考虑缝间相互影响的岩石水力压裂多裂缝同步扩展演化机理研究

Hydraulic fracturing has been extensively applied in many fields including the in-situ stress measurement, CO2 storage, stimulation of hydrocarbon and geothermal reservoirs as well as the controlling of hard roof. However, during the propagation of multiple fractures, interaction and combination of adjacent fractures lead to the deviation of fracture paths from the designed orientation and the failure of fracturing treatment. With the aim of accurately understanding the growth characteristics and the competition mechanics among multiple fractures, this project proposes to perform a comprehensive study based on the physical model test, the DEM simulation and the theoretical analysis. Physical model test can reproduce the complete growth process, reveal the influence of various factors, and uncover the mechanical responses inside the rock mass. Fully-coupled hydro-mechanical behaviors of reservoir can be simulated with the newly-developed DEM model, which can quantitatively assess the influence of geological conditions and operational parameters by considering the algorithm for the partitioning of flow rate. Analysis of the particle-scale responses may reveal the interaction mechanisms among fractures. Sensitivity analysis of multiple parameters can quantify the relation among them. A novel model for the optimization of cluster spacing with the consideration of the interaction among fractures will be finally established. Results from this project can provide theoretical support and technical guidance regarding the interaction mechanics among multiple fractures and the optimism of injection scheme.

水力压裂技术近年来在地应力测量、CO2封存、油气增产、深部地热资源开发及井下岩层控制等多个领域得到了广泛应用。然而，多裂缝同步扩展过程中,裂缝间的相互干扰与贯通导致其延伸路径偏离设计方向，造成压裂作业的失败。为准确认识多裂缝同步扩展规律和相互影响机理，本项目拟开展室内试验、离散元模拟和理论分析综合研究：通过可视化物理试验阐明多裂缝同步扩展延伸路径和连通条件，分析多因素的影响规律以及缝间岩体内部的力学响应特性；开发基于非连续算法的储层岩石水力耦合精细化离散元模型，建立簇间压裂液流量动态分配算法，系统模拟不同地层条件和压裂参数影响下多裂缝同步扩展完整过程；基于申请人提出的颗粒尺度力学响应分析方法，揭示裂缝间相互影响的微观机理，开展多参数敏感性分析，量化多影响因素之间的关系，建立考虑裂缝相互影响的簇间距优化模型。本项目的研究对水力裂缝扩展机理的理解和压裂方案的设计优化提供理论支撑和技术指导。

水平井分段多簇同步压裂技术被广泛应用到低渗储层油气开采工程中，以改善储层渗透性和非常规油气采收效率。而水平井段内同步产生的多条水力裂缝，可以增加储层的压裂改造体积，提高压裂施工效率。但已有的研究结果表明，受储层非均质性和缝间干扰的影响，同步压裂的各簇裂缝发展程度不同，且易发生偏转和串扰，达不到预期的改造效果。本项目围绕多裂缝同步压裂扩展问题，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究多裂缝起裂、扩展规律与相互干扰机制。开展了膨胀压裂试验，基于膨胀剂诱导钢管应变测试结果，推导了孔内膨胀应力演化公式，分析了其膨胀作用规律。综合利用声发射定位、应变测量和表面裂缝形态监测等手段，获得了裂缝扩展过程中的声发射事件时空演化、裂缝扩展路径和应力演化结果，全面揭示了多裂缝动态扩展规律和应力阴影效应。提出了破裂面面积、粗糙度和表面裂缝分形维数等表征方法，用于定量评价裂缝形态和破裂面特征。基于离散元数值模拟方法，改进了“管-域”耦合算法，验证了所开发模型在射孔压力演化、裂缝附加应力分布和裂缝形态等方面模拟的可靠性。开发了多裂缝同步压裂簇间流量动态分配算法，开展大尺度模拟，实现了射孔压力和流量的动态控制，揭示了同步压裂时，多裂缝扩展存在应力阴影与流量竞争。为探索使用转向剂改善压裂形态，提出了转向模拟算法，分析了不同泵注速度、初始孔隙压力和射孔间距对扩展形态、压裂效果和应力阴影效应的影响。项目所取得的研究成果进一步解释了多簇同步压裂裂缝扩展效果不佳的原因，评估了应力阴影效应与流量竞争作用的影响，阐明了多裂缝起裂、扩展的竞争机制。通过参数敏感性分析，提出了水力压裂工艺改进方法，能够为工程实践提供先导性的参照，对提高我国低渗储层非常规油气开发水平具有重要的意义。