水力压裂（Hydraulic-induced fractures）的最新研究进展

 

深层地热能开发主要使用增强型地热系统（EGS）从热干岩石（HDR）中提取热量。利用水力压裂技术建立大规模裂缝网络对于提高EGS的采热效率至关重要。高温岩石上的水冷却冲击降低了岩石的力学性能，同时增加了HDR的压裂效果。本文提出了一个热-水力-机械耦合模型，研究了HDR水力压裂中水冷冲击对裂缝萌生和形态的影响。通过理论解析解和物理实验结果，如高温花岗岩水力压裂实验，以及应力阴影效应和裂缝起始压力的解析解，证实了耦合模型的有效性。采用耦合模型进行了数值模拟，研究了HDR水力压裂过程中的裂缝扩展和损伤演化特征，以及水冷冲击对高温岩石的压裂效果。最后，研究了初始岩石温度、地应力和传热系数对裂缝形态的影响。结果表明，拉伸强度退化、水冷冲击、冷缩引起的热应力和孔隙水压力的综合作用是水力裂缝萌生和扩展的主要原因。水冷冲击可以显著降低裂缝起始压力，诱发更多的次生裂缝，形成更复杂的裂缝网络。岩石的初始温度和传热系数影响热应力和抗拉强度的劣化。高的初始岩石温度、大的表面传热系数和小的地应力差可以帮助形成复杂的裂缝网络。

 

 

 

 

 

 

砂砾岩是一种重要的非常规致密油气藏。由于砂砾岩的形成具有很强的非均质性和多变的岩性，其中含有大量大小、形状和矿物成分不同的砾石，因此砂砾岩的力学特性更加复杂，导致断裂形态更加复杂。本文提出了一种生成不规则多边形砾石的数学方法，并基于二维颗粒离散元法建立了不同砾石特性砂砾岩的水力压裂模型。首次揭示了水力裂缝与砾石相互作用的内在力学机制，结果表明，这种相互作用主要受砂砾岩变形协调引起的应力场不均匀分布的影响。研究了地质和工程因素对砂砾岩水力裂缝扩展的影响。结果表明，砂砾岩的裂缝发育主要受注入速度、压裂液粘度、砾石强度和砾石空间分布的影响。砾石粒径大、砾石强度低、应力差大、注入速率高、压裂液粘度高，有利于砾石渗透的发生。水力裂缝与砾石相互作用的微观机制主要受砂砾岩变形协调引起的应力场不均匀分布的影响。本研究可为致密砂砾岩油藏油气开发提供关键技术支持和理论指导。

 

 

 

 

我们介绍了一种在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中进行实验室规模多级水力压裂的新实验和建模方法，并研究了基于压力的水力压裂监测方法。该方法结合了内部圆形V形缺口法和在后续阶段之间建立水力隔离的方法。利用注入井和监测井的高分辨率压裂实验模型，我们给出了井周围位移、压力和应力演化的新结果。我们确定了注入引起的区域旋转变形和水力裂缝的不对称生长。我们量化了监测井对旋转变形和裂缝不对称性的作用。我们分析了不排水变形在生成监测井对注入井单个裂缝阶段的压力响应中的作用。我们的研究结果表明，实验室规模的多级水力压裂是一种有用的工具，可以使用现场偏移井的压力数据来估计水力压裂的几何形状和性质。

 

 

 

 

水力压裂集成了有助于建立、增加和稳定天然气和石油产量的关键技术。特别是工作压裂液系统的性能对增产作业的效果有很大影响。油气藏增产领域涉及多种压裂液。然而，传统的压裂液，如瓜尔胶压裂液，往往会在许多储层中沉积残留物，不适合用于致密储层的水力压裂。粘弹性表面活性剂（VES）压裂液，也称为清洁压裂液，由于其制备简单，具有优异的粘弹性，不需要交联剂，遇到油和/或地层水时会自动断裂，易于返回排放，对地层的危害较小，因此应用越来越广泛。此外，VES压裂液体系依靠表面活性剂的粘性变形和交联形成的网络胶束结构来输送支撑剂。VES系统改变了传统压裂工艺中压裂液携带支撑剂的方式。它们还提高了填充层能力的导电性，并通过避免残留物沉积来减少对储层的二次损害的可能性。近年来，VES压裂液的研究和现场应用取得了实质性进展，本研究对这方面的工作进行了综述。描述并严格评估了最常用的表面活性剂及其性质，以及它们的操作优势和劣势，以及VES应用中需要改进的领域。特别是，确定了纳米颗粒（NP）对基于VES的压裂液性能的影响，以及VES部署可以帮助解决的特定压裂液问题。该综述还涉及与VES压裂液相关的经济和环境问题，并就进一步推进VES压裂剂应用所需的未来研究提出建议。

 

 

 

 

水力裂缝的数值模拟由于其多物理性质，是一个关键但具有挑战性的计算问题。本文通过将平面三维（PL3D）裂缝扩展模型与有效的欧拉-拉格朗日（E–L）支撑剂输运模型相结合，开发了一个集成的水力压裂模拟器。裂缝扩展模型分别采用有限体积法（FVM）和位移间断法（DDM）求解流体流动和岩石变形。对于支撑剂的输送，我们开发了一个伪三维多相细胞颗粒（P3D MP-PIC）模型，其中流体流动通过FVM作为连续体进行处理，但颗粒以拉格朗日方式作为离散相进行跟踪。与欧拉-欧拉（E–E）支撑剂输运模型相比，P3D MP-PIC可以有效地处理多模式颗粒模拟（即不同尺寸或材料的颗粒），并避免数值扩散问题。通过分析溶液和实验室实验验证了裂缝扩展和支撑剂运移模型。我们采用单向耦合策略来考虑复杂裂缝扩展和流体泄漏对泥浆输送的影响，其中首先通过裂缝扩展模型计算动态裂缝几何形状和流体泄漏，然后使用P3D MP-PIC进行全耦合流体-颗粒模拟。该集成模型可以在工业现场规模上模拟具有不同围压的多层储层的压裂处理。模拟结果可以改进有效/支撑裂缝几何形状的预测，并改进压裂设计。