深部裂隙岩体水力压裂裂缝三维非平面扩展和复杂缝网形成机理研究

Hydraulic fracturing is one of the key techniques in the development of shale oil and gas resources. However, due to the complexity of the hydraulic fracturing problem itself and the influence of natural fractures, there are still many technical problems that have not be solved yet. This project aims to study the mechanism of 3D non-planar hydraulic fracture propagation and complex fracturing in deep fractured rock mass of China. Firstly, the fracture toughness at different temperatures is measured by experiments, and the fracture toughness - temperature model of deep fractured rock mass is established. Then, through the combination of physical experiments and numerical simulations, some of the most important technical problems, such as the initiation, non-planar propagation and mutual interference of multiple fractures near wellbore, the interaction between a propagating hydraulic fracture and natural fractures, and the coupling of proppant-fracturing fluid-rock at the interface, are studied. The physical experiments will be carried out by using the largest and most advanced hydraulic fracturing testing system in China while the numerical simulation will be executed by employing the state-of-the-art 3D lattice method and the block discrete element method. The problems proposed in this study are the technical bottlenecks and engineering challenges that restrict the hydraulic fracturing of deep fractured rock mass in Tarim and Sichuan Basin. The solutions will provide key technical support for the development of deep resources in China.

水力压裂是页岩油气资源开发中的一项关键技术，但是由于水力压裂问题本身的复杂性和天然裂缝的影响，致使其还有很多力学机理问题未能很好地解决。本项目针对我国深部裂隙岩体地质条件复杂和高温高应力的特点，对水力压裂裂缝三维非平面扩展和复杂缝网形成机理展开研究。首先通过实验揭示深部岩石断裂韧度随温度的变化规律，建立考虑温度影响的深部裂隙岩体断裂韧度模型。然后通过物理模型试验和数值仿真相结合的方法研究裂缝在井筒附近的起裂、非平面扩展和相互干扰，裂缝扩展过程中与天然裂缝的相互作用，以及在裂缝界面处的岩石-压裂液-支撑剂耦合支撑行为。其中模型试验将使用目前国内尺寸最大、控制系统最先进的水力压裂大型物理模型试验系统，数值仿真将使用国际前沿的三维离散格子方法和块体离散元方法。本项目所提出来的课题均是制约塔里木、四川盆地等深层裂隙岩体水力压裂的技术瓶颈和工程难题，它们的解决将为我国深部资源的开发提供关键技术保障。

水力压裂是非常规油气资源开发中的一项关键技术。深部裂缝性储层存在地质弱面和材料非均质的复杂特点，导致其水力压裂裂缝扩展还存在很多力学机理问题未能很好地解决。为此，本项目围绕深层裂隙储层水力压裂及其影响下的断层稳定性关键科学问题开展了系统研究，建立了深部裂隙岩体的断裂韧度模型，开展了水力压裂裂缝的起裂、非平面扩展和相互干扰数值研究，进行了水力压裂裂缝和天然裂缝的相互作用机制分析，探究了裂缝界面处岩石-支撑剂-压裂液的耦合支撑行为，明确了水力压裂活动下多因素对断层稳定性的影响。通过本项目研究，主要取得以下几个方面的重要成果：1）揭示了围压、颗粒半径等因素影响下的深部裂隙岩体的断裂力学特征，确定了断裂韧性判断裂缝扩展与抗拉强度判断裂缝扩展之间的等效关系。2）建立了复杂裂隙岩体水力压裂多尺度数值模拟体系，揭示了水力裂缝近井筒起裂、远井筒非平面扩展与多裂缝扩展之间的干扰行为等关键科学问题机制。3）阐述了水力裂缝与天然裂缝的不同交互模式及其对应的判断标准，揭示了层理影响下的水力裂缝缝高扩展行为，明确了复杂裂隙岩体中随机天然裂缝分布下的复杂裂缝形成机理。4）通过高温高压沉积岩断层泥的摩擦剪切实验构建了能区分有震和无震滑动的断层宏观摩擦本构模型，并将其应用到解译流体注入引起深部断层激活与滑移的作用机制，并结合流体注入和产出作用下断层激活的全耦合离散单元模型综合分析了压裂引起断层滑移和套管变形机理。.依托本项目，课题组在GRL、JGR-Solid Earth、IJRMMS、RMRE等国内外知名期刊上发表高水平学术论文37篇，其中SCI期刊论文31篇，授权发明专利2项，参加国内外学术会议50余次，项目负责人做特邀报告24次，获得2021年教育部长江学者特聘教授、2020年中国岩石力学与工程学会首届“钱七虎奖” 2018年美国岩石力学学会Early Career Award，以第三完成人获2021年度中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖等省部级奖励。培养博士后1名，博士研究生毕业3名，硕士研究生毕业3名。.本项目研究成果丰富了深层裂隙岩体水力压裂优化理论和分析方法，已成功应用于鄂尔多斯盆地页岩油储层、四川盆地页岩气储层和青海共和盆地干热岩系统等国家重大深地工程。