水力压裂垂直裂缝形态及缝高控制数值模拟研究

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1、中国科学技术大学博士学位论水力压裂垂直裂缝形态及缝高控制数值模拟研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：王瀚固体力学刘合教授王秀喜教授二O一三年五月文㈣UniversityofS‘andTechnolog、ofChinacienceandenologynaAdissertationfordoctor’SdegreeANumericalStudyonVerticalHydraulicFractureConfigurationandFractureHeightControlAuthor’SName：HanWangspeciality：solidmechan

2、lcsl■●●'●^●Supervisor：Prof．HeLiuProf．XiuxiWangFinishedtime：May，2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：j鼙签字日期："1夕13．S．3＼中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有

3、权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。面公开口保密(——年)作者签名：签字日期：蔓鲶竺暨：堇：丛导师签名：签字日期：圣!!兰!等!声／摘要水力压裂是油田增产的最主要技术措施之一。地层条件不同，水力压裂形成的裂缝可能是水平缝，也可能是垂直缝。对于垂直裂缝，其三维形态，尤其是裂缝的高度以及在地层中的穿层情况，直接影响压

4、裂效果，是工程师非常关心的问题。本文以大型有限元软件ABAQUS为平台，模拟了地层中的水力压裂过程，重点研究了多种影响裂缝形态和缝高控制的因素，对水力压裂设计和工程实践有指导意义。本文从介绍水力压裂的概念以及水力压裂的作用出发，综述了国内外水力压裂技术的发展和应用的历程，回顾了模拟水力压裂的各种模型，介绍了相关的岩石力学理论和水力压裂涉及到的多种问题(近井筒效应，支撑剂的选择，页岩气体积压裂等)。通过说明垂直裂缝缝高控制的重要性和前人对缝高控制的研究，解释了本文的研究内容和意义。油藏通常都是多孔介质，可以看成是由固体骨架和骨架之间的孔隙组成的结构，采用Te

5、rzaghi有效应力原理实现多孔介质变形和渗流之间的耦合。总结了岩石固体骨架变形和孔隙流体渗流流动的基本方程组和边界条件，以及相应的瞬态有限元求解列式，该列式是本文模拟的数学基础。采用带有孔隙压力的cohesive单元模拟裂缝的行为，介绍了裂缝的起裂准则和扩展准则，引入无量纲的损伤因子表征裂缝起裂之后单元的损伤情况(单元刚度的退化)。流体在裂缝中的流动是线性的，切向流动的速率与缝内压力梯度成正比，法向流动的速率与裂缝中心和裂缝上下表面的压差成正比。阐述了线弹性模型和粘弹性模型的基本理论以及一种典型的粘弹性模型——标准线性固体的本构关系。说明了处理支撑剂浓度

6、的方法，将支撑剂浓度分布对压裂的影响表征为压裂液粘性的变化。建立二维平面应变模型，模拟水力压裂过程中裂缝的垂向扩展过程。二维模型，有计算成本低，耗时少等优点。通过模拟大庆油田一口油井现场的实际压裂过程，得到井底压力，引用计算摩阻的经验公式，推算出井口压力，它与现场实测的井口压力演化吻合良好，验证了二维模型的可行性和合理性。采用该模型模拟了三层地层(一个产层夹在上下隔层中间)的地质参数对裂缝高度的影响，结果表明，高地应力、低弹性模量和高抗拉强度的隔层会使得裂缝高度减小，能很好的限制裂缝穿层。建立全三维模型，研究水力压裂过程中裂缝的三维形态和多种参数对裂缝形态

7、和缝高控制的影响，包括：(1)多层地层中的水力压裂。首先通过模拟一IZl现场油井的压裂过程，对比模拟得到的井底缝口压力曲线和现场实测的曲线，验证了三维模型的可靠性。然后对多产层和隔层交替出现的油藏中的水力压裂过程进行模拟。结果表明，较高摘要的隔层地应力和抗拉强度以及较小的弹性模量会使得裂缝高度减小，长度增大，原因是地层的地应力与抗拉强度对裂缝张开起到阻碍作用；而弹性模量越大则缝宽越小，裂缝对流体流动的抵制作用增强，流体压力增大，裂缝高度就越大。由于产层和隔层的交替出现，裂缝的横截面形态呈现波浪形。(2)岩石孔隙度和泥质含量对水力压裂的影响。根据线弹性体波速

8、与弹性参数的关系，以及前人基于实验和测井数据拟合的波速与孔隙度和泥