页岩各向异性损伤渗透与多相流耦合行为及数值模拟研究

Numerical simulation of hydraulic fracturing is an effective technique to understand and analyze the evolution of shale complex network, however the physical processes around a single fracture in the network remain unclear. As the mechanism of rock damage-seepage and multiphase flow in a fracture are the basis of fracture network simulation, efforts should be diverted to the physical processes. Then the damage-seepage coupling test for shale sample with different bedding angles in complete stress-strain process condition is studied. And the coupling relationship between rock damage and permeability is important for hydraulic fracturing. In addition, the experiments of fluid flow and proppant migration in shale fracture are employed to explore the laws of fluid and proppant movement, considering the fracture section morphology characteristics. Finally the research results are introduced into the fracturing numerical model. To simulate coupling process of shale damage-seepage and multiphase flow in fracture, the finite element and finite difference methods are used to establish a shale fracturing numerical model with secondary development. The proposed technology and method can lay a foundation for the numerical simulation of shale fracture network.

水力压裂数值模拟是理解、分析页岩复杂压裂缝网演化的有效手段，但页岩裂缝网络中任意一个裂缝周围的物理过程尚未深入研究。鉴于岩石损伤渗透和裂缝内多相流动的机理是缝网模拟的基础，从单一裂缝周围的物理过程出发，对不同层理角度页岩开展全应力-应变条件下的损伤-渗透耦合实验，重点研究加载过程中页岩损伤-渗透的耦合关系。同时开展页岩裂隙内流体渗流实验和支撑剂运移实验，探索考虑裂缝断面形貌特征下流体、支撑剂运动的规律以及影响因素。将实验研究成果植入到压裂数值模型中，利用有限元和有限差分的方法进行二次开发，建立页岩压裂数值模型模拟页岩损伤渗透和裂缝内多相流动的耦合过程，为实现页岩压裂缝网的数值模拟奠定基础。

数值模拟作为研究水力压裂的重要手段，已广泛用于实际工程中。然而压裂过程中，裂缝周围存在着复杂的物理耦合过程。本项目对此展开研究，主要有以下几个方面：(1)页岩各向异性力学特征。通过对不同倾角页岩的基础力学实验（单/三轴压缩、巴西劈裂、直接剪切），发现页岩在不同实验中均表现出物理力学参数和破坏模式的各向异性特征；(2)损伤-渗透耦合模型。根据统计损伤力学理论，设定岩石基质微元强度符合Weibull分布，同时假设岩石损伤基质部分承力，建立考虑储层岩石孔隙-裂隙结构内工质流体压力和孔隙度变化因素的岩石损伤本构模型。针对已有静水压力条件下渗透率演化模型，引入损伤变量D、渗透率影响因子ξ1和ξ2，建立半解析条件的渗透率模型，进而获得岩石损伤-渗透耦合模型；(3)页岩裂缝导流能力和支撑剂运移。基于页岩压裂断面的激光扫描数据，采用立方体覆盖法对张拉裂缝进行分维计算与形貌分析，结果表明，页岩粗糙断面具有很好的分形特征，分维介于2.0~2.22之间，基质张拉破坏的断面起伏明显，而层理面张拉破坏的断面十分平整。页岩裂缝导流实验显示，随着闭合压力增加，导流能力衰减曲线可分为三个不同斜率的三个阶段，即平滑阶段、稳定阶段和闭合阶段。裂缝导流能力与其形状特征是有关系的，在考虑裂缝表面粗糙度的基础上定量描述页岩裂缝导流能力时，需要综合裂缝形态类型和JRC两个物理特征量。进一步，基于支撑剂运移实验，在考虑裂缝宽度、流体流速和密度、支撑剂密度和直径等因素的基础上，建立支撑剂在裂缝内的运移模型；(4)页岩损伤-渗透-多相流动耦合水力压裂数值模型。开展室内页岩真三轴水力压裂实验，结合CT三维可视化技术，探讨地应力对压裂裂缝形态的影响。将上述研究成果植入到压裂数值模型中，利用有限元和有限差分法进行二次开发，建立了基于损伤-渗透-多相流动耦合的页岩水力压裂数值模型。本项目能够为模拟页岩压裂裂缝网络提供基础，对页岩压裂优化设计等都有较好的指导意义。