下载文档原格式
页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展金衍;程万;陈勉【摘要】页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平井分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.【期刊名称】《力学与实践》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】9页(P1-9)【关键词】水力压裂;数值模拟;页岩气;分段压裂【作者】金衍;程万;陈勉【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE371页岩气是一种产自极低孔渗、富含有机质页岩储集系统中的非常规天然气［1］.开发此类非常规油气资源需要大规模的储层改造.以滑溜水压裂液为主的水平井分段压裂技术已在国内外页岩气藏开发中得到广泛应用，并取得了较为乐观的经济效益.区别于相对较为均质的砂岩地层，页岩地层的岩石力学特征的复杂性使得水力裂缝扩展路径变得更为复杂.水平井多级水力裂缝间的应力干扰又使得传统的水力裂缝数学模型无法准确地模拟出水力裂缝的几何形态.鉴于此，本文综述了近几年来页岩气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟技术的研究进展.微地震技术及井下成像技术和井下页岩岩芯已经证实页岩气地层中常发育复杂的裂缝［25］.层理发育是页岩气储层的一个明显的特征，其胶结强度往往低于层内岩石的胶结强度，它与天然裂缝面一起构成了岩石中的弱胶结面［67］（“弱面”）.大量的室内水力压裂实验已经证明，弱面是影响水力裂缝扩展路径的关键因素［45，7］.页岩弹性各向异性特征［810］，使得页岩水力裂缝宽度也因此而变得比各向同性条件下复杂.受沉积方向和压实作用的影响，页岩被认为是横观各向同性的.不同岩层的岩性往往是不同的，其弹性力学参数因此迥异，多套地层在整体上常表现出弹性非均质性.地层间弹性参数的差异性通常会影响到水力裂缝宽度，断裂韧性的差异性则会出现限制缝高［11］、遮挡裂缝的可能性.页岩气储层改造是以提高改造的储层体积为主要目的的改造方式，旨在页岩气储集层中产生人工裂缝网络.为了增加水力裂缝在页岩气储层中的有效接触面积，在水平井中常需采用多级压裂技术，也称为分段压裂，如图1所示.每一个压裂段又含有多个射孔簇，在理想条件下，每个射孔簇能形成一条裂缝［1215］.多级压裂［16］主要应用在具有长水平段的水平井中，按压裂的先后顺序分为次序压裂（图1）、交错压裂（图2）和同步压裂（图3）.水平井次序压裂是指从水平井的趾端到跟段依次进行分段分簇压裂，如图 1所示.水平井交错分段压裂是指压裂顺序不严格按照从井底到井口的顺序进行压裂.这种压裂方式有增加储层沟通体积的可能性，但由于当前的井下工具不能够实施交错压裂，使得这种压裂方式尚未有现场应用.同步压裂是指对相邻两口及两口以上的水平井采用2套甚至多套车组同时压裂施工，以期利用压裂影响地应力场，形成更为复杂的裂缝网络.当页岩气井井筒密集时，通过对多口井进行同步压裂，能够获得比次序压裂更好的效果. 目前，以最大化采收率或者最快的采油速度为目的的页岩气井完井设计常需考虑以下几个因素：水力裂缝的优势扩展方向和井筒方位［17］；每个射孔簇的破裂压力，力争每簇能产出一个主裂缝，从而最大化裂缝复杂程度；同井或邻井裂缝间的应力干扰强度［1819］；同步压裂技术能否适合该地层，能否增加产气量［2021］.页岩气储层水力压裂数值模拟是围绕图1～图3所示的工艺技术开展的数值研究，目的是为了在储层压裂施工前能够设计和优化裂缝网络，从而为高效开发提供理论依据.水力压裂力学本质上可以概括为4个基本力学过程的耦合：储层岩石在流体压力的作用下发生断裂，形成裂缝通道；压裂液在裂缝通道中流动，并传递流体压力到地层深处；流体垂直于壁面的渗流；支撑剂在裂缝内部的运移.针对这4个力学过程，下文将着重论述模拟水力裂缝常用的3类数值方法：扩展有限元、离散元、边界元.3.1 扩展有限元（extended finite element method，XFEM）扩展有限元是以传统有限元的理论为框架，其核心思想是用扩充带有不连续性质的形函数来代表计算区域内的间断，不连续场的描述完全独立于网格边界，处理断裂问题有较好的优越性.利用扩展有限元，可以方便地模拟裂纹的任意路径［2223］，可以克服边界元模拟裂缝增长之后重新划分网格的局限性［2428］.盛茂等［29］基于扩展有限元模拟水力压裂，采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展以及扩展方向.曾青冬等［30］考虑裂缝内流体流动和周围岩石应力变形，建立了页岩水力裂缝扩展的数学模型，分别采用有限元和扩展有限元求解裂缝流场和岩石应力场，并通过Picard迭代方法耦合求解.Mohammadnejad等［31］将扩展有限元应用于多孔介质中的水力压裂模拟.Arash［3234］采用扩展有限元方法模拟了水力裂缝在裂缝性油藏中的扩展行为，如图4所示.他忽略了压裂液沿着裂缝壁面的滤失，着重考虑了闭合天然裂缝的内聚力、岩石基质的断裂韧性、天然裂缝的几何形状对水力裂缝扩展路径的影响.系统地研究了水力裂缝与天然裂缝交叉前、交叉中、交叉后的天然裂缝的变形规律，以及裂缝形态与缝内压力的关系曲线，并将其与经典的KGD模型［35］进行对比.他指出，在某些条件下，闭合的天然裂缝在水力裂缝到达之前可能张开或滑移；某些条件下，闭合的天然裂缝不受水力裂缝的影响.Keshavarzi等［36］也采用扩展有限元方法模拟了水力裂缝在非常规油气藏中的扩展，得出了与 Arash［3234］相似的结果.他指出：水力裂缝沟通天然裂缝之前和之后都会发生偏移；原地应力场和天然裂缝的方向是影响交叉行为的主控因素.水力裂缝净液压力增加，可以减小水力裂缝的偏转.原水平应力差越小，水力裂缝越容易在沟通天然裂缝之前就发生偏转.在高逼近角时，水力裂缝可能同时张开天然裂缝和穿透天然裂缝，这主要依赖于水平应力差的大小.Fu等［37］在Arash［3234］和 Keshavarzi等［36］的研究基础上，将单条水力裂缝与单条天然裂缝的干扰行为扩展到单条水力裂缝与离散的天然裂缝网络的干扰行为.Fu等［37］考虑了天然裂缝与水力裂缝的应力干扰和离散裂缝网络中的流体动力学，在天然裂缝网络地层中模拟水力裂缝的扩展. 