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水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究 总被引：5，自引：2，他引：3
以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题,推导出裂缝面内的压降方程表达式,并编写出用户子程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论,采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的;提出了临界宽度的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据;其结论对于压裂作业优化具有参考价值。 相似文献
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随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。 相似文献
3.
沁水盆地南部煤储层水力压裂裂缝发育特征的数值模拟研究 总被引：1，自引：0，他引：1
以沁水盆地南部为研究区,以山西组3号煤储层为目标层位,根据该区的地应力场特征以及晋城市寺河矿煤样的三轴压缩实验结果,利用大型有限元软件ANSYS建立了该区3号煤储层的地质模型,模拟水力压裂过程中地应力场和储层弹性模量对裂缝起裂压力和裂缝扩展形态的影响。结果表明:裂缝的起裂压力与最大水平主应力无关,随最小水平主应力的增大而线性增大,变化范围为10～25 MPa;裂缝的最大缝长和最大缝宽不随最大水平主应力的变化而变化,随最小水平主应力和煤岩弹性模量的增大而减小,其中最大缝长介于36～83 m范围内的概率最高。模拟结果和现场数据基本吻合,说明该模型具有一定的合理性,研究成果对于沁水盆地南部地区煤层气井水力压裂设计具有重要的参考价值。 相似文献
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为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σH > 垂向应力σv > 最小水平主应力σh,水力压裂裂缝沿着垂直于σh的方向扩展。σv和σh一定,随着σH的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σH远大于σv和σh时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。 相似文献
5.
《岩土力学》2017,(4):1023-1031
为了研究煤岩脉冲水力压裂扩缝机制,利用三轴加载脉冲水力压裂试验系统,分别从改变脉冲频率和压裂液黏度两个方面对煤岩进行了水力压裂室内试验。试验结果表明:脉冲压力和声发射对压裂过程的响应情况可将煤岩脉冲水力压裂扩缝过程分为零散萌生、均匀扩展、突变贯通和破裂终止4个阶段,其中声发射定位点空间展布的平均速率在均匀扩展和突变贯通阶段较零散萌生阶段分别提高了4.6倍和9.6倍;声发射b值曲线的趋势显示,均匀扩展阶段煤岩内部以小尺度的微裂纹破裂为主,突变扩展阶段煤岩内部出现了较大尺度主裂缝扩展,并且部分b值曲线呈现出山脊线状与阶梯状相结合的特点;在达到最佳压裂脉冲频率前,高频脉冲压力作用的煤岩,扩缝过程的均匀扩展阶段和突变贯穿阶段的延续时间比低频对应的延续时间短;随着压裂液黏度增高,扩缝过程均匀扩展阶段的延续时间呈缩短趋势,但突变贯穿阶段的延续时间却有增长的趋势。 相似文献
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针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。 相似文献
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储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论,研究结果表明:（1）当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时,在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区,水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制;（2）层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著,当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时,层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用,当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时,最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用,随着优势结构面的增多和差应力的增大,水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大;（3）储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程,尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式,增大水力裂隙扩展高度,但相比于储层埋深,水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。 相似文献
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为了探究应力阴影效应对交替压裂中压裂间距选取的影响,基于优化后的颗粒流离散元流固耦合计算模型,模拟并分析了双初始水力裂缝下因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,并与理论解析解进行对比,证明了该数值方法的合理性。在此基础上,分析了应力阴影效应在不同各向异性地应力场及初始压裂间距条件下对新水力裂缝的起裂压力及扩展形态的影响,研究结果表明：初始各向异性应力场不改变裂缝周边的应力场,不影响新水力裂缝的起裂压力;随着初始压裂间距的减小,应力阴影效应增强,新水力裂缝的起裂压力逐渐增加。初始水力裂缝间距与初始各向异性应力场共同影响新水力裂缝的扩展形态,随着初始水力裂缝间距或初始水平地应力场差异系数的增大,应力阴影对新水力裂缝的扩展方向的影响逐步减弱;初始水力裂缝对新水力裂缝的扩展有一定的限制作用,在一定程度上不利于形成复杂的裂缝网络。根据以上分析结果,对交替压裂中压裂间距的优化进行了定性的探讨。 相似文献
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水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。 相似文献
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水平井中多条水力裂缝间的应力干扰行为,造成了压裂液排量的非均匀分配,影响了水力裂缝的几何形态。采用边界元法研究岩体在压裂液作用下的变形程度,以幂律流体泊肃叶平板流动方程来研究水力裂缝内部的压裂液流场,考虑了多条裂缝间应力干扰和压裂液流量分配,建立了流-固耦合的水平井多条水力裂缝同步扩展模型。模型可模拟水平井多条水力裂缝几何形态、应力干扰情况和压裂液排量的分配情况,可解释水力裂缝之间的竞争机制。多条裂缝同步扩展时,压裂液排量并非均等地分配到各个裂缝之中,进入到内部裂缝的压裂液流量最小,内部裂缝宽度最小;内部的水力裂缝增长一定长度后,停止增长,并且在应力干扰下逐渐闭合。 相似文献
