超低温条件下页岩破裂机理研究

The global energy demand accelerates the exploitation of shale gas. As the exploitation in China has just begun and the characteristics of shales are extremely complex, the initiation of shale exploitation is not desirable. Due to the extremely low permeability of shales, the volume fracturing which manages to create more fractures is the leading technology..This research project attempts to reveal the fracturing mechanism of shales subjected to ultra-low temperatures. This research plans to carry out the experiment of the fracture initiation of shales subjected to ultra-low temperatures to establish the nonlinear fracturing model of the coupling of stresses, temperatures and phases under ultra-low temperatures and mainly focuses on the originating of the micro-fractures in shales due to the changes of structures and charactristics of shales subjected to ultra-low temperatures and the mechanism and propagation of fractures..It is brand-new to study the fracturing mechanism of shales subjected to ultra-low temperatures, so this research can offer an innovative idea for the large-scale stimulation of shales by volume fracturing and lay a solid theory foundation for the efficient exploitment of shale gas.

全球范围内的能源需求加速了页岩气开发的进度，我国由于页岩气开发刚刚起步，页岩性质复杂，初期开发效果不理想。由于页岩渗透率极低，尽可能形成更多沟通裂缝的体积压裂是页岩气开发主导技术。. 本项目提出进行超低温条件下页岩破裂的机理研究，通过超低温条件下页岩裂缝形成试验以及建立超低温下应力、温度、相态三场耦合的非线性断裂模型，重点研究超低温条件下页岩结构及性质的变化导致的页岩微观裂缝形成发育，以及形成宏观裂缝的过程和机制。. 本项目从超低温角度开展的页岩破裂机理研究可为页岩大规模体积改造提供一个新颖思路，奠定页岩气高效开发技术的理论基础。

我国页岩油气资源丰富，是国家重要的油气接替，但存在产量低和递减快的特点，严重制约该类非常规资源的开发。本项目研究液氮超低温作用破裂页岩机理，期望为页岩中形成体积裂缝寻求新的技术手段。研究内容主要包括页岩超低温连续破裂特性、超低温裂缝形成机理、超低温裂缝动态扩展模型和数值模拟以及页岩超低温作用下微观结构变化及机理。（1）自主设计了液氮超低温岩石力学性质测试装置和液氮压裂实验设备，提出了液氮压裂室内实验和现场压裂方法(获得8项授权专利)。（2）研究了页岩超低温连续破裂特性，液氮超低温环境下页岩强度和弹性模量均随含水饱和度的增加呈先减小后增大然后再减小的趋势，且破裂后裂缝形态更加复杂。（3）基于声发射(AE)、数字图像相关(DIC)、光栅光纤(FBG)、电镜(SEM)、核磁共振(NMR)和主动声波等手段，开展了超低温裂缝形成的模拟实验，发现超低温诱导裂缝主要垂直于裸眼井筒井壁、预制裂缝和水力裂缝等已有裂缝面起裂，且诱导裂缝两侧同样会出现垂直于诱导裂缝起裂的次级诱导裂缝形成复杂裂缝网络，提出了采用最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则分别判定诱导裂缝扩展长度下限和上限的方法。（4）建立了温度相关的页岩塑性本构模型和非线性裂缝扩展准则，基于有限元数值模拟方法，利用固体传热以及固体热弹性模块开展了裂缝动态扩展数值模拟实验，并研究了液氮压裂过程中温度场作用下的天然裂缝扰动情况，发现随着温度的降低地层中的天然裂缝受到较大的热应力干扰，容易发生张开或错动。（5）液氮超低温导致液氮压裂最终形成的人工裂缝网络是多种物理力学效应(应力、温度、相变等)综合作用的结果，基于此提出了液氮压裂三阶段模型。（6）通过微结构观测，揭示了页岩宏观力学行为的微观机理解释，重点研究了饱和流体对页岩力学特性影响的物理机制，提出了孔隙水的多级相变过程。研究成果可为我国页岩油气高效、环保、高控制性的增产稳产提供理论技术和技术方法。