3.2 离散元（discrete element method，DEM）有关水力压裂模拟的研究可以大体分两大类：宏观和细观.宏观类的裂缝模型已经广泛地应用于石油工程水力压裂，裂缝因为缝内流体压力的驱动而发生增长，其相应的数学模型虽然复杂但计算速度快.与之相反，细观类的裂缝模型则是依据描述岩体颗粒与流体的相互作用，以数目巨大的离散单元来描述整个岩体，流体在颗粒或岩块间的流动来表达水力压裂的过程.基于离散元的水力压裂模拟可以在一定程度上反映出岩石在被压裂的过程中发生的情况：是剪切断裂还是张性断裂，适用于细观尺度上的机理研究.但是，对于油田尺度的水力压裂设计，基于离散元的水力压裂模型需要大量的单元，对计算机要求高，耗时很长，所得结果也并非直观上的水力裂缝.3.2.1 颗粒流程序（particle flow code，PFC）PFC［38］以点接触胶结的颗粒（二维为圆盘，三维为球）为基本单元，能模拟岩石中非连续面的一种数值模拟方法.PFC模拟水力压裂是在其颗粒间考虑流体压力而产生的键断裂，从而形成微裂缝，进而形成宏观尺度的水力裂缝［39］.PFC建模时可以先建立离散裂缝网络，再设置流体注入点，这使得水力裂缝不仅包括岩石颗粒间新生的裂缝，也包括了已存裂缝的剪切滑动扩展［40］.然而，PFC的基本假设就存在 3大缺陷：（1）颗粒间的力学参数如何与岩石的宏观参数对应；（2）PFC数值岩心代表了多大尺寸的实际岩石；（3）球形和圆盘形颗粒难以真实反映具有棱角的岩石矿物颗粒.因此，PFC模拟油田尺度的水力裂缝前景渺茫.3.2.2 晶格法为了解决PFC3D速度慢的问题，3D LATTICE软件提供了流--固--热耦合的模块.Cundall［41］用LATTICE模拟了水力裂缝与预置裂缝的干扰行为，预置裂缝捕获水力裂缝的原因是，水力裂缝遇到预置裂缝后，一侧受到拉伸应力，另外一侧受到挤压应力，而流体则始终是沿着阻力最小的方向流动，这与水力压裂室内试验［45，7］吻合良好.Pettitt等［42］用LATTICE软件模拟水平井多级压裂，并在最大水平应力60°角的方向上设置了一簇离散裂缝网络.水力裂缝起始扩展方向依然是垂直于最小主地应力，遇到节理网络后发生偏转.受到水力裂缝应力的影响，有些水力裂缝是双翼缝，有些则是单翼裂缝.3.2.3 非连续变形分析（discontinuous deformation analysis，DDA）非连续变形分析是离散元方法的隐式表达，与有限元处理应力位移问题较为相似.Ben等［4346］将裂缝性岩体简化为管网模型，采用DDA研究岩体的变形，并与裂缝中的流体流动相耦合，从而实现了裂缝性的岩体中的流体流动模拟.Ben为了模拟裂缝性地层中的水力压裂，他以DDA建立水力压裂模型时做了三点假设：（1）裂缝性或节理性岩体中的每个岩块是连续不可渗透的线弹性体，新生裂缝不能穿透这些连续的块体.（2）块体之间的初始状态是弹簧胶结的，可以发生张性和剪性破坏.（3）岩块的边界中的初始间隙为流体的流动路径，流态为单向不可压缩的拉梅流动.Morgan等［47］在Ben模型的基础上考虑了流体的可压缩性，也实现了水力压裂的模拟，并得到了实验验证.岩石的断裂有穿晶断裂和沿晶断裂［48］两种情况.DDA模拟裂缝性地层虽具有优越性，但其假设水力裂缝为不可穿越的块体，使得DDA模拟水力裂缝与实际的岩石裂缝有一定的差距.3.3 边界元（boundary element method，BEM）边界元法是在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件.其中，位移不连续法［4950］是边界元体系中的一种高效处理裂缝问题的数值方法，其原理是将裂缝划分成若干个位移不连续的单元，建立一个能够满足边界应力或位移的代数方程组，该方程组的解为单元的切向和法向位移，法向位移的物理意义即为裂缝宽度.早期的多裂缝的模拟是在经典的 KGD［35］、PKN［51］、拟三维裂缝模型［5254］基础上，考虑了流体在多裂缝以及井筒中的流动，但是没有考虑多裂缝间的应力干扰和裂缝内的压力耗散.Olson［55］基于二维位移不连续解，模拟多裂缝同时扩展，如图5所示.他假定裂缝扩展速度与裂尖应力强度因子成比例增长，裂缝内部液压为常压，考虑了等长天然裂缝的随机分布.但忽略了压裂液在裂缝内部的流动，使得这一模型不适合真实情况下的水力压裂.Olson等［56］指出：相对静液压力系数Rn和逼近角是影响裂缝形态的主要因素.与直井相比水平井中更倾向于形成网状裂缝，水平井中水力裂缝与天然裂缝之间的夹角越大，越易于形成网状裂缝形态.水力裂缝诱导应力可能使得闭合的天然裂缝在水力裂缝到达之前可能张开或滑移.张保卫［57］也采用边界元位移不连续法，模拟水力裂缝在页岩地层中扩展，得到了与Olson等［5556］相似的模拟结果.他指出，水力裂缝诱导应力场在裂缝尖端附近可以改变主应力的方向，使得水力裂缝并不总是沿着垂直于远场最小水平主应力的方向扩展，而当裂缝沿着天然裂缝扩展一段距离之后，天然裂缝的干扰应力场减小，水力裂缝又逐渐受到远场水平主应力的约束，沿着垂直于最小水平主应力方向扩展.在此基础上，Sesetty等［58］也采用边界元位移不连续法，但他假定压裂液为牛顿流体，研究了水力裂缝路径、裂缝开度、缝内压力随压裂液注入时间的变化关系.Wu等［5960］将拟三维裂缝宽度方程和二维位移不连续法相结合，建立了一个能够在天然裂缝性地层中模拟多裂缝的拟三维多裂缝力学模型.Wu等［5960］假定压裂液为幂律流体，采用有限差分法求解压裂液的流动，与拟三维多裂缝力学模型相结合，采用 Newton迭代法和Picard迭代法，实现了流体流动和裂缝变形的耦合，以及多裂缝间的应力干扰，采用最大拉应力准则判别裂缝扩展的方向，实现了拟三维多裂缝同步扩展的数值模拟.实际上，自然界任何裂缝都可以认为是三维的，二维裂缝也只是三维裂缝的特例.近年来，三维断裂力学［6162］和边界元三维位移不连续法［6365］的发展才使得真三维水力裂缝的模拟得以快速实现.Yamamoto等［6667］采用有限元研究裂缝内部流体的流动，三维位移不连续法研究岩体的变形，经过耦合求解之后，模拟了全三维水力裂缝扩展.但其局限性在于不能考虑地层之间水平应力的差异. Rungamornrat等［68］在研究三维水力裂缝非平面扩展时，实现了三维裂缝在空间的扭曲，如图6所示. Adachi等［69］采用三维位移不连续法与幂律流体流动耦合，在含有多层岩石介质中实现了全三维水力裂缝扩展模拟.