不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验_赵益忠

收稿日期:2006-07-15

作者简介:赵益忠(1980-),男(汉族),山东潍坊人,博士研究生,从事深部岩石力学方面的研究。

文章编号:1673-5005(2007)03-0063-04

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

赵益忠1

,曲连忠1

,王幸尊2

,程远方1

,沈海超

1

(1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.华北石油管理局井下作业公司,河北任丘062500)摘要:利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验,得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低,抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。

关键词:水力压裂;裂缝扩展;模拟实验;几何形态中图分类号:TE 357.1 文献标识码:A

Si m ulation experi m ent on prol ongation la w of hydraulic

fracture for different lithol ogic for m ations

Z HAO Y -i zhong 1

,QU L i a n-zhong 1

,WANG X i n g -zun 2

,C HENG Yuan -fang 1

,S H EN H a-i c hao

1

(1.Co llege of Petrole um Engineer i ng in Chi na Universit y of P etro leu m,D ongy ing 257061,Shandong P rovince ,China;

2.W orkover Co mp any of H uabeiP etroleu m A d m inis t ration Bureau ,R enq i u 062500,H ebei P rovince ,China )

Abstrac t :S i m u lati on exper i m ents on the i n iti ation and pro l ongati on m echan i s m s of hydrauli c fractures w ere conducted by a true tr i ax i a l test sy stem w it h basa lt ,boulde rstone and m uddy li m estone ,and the fracture g eom etry and the var i ation law of pressure w ith ti m e were obta i ned .T he res u lts show that t he basalt has few na t ura l fractures and strong tensile strength ,the initiati on of fract u res res u lts i n obv i ous pressure drop ,and t he desirable double w i ng fractures a re fi na ll y f o r m ed .Boulde r -stone is found to have l ots o f natural fractures and i nd i sti nct pressure drop or i g i nated from t he fracture i n iti a tion .T he fract ures fracturi ng at h i gh de livery rates a re mu lti ple sets o f co m plex ones .The fr i ction resistance of fractures pro l onga ti on i s l a rger ,and t he va l ue of pro l onga ti on pressure i s equa l to the fract ure pressure .M uddy li m estone shows lo w er tens ile streng t h and partiall y dev eloped natura l fractures .The frac t ure pressure is re l a ti ve l y lo w er ,and t he pro longation pressure is al m ost equa l to the m i n i m al ho rizonta l in -sit u stress i n m uddy li m estone .

K ey word s :hydrau lic frac t ur i ng;fract ure pro longati on ;si m u l a ti on experi m ent ;geom etry

近年来在我国许多油田相继发现了一些特殊岩

性油藏,大多为深层、低渗油藏,常通过压裂增产技术提高其单井产量

[1-3]

。由于这些特殊岩性地层的

力学性质与砂岩油藏有很大差异,有必要对其压裂机理进行基础研究。水力压裂模拟实验是认识裂缝

扩展机理的重要手段,20世纪90年代以来,Zheng -w en Zeng 等

[4]

进行了砂岩破裂压力与注入速率关

系的模拟实验,刘迎香等

[5]

进行了混凝土试样重复

压裂裂缝延伸的模拟实验,陈勉等[6]

则进行了三轴

应力条件下砂岩压裂模拟实验,得到了一些有益的结论。现场施工表明,玄武岩、凝灰岩等特殊岩性地层的压裂规律与常规砂岩地层有较大差异,有必要对这些特殊岩性地层水力裂缝延伸规律进行深入研究。

1 真三轴压裂模拟实验系统

本研究所用模拟压裂实验系统是中国石油大学

2007年 第31卷 中国石油大学学报(自然科学版) V o.l 31 N o .3 第3期 Journa l o f China U n i versity of Pe tro leum Jun .2007

(华东)岩石力学实验室人员自行建造的一套真三轴模拟实验系统。利用该实验系统不仅能够进行压裂机理研究,还可进行井眼失稳破坏机理及岩石破坏机理等方面的研究工作。实验系统整体结构如图1

所示。

图1 真三轴压裂模拟实验系统示意图

该实验系统的最大工作压力为40M Pa ,可对立方体试件的3组垂直表面单独施加压力以模拟地应力状态,由伺服控制注入泵按预先设定的排量向模拟井眼中注入模拟压裂液,由数据采集系统采集实验过程中不同时刻压裂液的压力数据。

2 压裂模拟实验及其结果分析

211 试样制备

华北油田在深层勘探开发过程中,钻遇玄武岩、巨砾岩、泥灰岩3套典型的特殊岩性油藏。这些岩石无论从组织结构还是力学性质上,都与传统砂岩油藏有巨大的差别,其中,玄武岩岩性致密;巨砾岩胶结差,颗粒粒径相差较大,发育有微小裂缝;泥灰岩粒径均匀,胶结较松散。为了对这些特殊岩性油藏进行压裂优化设计,先通过室内模拟实验研究这些油藏裂缝起裂和传播规律。实验岩样尺寸为105mm @105mm @93mm,中心孔(井眼)直径为10mm 。

