立了统一的油藏-裂缝系统渗流模型. 2007年, 焦玉勇等人[32]使用非连续变形方法模拟岩石中裂缝扩展; 其将裂缝边界模拟为虚拟节理边界, 并模拟了裂缝萌生、扩展、贯通直至破碎的全过程. 2011年, 孙海成等人[33]使用DFN 数值方法模拟了页岩气储层的基质渗透率、裂缝连通性、裂缝密度(改造体积)、页岩气储层主裂缝与次裂缝对产量的影响, 指出只有相互连通的有效裂缝对页岩气产出有贡献, 并分析了页岩气压后产量递减的规律. 这些方法在岩体压裂数值模拟方面都已经得到有效应用, 但如前所述在处理页岩复杂断裂上均有一定的局限性.1999年, Belytschko 等人[34]提出了一种新的计算方法——扩展有限单元法(XFEM), 在传统有限元的基础上进行了重要的改进, 无需重划网格即可实现裂纹在规则网格中的任意扩展. 近十几年来, XFEM 被不断发展, 逐渐成为了一种处理非连续场、局部变形和断裂等复杂力学问题的功能强大、极具应用前景的新方法, 在岩土工程领域得到了广泛应用. 2011年, Pan 等人[35]将XFEM 和流体模拟软件TOUGH 结合, 实现了固体变形和裂缝内流体流动的耦合分析. 2012年, Watanabe在XFEM框架下发展了界面单元来表示岩石中如节理、天然裂缝等已经存在的不连续弱面, 该方法可以模拟多个交叉的裂缝, 但目前只能处理二维问题, 并且不能模拟非连续面的扩展. 2013年, Chen [36]在把压力自由度引入到XFEM 单元中模拟水图4 两类经典的水力压裂计算模型. (a) PKN 模型; (b) KGD 模型Figure 4 Two kinds of classic hydraulic fracture computation models. (a) PKN model; (b) KGD model力压裂, 既利用了XFEM模拟任意裂缝扩展的优点, 又引入了压力自由度模拟裂缝中的压裂液, 实现了二者的耦合, 但目前只研究了单裂纹扩展问题. 本课题组近年来基于扩展有限元发展了二维、三维实体、壳的断裂模拟方法[37,38], 成功研究了各种复杂断裂问题, 例如数值模拟了曲面壳体上裂纹任意扩展路径[39], 通过发展新的水平集理论模拟了在体积压裂过程中的人工裂缝与天然裂缝的复杂相互作用. 图5模拟了在中心水管的水力压裂下形成缝网; 图6所示平面裂缝的动态分叉扩展的有限元计算结果, 其裂缝分叉速度约为70%的瑞利波速[40]. 基于上述研究成果, 出版了国内第1本扩展有限元专著《扩展有限单元法》[41]; 并于2014年出版了国际上第2本扩展有限元专著Extended Finite Element Method[42]. 扩展有限元方法在研究页岩复杂裂纹扩展上有很大优势, 具有广阔的应用前景.目前国际上水力压裂数值模拟形成了一些软件体系, 从整体区块的压裂设计, 到单井压裂设计和实时监测分析等方面, 都有相应的软件, 代表性的主要有FracpropPT, Meyer, TerraFrac, E-StimPlan等, 这些软件的开发和使用大大促进了水力压裂技术的发展. 但是由于这些软件大多采用非常简化的裂缝模型, 难以应对页岩中复杂的缝网系统. 如FracpropPT, E-StimPlan等软件, 认为储层是各向同性的均匀材料, 采用解析或半解析的裂缝模型, 把裂缝简化成对称平面裂纹, 忽略了裂缝复杂的几何形态及多个裂缝之间的相互作用. Meyer公司基于离散裂缝网(DFN)模型专门开发了用于模拟页岩压裂的模块MShale, 该模块为准三维模型, 构造复杂裂缝网时假设缝网为两组正交的平行裂缝面组成, 且平行裂缝面间距相等, 不能考虑天然裂缝、材料各向异性、孔隙压力等对裂缝网形貌的影响; 另一方面该模块还假设裂缝网区域为以射孔为中心的椭球区域. 这些假设都与微地震观测到的数据有较大差距. 其他商用有限元软件也在大力发展页岩压裂功能, 如ABAQUS基于XFEM的程序可以模拟平面裂缝在三维实体中扩展, 但是目前的裂缝扩展功能比较简单, 没有应用考虑孔隙压力的Biot本构, 尚未能够模拟裂缝交汇、分叉和缝网等问题.即便是国外公司如此简单力学模型的软件, 仍然能够应用于中国页岩气的开发设计, 如斯伦贝谢、阿里伯顿等公司大举进军中国的页岩气工程,且要图5(网络版彩色)页岩水力致裂形成缝网的数值模拟结果Figure 5(Color online) Simulation result of hydraulic fracture network图6(网络版彩色)平面裂纹的动态分叉扩展Figure 6(Color online) Dynamic crack branching价昂贵, 可见我们是多么亟需开发具有自主知识产权的中国页岩气开发设计软件. 针对页岩压裂的复杂特点, 在页岩压裂领域需要发展符合真实物理状况的水平井爆孔设计和水力压裂设计模拟工具. 发展水力压裂工程软件需要坚实的研究基础, 特别是基于断裂力学的数值模拟方法.77。