与Yamamoto等［6667］相比，Adachi等［69］建立的模型可以考虑不同地层间的应力差异性，但是他们所建立的模型的共同特点是只有一个主裂缝，并且忽略了水力裂缝被地层界面所遮挡的可能性.单条三维水力裂缝的非平面扩展的成功模拟促进了学者对多条三维水力裂缝扩展的数值模拟，目的是为了更加接近水平井分段压裂的实际裂缝情况. Xu［70］将三维位移不连续法用于模拟水平井多裂缝的扩展［7072］，如图7所示.同一压裂段中不同射孔簇压裂液流量的分配实际上是多裂缝应力干扰的结果，但是压裂液在井筒内的压力可近似认为是相等的，并且各个射孔处流量的总和等于泵入到地层中的总流量，这2个条件使得流量分配是一个既复杂而又可以求解的力学问题.3.4 边界元的优势（1）边界元与扩展有限元的简要比较边界元和扩展有限元均是从弹性力学出发，假定岩石的断裂属于弹脆性断裂，裂尖在断裂判别准则下自由扩展，适合于模拟宏观类水力裂缝的扩展.扩展有限元需对定义域（与水力裂缝相关的地层）的整体进行划分网格，网格数目巨大，计算耗时长；边界元是只需对定义域的边界（裂缝、层理等）进行划分网格，网格数目少，计算快，并且精度高.在模拟水平井多裂缝同步或者相继扩展时，边界元只需在裂缝扩展的每一个时间步，将新生的裂缝单元加入到原有的单元中并参与计算，即可实现多裂缝间的应力干扰.在采用边界元法模拟天然裂缝网络时，只需将天然裂缝面划分为单元，天然裂缝的力学属性由法向刚度、剪切刚度、摩擦系数等表征［50］.（2）边界元与离散元的简要比较众所周知，以PFC3D为代表的离散元软件需要众多的颗粒才能模拟岩土的断裂行为，在研究小尺寸试样的细观力学行为上具有一定的优势.由于计算机速度的限制，PFC3D当前并不能模拟油田尺度的水力裂缝扩展.PFC3D中颗粒的细观参数与岩石的宏观参数的标定依然是一个未解之谜.边界元则只需对介质的边界进行划分单元，单元数目少，也可以直接将常规岩样测试获得的弹性参数纳入到计算之中，适用性高.（1）弹性各向异性对水力裂缝宽度和扩展方向的影响.不论是横观各向同性，还是正交各向异性，其弹性本构方程较均质各向同性更为复杂.目前，边界元三维位移不连续法已经可以解决各向异性介质中三维裂缝弹性变形问题［7375］，但应用于解决水力压裂力学问题尚需时日.（2）非均质体界面对水力裂缝的影响.层理是不同岩性地层的界面，页岩层理尤为发育.不同地层的弹性参数的差异导致裂缝问题更为复杂［7677］，例如层理面在水力裂缝逼近时容易产生小范围滑移或者张开；软地层（弹性模量低的地层）变形容易，水力裂缝宽度大；硬地层（弹性模量大的地层）变形小，断裂韧性通常比较大，水力裂缝难以穿越，起到了遮挡作用.无论是二维边界元还是三维边界元，非均质介质的界面上的连续性条件是解决非均质弹性力学问题［50，7881］的关键条件.水力裂缝与层理的干扰行为与边界元三维位移不连续法的结合还有待进一步研究，主要难点体现在层理面的张开或滑移破坏了连续性条件［50］.（3）在天然裂缝网络中模拟分段水力压裂裂缝的扩展.边界元三维位移不连续法虽然在模拟分段压裂裂缝扩展方面优势明显［7072］，离散的天然裂缝网络与单条水力裂缝的干扰也已不再是难点，但多裂缝中的流体动力学与边界元三维位移不连续法的耦合依然是一个尚待解决的科学难题.页岩气储层中岩石力学特性，对水力压裂多裂缝数值模拟提出了更高的要求，页岩在水压作用下的断裂特征是改进水力裂缝模拟的标杆.与扩展有限元、离散元相比，边界元在解决页岩气储层水力裂缝问题上已经表现出更大的优越性和可行性.在模拟页岩气储层单条裂缝在裂缝性储层中扩展时，扩展有限元、边界元、离散元均可较好地解决流固耦合问题.在模拟页岩气储层多级压裂裂缝扩展时，必须考虑裂缝间的应力干扰问题.边界元三维位移不连续法则表现出更大的优越性，是一个行之有效的数值方法.另外，在页岩气储层水力压裂多裂缝数值模型中，页岩各向异性、非均质性以及离散裂缝网络是值得探索的研究方向.【相关文献】1王永辉，卢拥军，李永平.非常规储层压裂改造技术进展及应用.石油学报，2012，33（S1）:149-1582 Fisher MK，Wright CA，Davidson BM，et al.Integrating fracture mapping technologiesto optimize stimulations in Barnett shale.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，San Antonio，Texas，USA，20023 Zhou J，Chen M，Jin Y，et al.Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45（7）:1143-11524 Cheng W，Jin Y，Chen M.Experimental study of stepdisplacement hydraulic fracturingon naturally fractured shale outcrops.Journal of Geophysics and Engineering，2015，12:714-7235 Cheng W，Jin Y，Chen M.Reactivation mechanism of natural fractures by hydraulic fracturing in naturally fractured shale reservoirs.Journal of Natural GasScience&Engineering，2015，23:431-4396 Jacobi DJ，Gladkikh M，LeCompte B，et al.Integrated petrophysical evaluation of shale gas reservoirs.CIPC/SPE Gas Technology Symposium 2008 Joint Conference，Calgary，Alberta，Canada，20087 Cheng W，Jin Y，Chen M，et al.A criterion for a hydraulic fracture crossing a natural fracture in a 3D space and its field application.Petroleum Exploration&Development，2014，41（3）:371-3768衡帅，杨春和，张保平等.