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射孔作为井筒与储层之间的液流通道,是水力压裂过程中的重要可控性参数。为研究水平井射孔-近井筒破裂机制,采用岩层变形-流体渗流方程描述应力状态变化,应用连续损伤破裂单元表征三维破裂位置与形态演化,并开发有限元求解程序模拟分析了射孔对水平井初始破裂压力、破裂位置及近井筒裂缝复杂性的调控作用。通过与解析模型及射孔压裂物理模型试验结果对比,验证了模型及有限元程序的有效性;水平井破裂压力数值分析结果与现场测试数据吻合较好。研究表明：射孔可调控水平井破裂压力与初始破裂位置,同时对近井筒区域裂缝扩展形态影响显著。通过优化射孔参数可以引导初始破裂向最优破裂面扩展、有效降低破裂压力,减小由于螺旋射孔空间排布引起的水平井近井筒裂缝迂曲与复杂程度,提高致密油气藏压裂改造效果。 相似文献
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基于完全流-固耦合的弹塑性理论给出了水力压裂数值计算的弥散裂缝模型,其中材料的弹性部分采用线弹性本构关系,塑性部分采用摩尔-库仑破坏准则及强化准则。依据当前的有效应力状态修正渗透系数来模拟压裂液在裂缝中的流动。渗透系数的修改使用双曲正切函数,并采用平均有效应力作为水力裂缝的起裂判据。在ABAQUS软件中通过用户自定义程序添加了该模型。根据岩石的切面照片建立了含有硬包裹体分布的非均质岩石的有限元计算模型,模拟了中心点注水条件下的水力压裂传播过程,讨论了在常应力状态下非均质岩石中开裂区域、典型位置的应力路径变化和裂缝传播范围随时间变化的特点。进行了多种条件下含有硬包裹体分布的岩石材料的数值试验,得出了基岩材料的弹性模量、凝聚力和渗透系数以及注水速率对峰值注水压力、平均注水压力和裂缝开度的影响规律。 相似文献
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Yongquan Hu Zhiqiang Li Jinzhou Zhao Zhengwu Tao Pan Gao 《Environmental Earth Sciences》2017,76(15):546
The ultra-low-permeability shale gas reservoir has a lot of well-developed natural fractures. It has been proven that hydraulic fracture growth pattern is usually a complex network fracture rather than conventional single planar fractures by micro-seismic monitoring, which can be explained as the shear and tensile failure of natural fractures or creation of new cracks due to the increase in reservoir pore pressure caused by fluid injection during the process of hydraulic fracturing. In order to simulate the network fracture growth, a mathematical model was established based on full tensor permeability, continuum method and fluid mass conservation equation. Firstly, the governing equation of fluid diffusivity based on permeability tensor was solved to obtain the reservoir pressure distribution. Then Mohr–Coulomb shear failure criterion and tensile failure criterion were used to decide whether the rock failed or not in any block on the basis of the calculated reservoir pressure. The grid-block permeability was modified according to the change of fracture aperture once any type of rock failure criterion was met within a grid block. Finally, the stimulated reservoir volume (SRV) zone was represented by an enhancement permeability zone. After calibrating the numerical solution of the model with the field micro-seismic information, a sensitivity study was performed to analyze the effects of some factors including initial reservoir pressure, injection fluid volume, natural fracture azimuth angle and horizontal stress difference on the SRV (shape, size, bandwidth and length). The results show that the SRV size increases with the increasing initial pore reservoir and injection fluid volume, but decreases with the increase in the horizontal principal stress difference and natural fracture azimuth angle. The SRV shape is always similar for different initial pore reservoir and injection fluid volume. The SRV is observed to become shorter in length and wider in bandwidth with the decrease in natural fracture azimuth angle and horizontal principal stress difference. 相似文献
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页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。 相似文献
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Analysis of refracturing in horizontal wells: Insights from the poroelastic displacement discontinuity method 
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下载免费PDF全文 Ali Rezaei Giorgio Bornia Mehdi Rafiee Mohamed Soliman Stephen Morse 《国际地质力学数值与分析法杂志》2018,42(11):1306-1327
