页岩气开采岩石力学

Shale gas is a new emerging unconventional gas reservoir. Shale formations composed of organic matters, joints and natural fractures, are strongly heterogeneous and anisotropy. Rock mechanics theories for shale's unique properties have not been established systematically, which have brought out lots of severe problems in wellbore drilling and hydraulic fracturing and turned into the key problem influencing shale gas development. It's of great theoretical and practical significance for the efficient exploitation of shale gas to conduct intensive research on gas shale rock mechanics properties. Focused on the nonlinear rock coupling with dynamic analysis, this project systematically researches the key theory and technology of sidewall collapse and reservoir damage mechanism and control strategies for deep shale formation. By conducting gas shale brittle property study, the brittleness field prediction model is proposed to reveal the multi-scale simultaneous fracturing characteristics. It proposes a discontinuous in-situ stress model for shale reservoir establishes a method to forecast the anisotropic petrophysical parameters and reveals the borehole instability mechanism coupling with mechanics and chemistry. It will explore multi-fracture cracking and propagating law for shale gas fracturing, to obtain the design procedures and evaluation theory for shale reservoir simulation. Systematical theories for shale gas rock mechanics and reservoir stimulating technology are anticipated to be constructed to provide scientific theory basis for breaking the "technical bottlenecks" in shale gas exploring.

页岩气是一种新兴的非常规天然气资源。页岩地层有机质、节理、天然裂缝共生，呈强非均质性和各向异性，性质十分复杂。由于反映页岩非常规性质的岩石力学理论尚未系统建立，井壁失稳频发、水平井多分段压裂困难、储层改造效果不佳等，成为制约页岩气开发的关键问题。深入开展页岩力学理论研究，对于我国页岩气高效开采具有重大的理论与现实意义。项目重点采用非线性岩石耦合动力分析方法，对深部页岩的井壁破坏、储层破裂机理和控制对策等关键理论技术进行系统研究。拟通过页岩脆性特征研究，建立脆度场预测模型，揭示多尺度作用页岩同步破坏机理；提出非连续页岩储层地应力场模型，建立地层各向异性岩石物理参数的预测方法，揭示力学化学耦合条件下的井壁失稳机理；探索页岩气压裂的多裂缝起裂扩展规律，形成页岩气储层改造设计方法和评价理论。从而系统地构建页岩气开发的岩石力学理论体系和储层改造技术基础，为突破页岩气开发中的技术瓶颈奠定科学理论基础。

我国川渝地区页岩气储层埋藏深，构造应力复杂，节理胶结强度弱、基质强度高、地层各向异性和非均质性特征显著。在钻采过程中井壁失稳、破裂压力高、压裂裂缝延伸短、加砂难度大，严重制约页岩气开发。深入开展页岩气开采岩石力学理论研究，对于页岩气高效开采具有重要意义。本课题采用非线性岩石流-固耦合分析方法，对页岩储层力学机制、井壁稳定性、复杂裂缝网络扩展和压裂优化设计等关键理论技术进行研究。取得的主要成果包括：（1）基于高温高压页岩力学测试，建立了页岩各向异性特征和非线性破坏模式，提出基于全应力–应变特征表征页岩脆度的数学力学模型，揭示了多尺度作用页岩同步破坏机理；（2）实验研究了页岩水化膨胀和水化破坏机理，建立液体活度对页岩非线性本构方程的影响关系，全面掌握了动态钻井参数对井壁稳定的影响规律，形成了力学化学耦合条件下维持页岩钻井井壁稳定的优化设计方法；（3）针对页岩水平井压裂改造，建立了多段多簇分段压裂力学模型，数值模拟了水力裂缝在复杂裂缝网络中的扩展规律；（4）建立了多级压裂流固耦合产能模型，通过优选页岩水平井多级压裂裂缝参数，提高页岩气储层水平井分段分簇压裂有效缝网改造体积。通过上述研究构建了页岩气开发的岩石力学理论体系，为突破页岩气开发中的技术瓶颈初步建立了岩石力学理论基础。.本课题研究期间，课题组成员一人当选为中国工程院院士，一人获得国家自然科学基金杰出青年基金资助，当选教育部长江学者特聘教授并入选国家“万人计划”领军人才，一人获得国家优秀青年基金资助。 培养研究生13名，获得省部级奖励3项，发表SCI检索文章15篇，EI检索文章11篇，申请专利25项，其中授权发明专利20项。