页岩各向异性特征的试验研究.岩土力学，2015，36（3）:609-6169王倩，王鹏，项德贵等.页岩力学参数各向异性研究.天然气工业，2012，32（12）:1-410 Waters GA，Lewis RE，Bentley D.The effect of mechanical properties anisotropy in the generation of hydraulic fractures in organic shales.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denver，Colorado，USA，201111陈治喜，陈勉，黄荣樽等.层状介质中水力裂缝的垂向扩展.石油大学学报（自然科学版），1997，21（4）:24-3012 Wu R，Kresse O，Weng X，et al.Modeling of interaction of hydraulic fractures in complex fracture networks.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，201213 Nicolas PR，Mukul MS.Strategies to minimize frac spacing and stimulate natural fractures in horizontal completions. SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denver，Colorado，USA，201114 Bruce RM，Lucas WB.A discrete fracture network model for hydraulically induced fractures:theory，parametric and case studies.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，201115 Nicolas PR，Mukul MS.Optimizing fracture spacing and sequencing in horizontal-well fracturing.SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，Lafayette，Louisiana，USA，201016唐颖，唐玄，王广源等.页岩气开发水力压裂技术综述.地质通报，2011，30（23）:393-39917陈勉，庞飞，金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析.岩石力学与工程学报，2000，19（S）：868-87218程万，金衍，陈勉等.页岩储层水平井分段压裂裂缝间距设计方法及影响因素分析.科学技术与工程，2014，14（15）:1671-181519 Cheng Y.Boundary element analysis of the stress distribution around multiple fractures:implications for the spacing of perforation clusters of hydraulically fractured horizontal wells.SPE Eastern Regional Meeting，Charleston，West Virginia，USA，200920 Mutalik PN，Gibson B.Case history of sequential and simultaneous fracturing of the Barnett shale in Parker county.SPE Annual technical conference and exhibition，Denver，USA，200821 Waters G，Dean B，Downie R，et al.Simultaneous hydraulic fracturing of adjacent horizontal wells in the Woodford shale.SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，The Woodlands，Texas，USA，200922 Asferg JL，Poulsen PN，Nielsen LO.A consistent partly cracked XFEM element for cohesive crack growth.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2007，72（4）:464-48523 Dolbow J，Nicolas M，Ted B.An extended finite element method for modeling crack growth with frictional contact. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2001，190（51）:6825-684624 Karihaloo BL，Xiao QZ.Modelling of stationary and growing cracks in FE framework without remeshing:a stateof-the-art puters&Structures，2003，81（3）: 119-12925 Mariani S，Umberto P.Extended finite element method for quasi-brittlefracture.