位金鹏开题报告解读.docx

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位金鹏开题报告解读

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目天然裂缝参数对页岩水力压裂裂纹扩展影

响数值模拟

指导教师唐巨鹏

院（系、部）力学与工程学院

专业班级虚拟仿真11-1班

学号1216030113

姓名位金鹏

日期2016年3月21日

教务处印制

一、选题的目的、意义和研究现状

1、目的和意义：

世界上有大量油气储存在低渗裂缝性储层中，随着工业发展对石油与天然气需求的大幅增加以及相关技术的不断进步，裂缝性油气藏在行业中所占比重越来越高。

特别对于目前的一大热点——致密气、页岩气等非常规气藏更是石油工作者关注的焦点。

天然裂缝对于非常规气藏极其重要[1]，如果没有天然裂缝，就难以从这些储层中采出天然气或至少没有工业开釆价值。

对于这类储层（页岩储层、盆地的储层、西德克萨斯的碳酸盐岩储层[2]、地层的页岩储层[3]和气藏[4]由于储层致密和天然裂缝导流能力低，需要采用增产措施例如水力压裂来达到经济产量。

但是对于裂缝性储层的水力压裂，天然裂缝是一把双刃剑：

一方面，天然裂缝的大量滤失可能导致砂堵，天然裂缝使水力裂缝的延伸存在较大不确定性而致使水力压裂更加难以控制；另一方面，在特定储层（如页岩气）中，通过水力压裂尽可能将水力裂缝与天然裂缝相互沟通、扩大裂缝网络体积，能够大幅提高产量。

因此，开展水力裂缝在裂缝性储层中的延伸，特别是水力裂缝与天然裂缝相互作用机理的研究，对于低渗裂缝性储层正确利用天然裂缝（降低天然裂缝的影响，甚至变害为利）、提高该类储层开采效率有极大的指导意义。

大量现场监测数据和室内试验研究证实，裂缝性储层中的水力裂缝不再是均质储层中出现的对称双翼裂缝，而是非对称、非平面的复杂裂缝。

目前对于裂缝性储层中水力裂缝扩展机理认识不足，而常规水力裂缝模拟模型无法模拟此类复杂裂缝形态，如果仍然采用常规水力裂缝延伸模型进行模拟和指导压裂设计，将出现与实际情况的极大偏差，最终导致压后效果不佳甚至压裂施工失败。

因此，有必要开展裂缝性储层水力裂缝动态扩展理论研究。

然而，裂缝性储层中水力裂缝的扩展为沿任意路径，需要计算和更新每一时步水力裂缝扩展方向，并对裂缝进行实时追踪。

目前应用于水力裂缝模拟的方法（例如有限元法）由于需要预设路径而难以实现水力裂缝沿任意路径扩展的模拟。

同时，每一时步裂缝面施加的流体压力在不断变化，而且遭遇天然裂缝后流体压力分布变得更加复杂，均大大增加了裂缝性储层中复杂路径水力裂缝动态扩展模拟的难度。

上述分析可见，裂缝性储层中模拟单条水力裂缝的动态扩展已经困难重重，若再叠加水力裂缝与多条天然裂缝的同时作用将会大大增加模拟难度，而且裂缝性储层中随机分布的大量天然裂缝的建模问题本身就较为复杂。

因此，本文着重于研究单条水力裂缝与单条天然裂缝的相互作用，多条裂缝的相互作用模拟可在此基础上进一步研究。

针对上述问题，本文对裂缝性储层中水力裂缝动态扩展开展了系统、深入的研究。

引入扩展有限元法解决水力裂缝沿任意路径扩展这一难题，虽然该方法可避免预设路径的问题，但无法直接应用于水力压裂模拟。

为此，本文开展了大量研究以改进扩展有限元法，使得扩展有限元法较好地适用于裂缝性储层的水力裂缝动态扩展模拟。

通过对裂缝性储层水力压裂特殊性分析，建立了水力裂缝与天然裂缝相遇后的位移模式，提出了裂缝性储层水力裂缝动态扩展准则以及水力裂缝追踪方法。

同时，建立了遭遇天然裂缝前后水力裂缝内流体压力分布模型，建立了等效节点力加载模型，提出了裂缝内流体压力在扩展有限元模型中的加载方式，最终实现了以单条水力裂缝与单条天然裂缝相互作用为核心的裂缝性储层水力裂缝动态扩展模拟。

