巖石水和氣體壓裂破裂壓力差異的理論和試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求量日益增大，且國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣具有良好形成及富集的地質(zhì)條件，因此頁(yè)巖氣的開采受到廣泛的關(guān)注。頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層具有典型的低孔、低滲特征，并隨著埋深加大，物性變差，導(dǎo)致開采難度大，采收率低。但通過(guò)人工增透的方法改變儲(chǔ)層的滲透性可以有效地提高采收率。水力壓裂是人工增透的重要方法之一，但在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了水力壓裂的不足之處，壓裂液的摩阻較大，易滯留在孔道的裂縫里，易產(chǎn)生水鎖、賈敏效應(yīng)，使儲(chǔ)層滲透率降低；壓裂結(jié)束后，壓

2、裂液反排困難，會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成二次傷害，降低壓裂效果；而且頁(yè)巖礦物成分中含有較多的伊利石、高嶺石、伊蒙混層等粘土礦物，這些礦物極易吸水膨脹，使裂隙閉合，采收率下降。最重要是我國(guó)頁(yè)巖氣豐富的地方大多又缺水，所以無(wú)水壓裂技術(shù)得到大家的廣泛關(guān)注，利用氣體進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造有望取得進(jìn)展。
　　本文通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地研究了利用水和氣體壓裂時(shí)裂縫啟裂的差異，主要取得以下進(jìn)展：
　?。?）利用斷裂力學(xué)、滲流力學(xué)和滲流

3、應(yīng)力耦合理論建立了基于水、氣滲透差異的破裂壓力準(zhǔn)則模型。在氣體滲流場(chǎng)計(jì)算中，考慮氣體密度在空間上的變化對(duì)氣體質(zhì)量守恒方程的影響，推導(dǎo)出了新的氣體滲流場(chǎng)計(jì)算方程。
　?。?）設(shè)計(jì)了破裂壓力的數(shù)值計(jì)算方法，并通過(guò)Comsol with Matlab編寫了能夠?qū)崿F(xiàn)滲流邊界隨時(shí)間擴(kuò)展的滲流應(yīng)力耦合計(jì)算程序。
　?。?）設(shè)計(jì)了不同水壓和氣壓加載速率下紅砂巖的水和氣體壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定加載速率范圍內(nèi)加載速率對(duì)水和氣體的破裂壓力及試

4、樣的體積應(yīng)變?cè)隽坑绊懚驾^小，且氣體壓裂的破裂壓力比水力壓裂的破裂壓力小40％左右；氣體壓裂后的試樣破壞的更為嚴(yán)重，形成兩條或三條主裂紋，裂縫會(huì)貫穿整個(gè)試樣，且裂紋寬度較大，主裂紋周圍有很多分岔裂紋；而水力壓裂后的試樣破壞的程度較小，只形成了兩條對(duì)稱裂紋，且裂紋沒(méi)有貫穿整個(gè)試樣，裂紋寬度較小。將數(shù)值計(jì)算出的水和氣體的破裂壓力和破裂時(shí)間與試驗(yàn)值比較，發(fā)現(xiàn)該計(jì)算模型可以較好地預(yù)測(cè)破裂壓力與破裂時(shí)間。
　?。?）利用數(shù)值計(jì)算的方法，模擬并