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2003，58（1）:103-12626 Legrain G，Moes N，Verron E.Stress analysis around crack tips in finite strain problems using the extended finite element method.International Journal for NumericalMethods in Engineering，2005，63（2）:290-31427 Ren Q，Dong Y，Yu T.Numerical modeling of concrete hydraulic fracturing with extended finite element method. Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（3）:559-56528 Lecampion B.An extended finite element method for hydraulic fracturemunications in Numerical Methods in Engineering，2009，25（2）:121-13329盛茂，李根生.水力压裂过程中的扩展有限元数值模拟方法.工程力学，2014，31（10）:123-12830曾青冬，姚军.基于扩展有限元的页岩水力压裂数值模拟.应用数学和力学，2014，35（11）:1239-124831 Mohammadnejad T，Khoei AR.An extended finite element method for hydraulic fracture propagation in deformable porous media with the cohesive crack model.Finite Elements in Analysis and Design，2013，73:77-9532 Arash DT.Analysis of hydraulic fracture propagation in fractured reservoir:an improved model for the interaction between induced and natural fractures.［PhD Thesis］.Texas:University of Texas at Austin，200933 Arash DT.Numerical modeling of multistranded-hydraulic fracturepropagation:accounting for the interaction between induced and natural fractures.SPE Journal，2011，16（3）:575-58134 Arash DT.Modeling simulaneous growth of multi-branch hydraulic fractures.45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，San Francisco，California，USA，201135 Nordren RP.Propagation of a vertical hydraulic fracture. SPE Journal，1972，12（4）:306-31436 Keshavarzi R，Mohammadi S.A new approach for numerical modeling of hydraulic fracture propagation in naturally fractured reservoirs.SPE/EAGE European Unconventional Resources Conference&Exhibition-From Potential to Production，Austria，201237 Fu P，Johnson SM，Carrigan CR.An explicitly coupled hydro-geomechanical model for simulating hydraulic fracturing in arbitrary discrete fracture networks. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2013，37（14）:2278-2300.38 Itasca Consulting Group.PFC2D User’s Manuals（Particle Flow Code in 2 Dimensions）.Minneapolis:Itasca Consulting Group，199939 Marina S，Derek I，Mohamed PY，et al.Simulation of the hydraulic fracturing process of fractured rocks by the discrete element method.Environmental Earth Sciences，2015，73（12）:8451-846940 Damjanac B，Gil I，Pierce M，et al.A new approach to hydraulic fracturing modelingin naturally fractured reservoirs.44th US Rock Mechanics Symposium and 5th USCanada Rock Mechanics Symposium，Salt Lake City，Utah，USA，201041 Cundall ttice method for modeling brittle，jointed rock.2nd Int’l FLAC/DEM Symposium on Continuum and Distinct Element Numerical Modeling in Geomechanics，Melbourne，Australia，201142 Pettitt WS，Hazzard JF，Damjanac B，et al.Microseismic imaging and hydrofracture numerical simulations.21st Canadian Rock Mechanics Symposium，Alberta，Canada，201243 Ben Y，Wang Y，Shi G.Challenges