In this paper, a fully coupled 2‐dimensional poroelastic displacement discontinuity method is used to investigate the refracturing process in horizontal wells. One of the objectives of refracturing is to access new reserves by adding new hydraulic fractures in zones that were bypassed in the initial fracturing attempt. Pore pressure depletion in the vicinity of old fractures directly affects the state of stress and eventually the propagation of newly created hydraulic fractures. Thus, a poroelastic analysis is required to identify guidelines for the refracturing process, in particular to understand the extension of the pore pressure depletion, and eventually, the orientation of new as well as old fractures. We propose a fully coupled approach to model the whole process of child fracture propagation in a depleted area between 2 parent fractures in the same wellbore. This approach omits the need of using multistep workflow that is regularly used to model the process. The maximum tensile stress criterion (σ criterion) is used for hydraulic fracture propagation. The proposed method is verified using available analytical solutions for total stress and pore pressure loading modes on a line fracture in drained and undrained conditions. Then, test cases of multifractured horizontal wells are studied to calculate the time evolution of the stress and pore pressure fields around old fractures and to understand the effect of these fields on the propagation path of newly created fractures. Finally, the effect of the pore pressure depletion on the propagation path of the newly created fractures in the bypassed area of the same wellbore is studied. The results show that the depleted areas around old fractures are highly affected by the extent and severity of the stress redistribution and pore pressure depletion. It is observed that a successful creation of new fractures may only happen in certain time frames. The results of this study provide new insights on the behavior of newly created fractures in depleted zones. They also clarify the relationship between stress change and pore pressure depletion in horizontal wells. 相似文献
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S. Y. Wang S. W. Sloan S. G. Fityus D. V. Griffiths C. A. Tang 《Rock Mechanics and Rock Engineering》2013,46(5):1165-1182
Rock is a heterogeneous geological material. When rock is subjected to internal hydraulic pressure and external mechanical loading, the fluid flow properties will be altered by closing, opening, or other interaction of pre-existing weaknesses or by induced new fractures. Meanwhile, the pore pressure can influence the fracture behavior on both a local and global scale. A finite element model that can consider the coupled effects of seepage, damage and stress field in heterogeneous rock is described. First, two series of numerical tests in relatively homogeneous and heterogeneous rocks were performed to investigate the influence of pore pressure magnitude and gradient on initiation and propagation of tensile fractures. Second, to examine the initiation of hydraulic fractures and their subsequent propagation, a series of numerical simulations of the behavior of two injection holes inside a saturated rock mass are carried out. The rock is subjected to different initial in situ stress ratios and to an internal injection (pore) pressure at the two injection holes. Numerically, simulated results indicate that tensile fracture is strongly influenced by both pore pressure magnitude and pore pressure gradient. In addition, the heterogeneity of rock, the initial in situ stress ratio (K), the distance between two injection holes, and the difference of the pore pressure in the two injection holes all play important roles in the initiation and propagation of hydraulic fractures. At relatively close spacing and when the two principal stresses are of similar magnitude, the proximity of adjacent injection holes can cause fracturing to occur in a direction perpendicular to the maximum principal stress. 相似文献