通过本文的研究将获得影响裂缝性储层‘

中水力裂缝扩展的影响因素，更好地指导裂缝性储层水力压裂优化设计，提高改造的有效性和针对性。

因此，本文的研究对于推动裂缝性储层压裂改造理论的发展和现场应用都具有重要的意义。

2、研究现状

针对裂缝性储层压裂人们还开展了大量理论模拟研究。

一些研究者开发了预测这些储层裂缝行为的工具或者模型。

这些模型建立的第一步必然是特征参数的选取和天然裂缝（或弱平面）的位置布置，这是一个极大的挑战，因为地层中的天然裂缝很难表征。

通过微地震可以表征天然裂缝[5]，但是并不可靠。

文献中，通常随机产生天然裂缝，但实际上天然裂缝可能是构造运动的结果而不仅仅是一个随机现象。

因此，Olson[6]从断裂力学的观点研究了岩石中的这些节理类型，他试图复制节理的间隔、长度和开度，考虑了一些机械参数，并在二维数值模型中使用了亚临界延伸定律。

他指出裂缝类型高度依赖于亚临界延伸指数（n）。

对于n较大的情况，裂缝趋于成群出现，许多短的裂缝出现在一些长裂缝之间，然而对于n较小时，裂缝间距很规则，裂缝长度也很大。

这对于研究水力裂缝与天然裂缝的相互作用是非常重要的一步。

Lam和Cleary[7]模拟了层理面或者摩擦界面对水力裂缝延伸的影响。

他们假设了平面应变条件，并使用了位移不连续法。

在他们的模型中，裂缝为滑移而非张开，天然裂缝的作用较大，裂缝内的压力恒定。

Renshaw和Pollard[8]出了一个裂缝行为的准则，以判断水力裂缝是穿过未粘合面还是出现未粘合面的滑移。

Cooke和Underwood[9]研究了沿着接触面的局部滑移、分离和后续的张开，使用位移不连续方法来研究可能的裂缝相交模式。

他们考虑的接触面是仅仅能够滑移的界面、仅仅能够张幵的界面和既能滑移又能张开的界面。

然而他们考虑的裂缝是远场拉伸应力驱动代替流体驱动。

Koshelev和Ghassemi[10]使用复变量奇异边界元法模拟了靠近天然裂缝的水力裂缝以及两个非均质体的界面。

他们证明天然裂缝和其他非均质体能够在不同的初始裂缝倾角、载荷和几何形状下产生不稳定的裂缝形态。

但是沿着水力裂缝的压力分布被假设为恒定，他们的模拟过程中流体流动仍然有待解决。

Wu[11]等研究了一个两种材料界面的破裂行为。

他们除了使用传统的质量和能量守恒，还使用各向异性断裂能的格里菲斯广义断裂准则。

他们研究中的基本假设：

裂缝内的流体为均勻压力，界面为捍接的，这都有待改善。

Potluri[12]等调研了各种裂缝的相互关系准则，提出了一个基于不同应力差、逼近角、断裂韧性、天然裂缝内的压力降等条件，不同类型靠近天然裂缝的裂缝延伸模式的系统准则。