of simulating hydraulic fracturing with DDA.3rd ISRM Symposium on Rock Characterisation，Modelling and Engineering Design Methods. Shanghai，China，201344 Ben Y，Xue J，Miao QH，et al.Coupling fluid flow with discontinuous deformation analysis.Advances in Discontinuous Numerical Methods and Applications in Geomechanics and Geoengineering，London，201245 Ben Y，Xue J，Miao Q，et al.Simulating hydraulic fracturing with discontinuous deformation analysis.46th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，Chicago，Illinois，USA，201246 Ben Y，Wang Y，Shi G.Development of a model for simulating hydraulic fracturing with DDA.Frontiers of Discontinuous Numerical Methods and Practical Simulations in Engineering and Disaster Prevention，London，201347 Morgan WE，Aral MM.An implicitly coupled hydrogeomechanical model for hydraulic fracture simulation with the discontinuous deformation analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2015，73: 82-9448谢和平，高峰，周宏伟等.岩石断裂和破碎的分形研究.防灾减灾工程学报，2003，23（4）:1-9 49 Crouch SL.Solution of plane elasticity problems by the displacement discontinuity method.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1976，10:301-343 50 Crouch SL，Starfield AM.Boundary Element Methods in SolidMechanics.London:Goerge Allen and Unwin Publishers，198351 Perkins TK，Kern LR.Widths of hydraulic fractures.Journal of Petroleum Technology，1961，13（9）:937-94952 Antonin S，Michael PC.Three-dimensional simulation of hydraulic fracturing. Journal of Petroleum Technology，1984，36（07），170-17753 Barree RD.A practical numerical simulator for threedimensional fracture propagation in heterogeneous media. SPE Reservoir Simulation Symposium，San Francisco，California，USA，198354 John DM，John CP.Pseudo-three-dimensional fracture growth modeling.The 26th US Symposium on Rock Mechanics（USRMS），Rapid City，South Dakota，USA，1985 55。
页岩气地下储层裂缝特征分析方法研究页岩气地下储层裂缝特征分析方法研究摘要：页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，其开发利用具有重要的战略意义。
而页岩气成藏特点中的裂缝系统是页岩气储层中气体运移和产出的主要通道，因此对页岩气地下储层裂缝特征的研究具有重要的意义。
本文主要通过对页岩气地下储层裂缝特征分析的研究方法进行综述，包括实验室试验、地震地质学、测井解释等方法，以期提供对页岩气储层裂缝特征分析的参考和借鉴。
关键词：页岩气；地下储层；裂缝特征；分析方法1. 引言页岩气作为一种非常规天然气资源，由于其储量丰富、分布广泛等特点，受到了广泛的关注。
然而，与常规天然气不同，页岩气储层具有低孔隙度、低渗透率、高吸附性等特点，导致其气体的产出和运移困难。
因此，对页岩气储层的裂缝特征进行研究，有助于深入了解其储层特性和气体运移规律，为有效地开发利用页岩气提供科学依据。
2. 页岩气地下储层裂缝特征2.1 裂缝类型页岩气储层中的裂缝类型多样，常见的有裂缝系统（including fracture systems）、微裂缝网络（microfracture networks）和粉体颗粒间的裂隙。
裂缝系统是页岩中主要存在的裂缝类型，也是气体流动和运移的主要通道。
微裂缝网络则是裂缝系统的细分，常见于页岩中。
裂隙则是指岩石颗粒之间的间隙，常见于页岩储层。
2.2 裂缝参数页岩气储层中裂缝参数的研究可以帮助我们更好地了解裂缝特征和裂缝对气体运移的影响。
常用的裂缝参数包括裂缝密度（fracture density）、裂缝长宽比（fracture aspect ratio）和裂缝面积比例（fracture area ratio）等。
裂缝密度是指单位面积内裂缝的数量，反映了裂缝在储层中的分布状态。
裂缝长宽比是指裂缝的长度与宽度之比，可以帮助我们了解裂缝的形态特征以及对气体运移的影响。
裂缝面积比例则是指裂缝面积与岩石面积之比，反映了裂缝对储层的充填程度。
