页岩气开采水力压裂过程中裂缝网络形成机理及模拟分析方法

Successfully creating multiple hydraulic fractures and fracture networks in horizontal wells is critical for production of shale gas in petroleum engineering. This project aims to investigate the mechanism of fracture network evolution using numerical methods, experimental methods and analytical methods. First, algorithms and a numerical platform will be developed to simulate the propagation of three-dimensional, nonplanar and complex hydraulic fractures using Generalized Finite Element Method (GFEM). A stable algorithm to couple fluid flow in fractures and the deformation of rocks will also be developed. Second, a set of plaster samples, which are similar to rock smaples, with fractures inside will be prepared and then are used to investigate the interaction between one hydraulic fracture and one existing natural fracture. The numerical method will be used to investigate the influence of approaching angles and fracture width on the mechanical status of an existing natural fracture. Then, the evolution of fracture network, which contains thousands of fractures, will be simulated. The geometry of fracture networks will be measured quantitatively using fractal theory. The influence of spacing of initial fractures, distribution of natural joints, water injection pressure, fracture stiffness and fracture propagation speed in the rock with joints will be discussed.

随着水力压裂在页岩气开采中的广泛使用，揭示水平井裂缝网络形成机理变得日益重要。本研究拟综合利用数值模拟、实验研究、理论分析揭示裂缝网了形成规律。首先，拓展广义有限元法用于模拟多条三维非平面水力裂缝扩展、转向、交叉、分岔。开发稳定的裂隙流、岩石变形、裂缝面接触等多物理场耦合算法，并且编写水力裂缝扩展模拟软件。然后，利用3D打印机制备含裂缝面的类岩石试样（石膏试样），通过实验研究揭示三维空间中水力裂缝与天然裂缝两条裂缝的相交机理。研究水力裂缝逼近时，天然裂缝面上的受力状态变化规律。其次，模拟上千条水力裂缝在含随机节理岩石中的扩展过程和水平井裂缝网络形成演变过程。基于分形几何理论和模拟得到的裂缝网络，对破碎区域内的裂缝分布形态建立定量描述方法。最后，研究三维地应力、随机节理分布、射孔间距、注水速度、岩石脆性等多种条件对裂缝网络形成的影响，为优化水平井分段压裂提供理论基础和工程设计依据。

利用水力压裂形成裂缝网是页岩油气资源开采的关键技术。由于压裂过程发生在深部油藏中，难以直接观察，理论分析和数值仿真是不可或缺的分析手段。模拟复杂油藏中的三维水力裂缝扩展和裂缝网形成是当今工程界的难题，目前尚没有成熟商业软件。. 本项目围绕“水力压裂裂缝网形成机理和数值模拟算法”展开研究。在五个方面取得了一系列的成果：（1）在仿真软件开发方面，本项目研发了水-力耦合作用下岩体裂缝演变仿真软件TOUGH-FEMM；（2）在算法理论方面，提出了自适应积分域法和缝尖应力点插值法，有效提高了水力裂缝起裂、扩展、转向和交叉模拟精度；（3）揭示了地应力和施工工艺对水平井水力裂缝扩展的影响规律。本项目在前人工作之上进一步探讨了在不同初始裂缝偏角、地应力、天然裂缝等条件下，多条水力裂缝的扩展和相互干扰规律。结论指出当初始夹角大于15°时，两条同时扩展的水力裂缝破岩模式将发生显著变化。（4）在实验方面，研发了基于3D打印技术的类岩石材料试样制备方法，尝试了直接打印和间接打印两种3D打印技术，并且用于制备含裂缝和溶洞的试样。实验结果表明直接打印树脂材料试样塑性太大，不适用于制备水力压裂实验试样。间接打印技术结合了3D模具打印和传统浇筑制备试样两种技术的优点，能有效制备含裂缝和溶洞的试样并用于水力压裂实验；（5）在工程应用和推广方面，课题组将研究成果成功应用于指导新疆塔河缝洞型酸化压裂设计优化，分析了高地应力、天然节理、溶洞属性和施工工艺对缝-洞型油藏裂缝网形成的影响规律。. 本项目在本领域主流期刊上发表SCI收录论文7篇、EI收录论文1篇，其中包括一篇ESI高被引论文。相关成果获得计算力学SCI二区期刊2019年度最佳论文奖。项目人员多次组织和参加国内外学术会议，在美国做会议报告2次，国内学术会议报告10次，及时把本项目的研究成果与国内外同行进行交流，提升了研究成果的影响力。. 课题组将在未来继续深入研究，努力从算法和软件开发两个方面逐步解决复杂油藏三维水力压裂模拟的难题，推动实现水力压裂工程软件的国产化，为页岩油气压裂、干热岩压裂等领域提供理论和软件工具支持。