水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究

【摘要】： 本文综述了国内外水力压裂技术已取得的研究成果以及水力压裂数值模型的演变过程，介绍了渗流场和应力场耦合计算的研究进展，并简要说明了断裂力学的研究进展和裂纹扩展的数值方法。从有限元计算机模拟这个角度详细阐述了水力压裂数值模拟涉及到的相关计算力学技术。根据平行板间的压降方程推导出裂缝面内的压力表达式，并利用ABAQUS用户子程序接口FLOW和DISP用Fortran编写出压力表达式加载程序嵌入到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。模拟了水力压裂缝的扩展过程，并考察了压裂液粘度、地应力等各种地质参数对裂纹扩展的影响。最后建立了薄油层水平多缝的压裂计算模型，重点模拟了隔层厚度和裂缝条数对缝间干扰的影响，并提出了缝间干扰控制方法。 通过计算分析得到一些有益结论。主要有：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。提出了临界缝宽的概念，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。裂尖的孔隙比与法向应力大小成正比，而与静水压力成反比。渗流场的孔隙比和静水压力成反比关系。在注入压力一定的情况下，起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比，而与压裂液粘度、最大水平地应力、弹性模量无关；裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比，而与最大水平地应力无关。水力压裂作业中，缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。缝间间距越小，水平多缝的相互干扰越严重。储层和隔层的应力差越大，水平多缝间的干扰就越小；可通过改变压裂缝的注入压力控制水平多缝的干扰。一次压裂造缝条数越多，则缝间干扰越严重，但裂缝条数对裂缝扩展的影响是有限的，超过一定条数后干扰程度将不再增加。缝间干扰对每条裂缝的干扰程度是不一致的，处于外围油层裂缝受到的干扰较轻，而内围油层裂缝受到的干扰较重。本研究的结论为水力压裂作业参数优化和平衡限流法压裂完井技术提供了理论依据。