基于微地震定位和速度成像的页岩气水力压裂地面微地震监测缪思钰;张海江;陈余宽;谭玉阳;苗园园;黄振华;王飞;谢庆明【摘要】在非常规油气开发中,水力压裂技术可以极大地提高油气开采的效率.在压裂过程中,伴随着新的裂缝产生或已经存在裂缝的重新激活,会诱发大量微地震事件.对我国西南地区某垂直页岩气井水力压裂地面微地震监测数据进行了处理和分析.与常规微地震数据处理过程相比,在进行微地震事件定位的同时,利用微地震信号对储层由于压裂导致的速度变化进行了成像分析.采用双差地震成像算法,利用绝对到时和波形互相关得到的相对到时数据联合反演速度结构及震源位置.反演结果显示,微地震定位精度与传统网格搜索法相比有较大改善.对于不同的压裂深度,微地震空间分布和速度异常呈现出不同的特点.整体上由于裂缝的存在,微地震位于低vp区域.而对于vs来说,在深部微地震位于低速异常区域,但在浅部则位于高速异常区域.结合岩石物理实验结果和波形分析,推测在浅部微地震和高vs关联是由于该区域天然裂缝发育并且气体处于饱和状态.研究结果表明,综合微地震定位和速度成像可以更加全面地刻画页岩气水力压裂过程和裂缝分布.【期刊名称】《石油物探》【年(卷),期】2019(058)002【总页数】11页(P262-271,284)【关键词】微地震;震源定位;波形互相关;双差成像;页岩气;水力压裂【作者】缪思钰;张海江;陈余宽;谭玉阳;苗园园;黄振华;王飞;谢庆明【作者单位】中国科学技术大学地球和空间科学学院万泰微地震实验室,安徽合肥230026;中国科学技术大学地球和空间科学学院万泰微地震实验室,安徽合肥230026;中国科学技术大学地球和空间科学学院万泰微地震实验室,安徽合肥230026;中国科学技术大学地球和空间科学学院万泰微地震实验室,安徽合肥230026;安徽万泰地球物理技术有限公司,安徽合肥230026;重庆地质矿产研究院,重庆401120;重庆华地工程勘察设计院,重庆404100;重庆地质矿产研究院,重庆401120【正文语种】中文【中图分类】P631水力压裂是低渗透油气藏改造的重要手段,通过在目标储层产生新的裂缝网络,为低孔隙油气藏提供油气运移的通道[1-6]。
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展一、本文概述随着全球能源需求的持续增长，页岩气作为一种重要的清洁能源，其开发与应用日益受到人们的关注。
页岩储层水力压裂裂缝扩展是页岩气开发过程中的关键技术，其模拟研究对于优化压裂工艺、提高页岩气采收率具有重要的指导意义。
本文旨在全面综述页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的最新研究进展，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考。
本文首先介绍了页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的研究背景和意义，阐述了水力压裂技术在页岩气开发中的重要作用。
接着，文章回顾了国内外在该领域的研究现状，包括裂缝扩展模型的建立、数值模拟方法的发展以及实际应用案例的分析等方面。
在此基础上，文章重点分析了当前研究中存在的问题和挑战，如裂缝扩展过程中的多场耦合作用、裂缝形态的复杂性以及模型参数的确定等。
为了推动页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究的发展，本文提出了一些建议和展望。
应加强基础理论研究，深入探究裂缝扩展的物理机制和影响因素，为模型的建立提供更为坚实的理论基础。
应发展更为先进、高效的数值模拟方法，以更好地模拟裂缝扩展的复杂过程。
还应加强实验研究和现场应用，以验证和完善模拟模型，推动水力压裂技术的不断进步。
通过本文的综述和分析，相信能够为页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究提供新的思路和方向，为页岩气的高效开发提供有力的技术支持。
二、页岩储层特性分析页岩储层作为一种典型的低孔低渗储层，其独特的物理和化学特性对水力压裂裂缝的扩展具有显著影响。
页岩储层通常具有较高的脆性，这是由于页岩中的矿物成分（如石英、长石等）和微观结构（如层理、微裂缝等）所决定的。
脆性高的页岩在受到水力压裂作用时，更容易形成复杂的裂缝网络，从而提高储层的改造效果。
页岩储层中的天然裂缝和层理结构对水力压裂裂缝的扩展具有重要影响。
这些天然裂缝和层理结构可以作为裂缝扩展的潜在通道，使得水力压裂裂缝能够沿着这些路径进行扩展，从而提高裂缝的复杂性和连通性。
利用微地震事件重构三维缝网刘星;金衍;林伯韬;向建华;钟华【摘要】前人大多从定性角度利用微地震事件点分析体积缝网的二维建模,或者利用微地震事件点提取个别裂缝参数以校核基于一定假设的随机离散裂缝网络,但缺乏基于微地震事件的稳健、直接的三维缝网重构方法.为此,根据微地震事件点和裂缝面的几何相关性,使用随机模拟一致性算法(RANSAC)识别裂缝面产状,在裂缝几何模型优选的基础上,开发了一套稳健的三维缝网重构方法(RFM3D).为了分析算法的有效性和稳健性,提出了缝网相似性评价指标(ADI),使用蒙特卡罗方法生成随机缝网后离散为人工的模拟事件点,在增加不同比例的噪点后进行RFM3D.研究结果表明:①室内压裂实验发现,可用随机多边形模型描述实际裂缝形状.②RFM3D算法易于匹配复杂的裂缝几何模型,在一般条件下该算法至少能克服1o％的噪点干扰,可较准确地重构压裂缝网的几何形态,算法具有较好的稳健性.③随着噪点比例增大,ADI随噪点比例满足logistic增长模式;随着缝网中裂缝数目的增多,ADI临界点也随之降低.因此,在重构大规模体积缝网时噪点比例应严格控制在10％以下才能得到稳定、可靠的结果.【期刊名称】《石油地球物理勘探》【年(卷),期】2019(054)001【总页数】10页(P102-111)【关键词】微地震监测;三维缝网;随机模拟一致性;缝网重构;水力压裂【作者】刘星;金衍;林伯韬;向建华;钟华【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102200;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102200;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102200;中国石油西南油气分公司,四川成都610065;中国石油西南油气分公司,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】P6310 引言随着水力压裂技术在页岩气开发过程中的广泛应用，微地震监测技术逐渐成为实时监测裂缝扩展和压裂效果评价的关键技术[1-4]。