尽管如此，这些分析尝试，沿着天然不连续体的就地应力被假设为不会受到水力裂缝的影响，也就是说，没有考虑水力裂缝与天然裂缝之间的力学关系。

Zhang[13]等考虑了水力裂缝中流体流动，获得了与天然裂缝相交的压力分布，并研究了裂缝进一步延伸的条件。

岩石被模拟为不可渗透的均质弹性介质，流体为以恒定排量注入的不可压缩牛顿流体。

预置裂缝表面的摩擦力假设为服从库企定律，使用了位移不连续方法和有限差分法来解决岩石断裂和流体流动之间的稱合。

Thiercelin和Makkhyu[14]提出了一个基于位错理论的半解析模型来预测靠近水力裂缝的天然断层的重新幵启。

他们认为重新开启发生在裂缝相交之前。

他们分析了天然裂缝面的最大拉伸应力来确定裂缝重新开启的最可能位置。

尽管如此，他们没有考虑天然裂缝重新开启对就地应力的影响以及对相互作用模式的改变。

由于这个问题本身较为复杂，上述研究仅限于一条水力裂缝靠近单条天然裂缝。

结果表明，发生在靠近天然裂缝的水力裂缝扩展时产生的裂缝形态可能很复杂，也由相交点附近的应力状态和天然裂缝材料性质所决定。

二、研究方案及预期结果

1、研究内容：

本文论述的是利用数值模拟的方法研究裂缝扩展的规律，利用基于有限元计算方法的RFPA软件进行模拟计算。

除此之外还利用其它数值模拟方法，例如边界元等进行简单模拟。

1：

首先学习研究裂缝扩展规律所需用到的力学和计算机知识。

这其中涉及到了断裂力学、线弹性力学、岩石力学、渗流力学、流体力学、RFPA软件的学习，裂缝的启裂条件的建立分析需要岩石力学和断裂力学的相关知识。

力学知识方面的学习包括了本构方程、几何方程、输运方程、平衡方程。

裂缝的扩展准则，天然裂缝和因外界条件所引起的裂缝两者的定义和区别，天然裂缝的种类。

所研究的页岩所处的环境和受力条件，这为之后的模型的建立、简化、计算是必须的。

研究裂缝扩展时所需要做出的假设，本文所研究的页岩处于比较复杂的条件之下，将所有的条件都加以模拟计算是不现实的，将计算条件加以简化，抛开那些对裂缝的扩展不产生影响的因素，使计算过程更加高效。

学习地应力场的相关知识，描述地层的原始地应力条件。

在此基础上给出结果的猜想和假设。

2：

进行研究内部裂缝分布规律分析，应用分型理论描述裂缝网络的分布规律，分析裂缝变化参数与天然裂缝参数的变化规律建立力学模型，选择三种以上的单元进行模拟计算并对其作出比较，施加不同的边界条件和初始条件，将断裂力学，线弹性力学，岩石力学等给出的方程利用软件给予实现，验证所建立的模型是否符合这些方程，依次来选择最合适的模型和单元。

建模加载完毕后开始计算，并解决计算中所遇到的问题，做出总结。

在此基础上考虑各种可能影响裂缝扩展各种因素，包括地应力、渗透率、弹性模量和施工参数，给出了裂缝的延伸扩展规律和控制参数。

3：

分析计算得出的结果，包括得出的各种结果图，数据等，与计算之前的假设和猜想进行对比，分析存在差异的原因和影响因素，最终得出结果。

2、技术路线：

3、预期结果：

1、得出合适的力学模型；

2、得出水力压裂裂纹的参数；

3、通过多种模拟的模拟，得出各种天然裂缝参数对页岩水力压裂裂缝的影响；

4、总结出因为水力压裂技术所造成的裂缝遇到天然裂缝时的形态和扩展规律；

5、总结水力压裂裂缝的规律；

6、从计算过程中找出影响因素。

三、研究进度

第6周：

整理所需要的资料，完成基本资料的准备；

第7-8周：

学习断裂力学、RFPA软件；

第9-10周：

建立实验所需要的力学模型并且检验其是否合理；

第11-12周：

为模型添加各种条件，并求解计算；

第13-15周：

计算结果分析，结果校核,如有错误进行改正；

第16-17周：

完成结果总结；

第18-19周：

论文成稿并准备答辩。

四、主要参考文献

[1]AguileraR.RoleofnaturalfracturesandslotporosityonTightGasSands[C}.SPE114174,2008.

[2]BrittLK。

HaeerCJ.HvdraulicfracturinginanaturallvfracturedreservoirfCl.SPE28717,1994.

[3]HopkinsCW,RosenRL,HillDG.CharacterizationofaninducedhydraulicfracturecompletioninanaturallyfracturedAntimshalereservoir[C].SPE51068,1998

[4]JiangT,ZhangY,WangY,etal.TheStudyandFieldApplicationsofHydraulicFracturingTechnologyInClay-CarbonateReservoirsWithHighTemperature,DeepWellDepthanddenselydistributedNaturalFractures[C].SPE99387,2006.

[5]ZhangX,SandersonDJ.NumericalModelingandAnalysisofFluidFlowandDeformationofFracturedRockMasses[M].NewYork:

Permagonpress,2002.

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[7]FisherMK,WrightCA,DavidsonBM,etal.IntegratingFractureMappingTechnologiestoOptimizeStimulationsintheBarnettShale[C].SPE77441,2002.

[8]WarpinslciNR,WolhartSL,WrightCA,etal.AnalysisandPredictionofMicroseismicityInducedbyHydraulicFracturin[J].SPEJourna1,2004,9

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[9]BlantonTL.AnExperimentalStudyofInteractionbetweenHydraulicallyInducedandPre-ExistingFractures[C].SPE10847,1982.

[10]WarpinskiNR,TeufelLW.InfluenceofGeologicDiscontinuitiesonHydraulicFracturePropagation[J].SPEJournalofPetroleumTechnology,1987,39

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五、指导教师意见

指导教师签字：