页岩复杂裂缝支撑剂长期嵌入和破碎模型及其影响机理研究

The fracture closure stress will increase dramatically during the production of shale gas. So, the proppant will embed into the shale or be crushed, and the permeability of fracture and the effective propped width will decrease, which will dramatically reduce the fracture conductivity. It is exteremely essential to study the mechanisms of the long-term embedding and crushing of proppants. To establish a shale permeability damage evolution model, a viscoelastic plastic creep model and a proppant plastic damage model, this project conducts the proppant strength test, shale rock permeability damage and creep experiments, and Abaqus based modelling. Combining the property of shale reservoir, this project establishes the coupled model of seepage-stress-damage for shale, which considers the embedding and crushing of proppants in major fractures and branch fractures, separately. Then, in the complex fractures, the numerical simulation of highly nonlinear contacting among shale-proppant-shale is studied. Also, the rapid decline mechanism of fracture long-term conductivity is revealed; and the parameters of proppant are optimized in stimulate treatment designs. At last, the project verifies the long-term conductivity model by conducting one to two months long-term conductivity laboratory experiment. A new theoretical study method is proposed for predicting the longer-term (years) conductivity, which can help optimize the proppant selection for long-term fracture conductivity and extend the stable producing time for shale gas wells.

页岩气藏投产后储层压力快速下降，裂缝闭合压力增大，在长期高闭合应力下支撑剂易嵌入页岩或破碎，显著降低裂缝的长期导流能力，降低页岩气产量，因此亟待开展页岩复杂裂缝支撑剂长期嵌入和破碎的机理研究。本项目通过支撑剂的强度实验及页岩的渗透率损伤演化和蠕变实验，建立页岩的渗透率损伤演化模型、粘弹塑性蠕变模型和支撑剂的弹塑性损伤模型；结合页岩储层特征，分别建立页岩分支裂缝和主裂缝内支撑剂的长期嵌入和破碎渗流-应力-损伤耦合模型，开展页岩复杂裂缝内页岩-支撑剂-页岩高度非线性接触的数值模拟研究，揭示页岩气藏开采数月或数年后的支撑剂嵌入和破碎机理；通过开展页岩裂缝1-2个月的长期导流能力实验，验证所建立模型的正确性，并以有效支撑缝宽为标准，优选保持页岩复杂裂缝长期导流能力的支撑剂参数。研究成果提出了页岩复杂裂缝长期导流能力预测理论研究的新思路，也对优选支撑剂参数和延长页岩气井的稳产时间具有重要的指导意义。

页岩气储层裂缝闭合压力高且气藏投产后储层压力快速下降，支撑剂受裂缝壁面的挤压力持续增大，易嵌入或破碎，降低裂缝有效缝宽，致使裂缝导流能力难以长期保持。针对页岩气储层复杂裂缝支撑剂嵌入与破碎机理这一科学问题，通过3年的实验、理论及数值模拟研究，形成了复杂裂缝长期导流能力定量预测和优化的新方法，为优选支撑剂参数和延长页岩气井的稳产时间提供理论基础，具体成果如下：（1）通过四川五峰-龙马溪组页岩的渗透率演化、蠕变和支撑剂簇变形破坏实验，建立了页岩的渗透率损伤演化模型、蠕变模型和支撑剂簇的非线性本构模型。（2）创建了裂缝-支撑剂簇互作用的支撑剂长期嵌入与破碎离散元模型，揭示了支撑剂的长期嵌入和破碎机理。（3）考虑页岩复杂裂缝的表面形貌，分别建立了页岩主缝和分支张开缝的裂缝导流能力离散元-计算流体力学耦合数值模型，揭示了页岩复杂裂缝长期导流能力的变化规律，为复杂裂缝导流能力优化提供了理论依据。（4）创建了考虑支撑剂簇团非线性变形的高导流裂缝宽度和导流能力预测模型，揭示了簇式支撑裂缝导流能力的变化规律，为页岩气高效开发奠定了理论基础。研究成果发表学术论文21篇（SCI收录13篇、EI收录5篇），其中：国际最具影响力、全球SCI石油工程类顶级期刊《SPE Journal》连续发表3篇论文。获国际专利1件、国家发明专利11件；获得省部级科技进步一、二、三等奖各1项，获中国石油和化工行业优秀专利奖1项。培养3名博士研究生，3名硕士研究生，项目负责人获美国岩石力学学会“ARMA Future Leaders”未来领袖称号，并被聘为国际石油工程TOP期刊《Journal of Petroleum Science and Engineering》（工程技术2区、石油工程1区、影响因子2.886）副主编、《天然气工业》首届青年编委等。