煤储层水力压裂裂缝展布特征数值模拟

本文首先综述了水力压裂技术的发展历程和现状及其造缝机理,介绍了水力压裂数值模拟模型从二维到拟三维和三维的发展阶段,以及各种模型各自的适用范围、假设条件和优缺点。沁水盆地南部是本次研究的目标区,经过一系列有限元数值模拟,研究了不同地质条件下煤储层水力压裂裂缝的起裂、扩展及延伸规律,探讨了煤储层岩石力学性质、地应力场状态等地质因素和压裂液粘度、泵排量等现场施工因素对压裂裂缝发育的控制作用,初步建立了适合沁水盆地南部煤储层特点和地质条件的压裂裂缝发育模型。 简要概括了多孔介质的基本理论和断裂力学的基本理论,介绍了孔隙度、饱和度、有效应力、应力强度因子、能量释放率、J积分等基本概念。介绍了断裂力学中关于Ⅰ型裂纹和混合裂纹扩展的几种判定准则,包括Ⅰ型裂纹扩展的应力强度因子准则和能量释放率准则和混合裂纹扩展的最大张应力准则和能量释放率准则。 在一些假设条件的基础上,利用大型有限元软件ANSYS进行了煤储层水力压裂裂缝展布数值模拟,利用软件中自带的Cohesive Zone Model材料模型建立地质模型,模型中的各种参数分别取自煤岩样品的力学实验和文献调研。根据牛顿流体在二维平板间的流动模型推导出了压裂液在裂缝面上的压降方程,利用ANSYS自带的语言编写了命令流,实现了程序的自动运行。CZM是利用接触单元建立起来的一种界面模型,其界面分离有以下三种模式:(1)界面的法向分离;(2)界面的切向分离;(3)法向和切向分离共存的混合模式,选择不同的模式需要输入不同的材料常数。软件为CZM材料提供了两种起裂准则,一是上下界面的法向分离位移,二是界面法向的最大张应力准则。 通过模拟得出了一些比较令人满意的结论。主要有:在模型参数给定的条件下,地层破裂压力为13.9MPa。在射孔尖端的前缘,随着离开尖端的距离逐渐增大,张应力的分量逐渐减小,在一定距离后张应力完全消失,地层应力变为压应力。最大缝长的变化与注入压力的大小成正比,与x方向和y方向的弹性模量、压裂液粘度和最小水平地应力成反比,与最大水平地应力的大小无关;最大缝宽的变化与注入压力和压裂液粘度的大小成正比,与x方向和y方向的弹性模量和最小水平地应力成反比,同样与最大水平地应力的大小无关;起裂压力不随压裂液粘度和最大水平地应力的变化而变化,随最小水平地应力的增大而增大。当压裂液粘度增大时,裂缝变得宽而短;当压裂液粘度减小时,裂缝变得窄而长。本文研究成果有望为沁水盆地南部煤层气井压裂设计优化提供依据。