岩石裂缝扩展机理模拟与预测技术研究岩石裂缝扩展是岩石工程中一个非常重要的问题。
裂缝的形成与岩体的物理力学性质、构造和应力状态密切相关。
在工业界和研究机构中，通过对岩石裂缝扩展机理的模拟和预测，可以有效地提高岩石工程的施工效率和安全性，降低工程成本和风险。
岩石裂缝扩展机理的模拟和预测技术是一个较为复杂的过程。
在模拟过程中，需要考虑岩石的物理力学特性和岩体内部的裂隙统计学特性等多种因素。
目前，研究人员主要采用数值模拟方法和实验方法来研究岩石裂缝扩展机理。
一、数值模拟方法数值模拟方法是目前应用最广泛的研究岩石裂缝扩展机理的方法。
数值模拟的优点是能够模拟各种复杂的岩石载荷状态和裂隙网络结构，为工程应用提供了极大的便利。
目前，数值模拟主要有以下几种方法。
1. 非连续元素法非连续元素法是目前应用比较广泛的一种数值模拟方法。
该方法以裂缝为界面，将岩石分为不同的单元，计算裂缝接触压力和张力状态。
非连续元素法能够模拟岩石的破碎、裂缝扩展和变形等过程，能够对岩石在不同载荷下的变形、破坏及破碎过程进行模拟。
2. 离散元素法离散元素法是一种应用于固体力学和岩土工程力学领域的数值模拟方法。
该方法能够模拟岩石断裂的萌发和扩张过程，对岩石的整体性能进行研究。
离散元素法的优点是能够考虑岩石内部的微观结构特征，并仿真岩石破坏的全过程。
3. 有限元素法有限元素法是一种通用的数值分析方法，广泛应用于各个工程领域。
有限元素法是以岩石物理力学基本方程为基础，以弹性理论、塑性理论等力学理论为基础，从子区域下手，将岩石体划分为有限的单元，在整个体系中推导出各个关键量的解析解。
该方法可计算应力、力、位移、位移梯度、应变与应变率等多种参数，并能够模拟岩石在不同应力状态下的破裂和断裂。
二、实验方法实验方法是研究岩石裂缝扩展机理的重要方法之一。
实验方法可以通过模拟不同的岩石载荷状态和裂隙结构，观察岩石的裂缝萌发和扩展变化及其破坏过程。
目前，研究中主要采用以下几种实验方法。
作者简介:季玉新,高级工程师,1967年生;1988年毕业于青岛海洋大学海洋石油物探专业;长期从事物探方法研究及软件开发工作,发表过多篇学术论文。
地址:(100083)北京市学院路31号。
电话:(010)82312643。
E 2mail :jiyx @裂缝储层预测技术及应用季玉新(中国石化石油勘探开发研究院处理解释中心) 季玉新.裂缝储层预测技术及应用.天然气工业,2007,27(增刊A ):4202423. 摘 要 裂缝性油气藏有着巨大的勘探潜力,在实际生产中发现了不少裂缝性的油气藏,且都有高产井发现。
裂缝性储层,各向异性复杂,勘探开发难度大。
为此,在研究和开发这些先进的裂缝预测技术的基础上,选择了两个典型裂缝性油藏为研究区,根据研究区的裂缝储层的特点,选择了不同的技术,预测了目的层的裂缝方位和分布密度,圈出了目标储层的最有利区域,取得了较好的效果,为将来裂缝性储层的勘探工作提供了可以借鉴的技术应用思路,将会带来重大的经济和社会效益。
主题词 裂缝方位 构造应力 方位角 地震勘探 反演一、裂缝储层的特点及技术思路 地壳中所有大小不同的断裂,可以广义地归结到裂缝的概念,包括伴有岩层位移的宏观裂缝,如巨大的断裂,逆掩断层和小型断裂(一般正断层和逆断层),以及地层没有明显位移的岩石小裂缝(微裂缝)。
地层中裂缝发育与否的信息,无非从岩石力学特征、应力应变特征、地震测井等观测数据中表现出来,根据目前的技术现状和目标区的储层裂缝特征,利用综合裂缝储层预测技术来进行裂缝储层的预测才能取得良好的效果。
新老探区往往首先具有大量翔实而准确的构造信息资料,从地质力学的角度入手,研究地质构造运动过程和对裂缝形成的作用,对于油田在裂缝性油藏尤其是构造裂缝为主的油区来说,这将是最快速、直接和有效的技术。
然后,从含有丰富地下地质信息的地震资料研究入手,在进行岩石物理特征分析和正演模拟的基础上,结合地震属性的优势,得到裂缝储层的地震属性特征,用高质量地震资料做好多方位角地震信息处理,用研究的多方位地震定量计算目的层的裂缝方位和分布密度,圈出目标储层的最有利区域。
页岩气水平井段内多簇裂缝同步扩展模型建立与应用时贤;程远方;常鑫;许洪星;吴百烈;蒋恕【摘要】水平井分段多簇压裂技术是开发页岩气藏的核心技术手段,分析段内多裂缝同步扩展规律和进行段内簇间距优化设计对提升水平井压裂效果具有重要意义.基于多层压裂流量动态分配思想,考虑缝间应力干扰、射孔和摩阻压降损耗、滤失等影响建立多簇裂缝同步扩展数学模型,利用改进Picard法进行方程组求解并开展敏感性分析.研究结果表明,簇间距对多簇裂缝扩展的影响最为明显,当簇间距达到缝高高度时,缝间力学干扰则几乎可以忽略;簇间距越近,则整个缝簇系统受到应力干扰影响越为明显,而加大压裂液黏度则可以明显改变缝宽,一定程度上抵消应力干扰影响;地层滤失系数增加则会显著降低改造体积范围,射孔密度对缝簇扩展影响较小.提出的段内多裂缝扩展数值模型简化了数学建模步骤,综合考虑了影响裂缝扩展的岩石力学和工程因素,且计算速度快,精度可靠,可为水平井段内簇间距压裂优化设计工作提供技术支持.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】6页(P247-252)【关键词】页岩气;分段压裂;应力干扰;缝簇优化;流量分配【作者】时贤;程远方;常鑫;许洪星;吴百烈;蒋恕【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司;中国海洋石油总公司研究总院;美国犹他大学能源与地球科学研究院【正文语种】中文【中图分类】TE377页岩气储层具有低孔、低渗等特征，通过水平井分段多簇压裂技术进行储层压裂改造是目前开发此类气藏的核心技术［1-2］。
美国六大页岩气藏水平井分段多簇压裂产能统计数据发现，压裂段内约有30%以上的压裂缝簇没有工业气流，即使在具有高产气量的压裂段内也存在6%～22%左右的无效缝簇［3］。
微地震等裂缝监测数据表明，簇间距设置不当引起的应力干扰会引起裂缝扩展受限甚至闭合，是造成压裂效果低下的根本原因。
