水力裂缝在地层界面处的扩展规律研究

作     者：刘力铭 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭建春

授予年度：2014年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：地层界面 岩性差异 复变函数法 破坏准则 扩展规律 

摘      要：随着油气勘探的不断深入和油气资源需求量的不断增加,水力压裂的改造对象已经从砂岩储层发展到砂泥岩交互储层、页岩储层、煤层等复杂储层,由于水力裂缝在此类储层中扩展时受到地层界面和岩性差异等因素的影响,扩展形态非常复杂。根据国内外学者的研究成果,水力裂缝在地层界面处的扩展形态主要包括停止扩展、穿过地层界面、沿地层界面扩展等几大类。对于地层界面发育的储层,采用的压裂理念与常规储层存在一定的差异,相应的对水力裂缝在地层界面处的扩展形态也有不同要求。准确认识水力裂缝在地层界面处的扩展规律,对于压裂工艺选择和压裂设计实施具有重要指导意义。 迄今为止,许多学者对水力裂缝在地层界面处的扩展形态已开展了大量的研究工作,但前人的研究普遍基于连续介质断裂力学理论,在计算应力场时并未考虑地层界面和岩性差异等因素的影响,不利于准确分析水力裂缝在地层界面处的扩展形态。本文基于界面力学理论和复变函数法,考虑地层界面和岩性差异的影响,建立了水力裂缝在地层界面处扩展时的应力场计算模型;基于裂缝尖端塑性区理论,提出了水力裂缝尖端塑性区修正公式;结合岩土破坏准则,提出了水力裂缝在地层界面处可能的扩展方式和判别准则;最终完成了水力裂缝在地层界面处扩展规律分析。 通过以上过程的深入研究主要取得了以下成果和认识：(1)基于复变函数法建立的水力裂缝在地层界面处扩展应力场计算模型考虑了地层界面两侧岩石性质差异和地层倾角的影响,通过将应力场计算模型进行简化后与Ⅰ型Griffith裂纹受单向拉伸问题应力场计算模型的对比表明模型正确可靠。(2)提出了水力裂缝尖端塑性区修正公式,通过计算表明,水力裂缝尖端塑性区的存在消除了水力裂缝尖端应力奇异性的影响,对水力裂缝未接触地层界面问题可忽略水力裂缝尖端塑性区的影响,对水力裂缝接触地层界面问题水力裂缝尖端塑性区的影响不可忽略。(3)区别于常规认识,水力裂缝在地层界面处扩展时的破坏方式不仅包括地层界面一侧或两侧岩石发生张性破坏,还包括地层界面发生剪切破坏、地层界面发生张性破坏和复合型破坏。(4)地层界面两侧应力场不连续性和变化斜率受岩石力学参数和构造参数影响,这对水力裂缝是否穿过地层界面存在较大影响。(5)当地层界面强度较弱时,水力裂缝未接触地层界面时地层界面已发生破坏,并且地层界面的稳定性与地层界面类型、岩石力学参数、远场地应力、构造参数、水力裂缝与地层界面距离和压裂参数等因素存在重要关系。(6)水力裂缝接触地层界面时,地层界面两侧塑性区大小对水力裂缝的扩展规律存在较大的影响,此外水力裂缝的扩展规律与岩石力学参数、远场地应力、构造参数和压裂参数等因素存在重要关系。 通过本文的研究将极大地丰富对水力裂缝在地层界面处扩展规律的认识,更好地指导砂泥岩交互储层、页岩储层、煤层等具有明显地层界面储层的压裂工艺选择和压裂设计,提高压裂施工的成功率和有效率。