页岩储层压裂复杂裂缝网络形成机理与扩展模型研究

Hydraulic fracturing technology is an important measure for development in low-permeability shale gas reservoir.The key scientific problem for this project is the formation mechanism of network fracture and effective fracture volume identification and characterization of hydraulic fracturing.To carry out the following research: research on the characteristics of bedding shale anisotropy random damage fracture,and through the study of shale fabric characteristics，microstructure characteristics of macro fracture，to investigate the mechanism of brittle fracture mechanics and reveal the micro scale crack evolution law.Carry out multi scale physical simulation and dynamic monitoring on developing fracturing by using large real triaxial simulation experiment system，identification modes of rupture by acoustic emission event rate spectrum and characteristic.Quantitative characterization of the crack in the unit volume, and establish hydraulic fracture 3D distribution characterization method. Analysis the stress characteristic field of hydraulic fracture tip and the characteristics of stress field acting on natural fractures，in order to reveal the interference and communication mechanism between the main cracks and secondary cracks. To establish the criterion of hydraulic fracture penetration of natural fracture or bedding plane. Research on the numerical method of multi field coupling crack extension, establish the Multi fracture model of hydraulic fracture and natural fracture interleaving,and determine the key factors to control the hydraulic fracture geometry.The hydraulic fracture propagation model can be used for shale gas reservoir fracturing and providing theoretical direction.

页岩储层致密、渗透率低，需通过水力压裂改造形成复杂的体积裂缝。本项目针对页岩储层压裂缝网形成机理与裂缝表征这一关键科学问题,拟开展以下工作：研究层理页岩各向异性随机损伤-断裂特性,通过对页岩组构特征、宏观破裂和断口的微观形貌特征研究，探讨脆性断裂的力学机制，揭示微细观尺度裂纹扩展演化规律；开展多尺度压裂物理模拟及裂缝动态监测研究,由声发射事件频谱和能率特征辨识破裂模式，对单位体积内压裂缝进行定量表征，建立压裂缝三维空间展布表征方法；研究多裂缝扩展过程中相近裂缝间的干扰与合并特征，揭示主裂缝与次级裂缝之间的干扰与沟通机理；基于对水力裂缝尖端应力场及作用在天然裂缝的应力场特征分析，建立水力裂缝穿透天然裂缝或层理面的判别准则；开展多场耦合裂缝扩展数值方法研究，建立水力裂缝与天然裂缝交织的多裂缝压裂模型，确定控制水力压裂缝几何形态变化的关键因素。研究成果可为水力压裂施工设计与效果评价提供技术指导。

页岩储层致密、渗透率低，需通过水力压裂改造形成复杂的裂缝通道。本项目针对页岩储层压裂缝网形成机理与裂缝表征这一关键科学问题开展研究，开展以下几方面研究内容：（1）页岩储层脆性破裂特征及其微观破裂机理研究；（2）页岩储层水力压裂多尺度物理模拟及其压裂缝动态监测研究；（3）页岩储层多压裂缝动态扩展与网络裂缝形成判别准则研究；（4）建立页岩水力压裂缝扩展数值仿真方法与扩展模型，经过四年的科研攻关，取得的主要成果为：（1）系统性研究了示范区页岩储层岩石力学各向异性特征，研究了纵波波速、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和弹性模量等力学参数的各向异性特征，分析了其破裂模式的各向异性，揭示了破坏机制的各向异性；（2）采用大型真三轴水力压裂物理模拟试验系统、压裂伺服泵压控制系统声发射监测系统、大型工业CT系统等构建了国内首套页岩水力压裂物理模拟与裂缝动态演化评价方法；（3）通过圆柱体页岩裂缝起裂及扩展物理模拟试验，获得了不同压裂参数对页岩复杂缝形成的影响；（4）结合水力压裂物理模拟试验，揭示了天然裂缝与水力裂缝间的相互作用机制，基于断裂力学基本原理，建立了水力裂缝穿过天然裂缝的判据，并在此基础上对天然裂缝影响下主水力裂缝的扩展形态进行了模拟计算。（5）建立了页岩水力压裂缝扩展数值仿真方法，定量评价了压裂液排量、压裂液粘度、地应力差异等参数对破裂压力及压裂缝形成的影响规律，研究成果应用于涪陵页岩气示范区压裂优化设计中。（6）依托本项目研究成果，发表学术期刊论文13篇，其中SCI收录8篇，培养硕士研究生3，培养博士研究生3名，该项目研究成果作为主要创新成果获得湖北省科技进步二等奖一项。