212 实验参数

模拟实验前对实验岩心基础力学参数进行了测试,结果见表1。实验所用地应力参数根据华北油田地应力特点确定,见表2。研究过程中对多块试件进行了压裂模拟实验。本文中以4号玄武岩岩心、8号巨砾岩岩心、9号泥灰岩岩心为例,分析这些特殊岩性地层裂缝起裂及延伸规律。

表1 实验岩心基础力学参数

岩性弹性模量E /GPa 泊松比M 抗拉强度S t /M Pa B i ot 系数A 玄武岩27.450.2366.080.58巨砾岩20.050.1845.680.74泥灰岩

7.87

0.197

1.15

0.69

表2中的裂缝起裂压力计算值是采用经典的裸

眼井垂直井眼起裂模型[4-6]

p f =3R h -R H +S t -A p p 计算得到的,其中,p p 为井壁附近孔隙压力,MPa 。从表2可以看出,相对于巨砾岩及泥灰岩而言,玄武岩起裂压力实验值与计算值偏差较大,可能是因为测定的玄武岩B iot 系数偏大的缘故。

表2 水力压裂模拟实验参数

M Pa

岩心编号岩性垂向地应力R v

最大水平地应力R H

最小水平地应力R h

起裂压力实验值p f1起裂压力计算值p f 2489

玄武岩巨砾岩泥灰岩

161616

191919

121212

201814101315

171281310314170

前人压裂模拟实验过程中采用的地应力相对较

低

[2-3]

,不能较好地模拟地层压力条件。本实验过程

中采用的地应力水平较高,由表2可知,最小水平地应力也达到了12MPa ,在井眼起裂的瞬间及裂缝延伸过程中可以有效地钳制裂缝的惯性延伸。213 压裂模拟实验结果分析21311 玄武岩

用蒸馏水模拟压裂液,以015mL /m in 的排量注入井眼。实验过程中记录井眼压力随注入时间的变化规律,实验曲线如图2所示。裂缝传播一定距离后,进行了瞬时停泵、裂缝重张实验。压裂后试样几何形貌如图3所示。

图2 4号玄武岩岩心压裂模拟实验压力曲线

图3 4号玄武岩岩心压裂后的形貌

通过图2可以看出,由于玄武岩渗透率较低,初始压力上升较快,在达到2017M Pa 的峰值压力后压

力有较小的回落,后重新上升至2018MPa ,这反映

#

64#中国石油大学学报(自然科学版) 2007年6月

出裂缝在井壁上的起裂过程,162s 时宏观裂缝形成,压力大幅回落,随后裂缝压力基本维持在14M Pa 左右,裂缝向前延伸。540s 时停泵,压力迅速下降到1115M Pa ,而后稳定在10M Pa 。660s 时重新开泵,裂缝重张压力仍基本维持在14M Pa 左右,与延伸压力相当。900s 时停泵,停泵后期压力降落缓慢,再次说明了玄武岩试样渗透率较低。图3的实验照片也清晰的显示,岩心表面沿最大水平地应力方向发展了双翼对称裂缝。

从实验结果可看出,玄武岩岩性较致密,渗透率较低,抗拉强度高,压裂曲线中存在明显的起裂现象,起裂后压力降低明显。裂缝穿过井眼周围一定距离后,压力基本保持稳定,裂缝继续向前延伸,延伸压力大于最小水平地应力2MPa 左右,这说明玄武岩断裂韧性较大,对裂缝延伸起到一定程度的阻碍作用。模拟实验压力曲线趋势与现场压裂施工压力曲线趋势具有相似性。

21312 巨砾岩

考虑到巨砾岩裂缝比较发育,选用注入排量为2mL /m i n ,大于玄武岩的注入排量,压力曲线如图4所示。从压力曲线可以看出,在低排量下,裂缝起裂后,压裂液沿微小裂缝渗滤,造成初始压力上升较缓慢,达到某一值时,将微裂缝张开,压力下降,即裂缝基本是沿着原有裂缝路径传播的。为探讨能否沿最大主应力方向形成光滑裂缝,用煤油模拟压裂液,采用21mL /m i n 的大排量进行了压裂实验。裂缝扩展到一定距离后,进行裂缝重张实验。压后试样照片如图5

所示。

图4 8号巨砾岩岩心压裂模拟实验压力曲线

通过8号岩心大排量压力曲线可以看出,26s 时压力达到峰值14M Pa ,后来压力基本维持在13M Pa 左右进行延伸,222s 时停泵,244s 时以相同排量重新开泵,缝中压力达到13MPa 左右时重新维持

在该压力水平,裂缝继续向前延伸,436s 时停泵。分析压裂模拟曲线可看出,裂缝起裂不会导致明显

的压降,压裂液在较高压力下通过井壁上形成的多

条裂缝稳定的滤失,裂缝的延伸压力比最小水平地应力大1MPa 左右。通过图5的照片也可看出,巨砾岩岩心压裂后形成多条不规则裂缝,大大增加了巨砾岩渗透率。

图5 8号巨砾岩岩心压裂后的形貌

从巨砾岩实验结果可看出,巨砾岩岩心胶结差,岩心非均质程度较高,天然裂缝较为发育,渗透率高。采用小排量进行压裂时,压裂液主要沿天然裂隙流动;采用大排量进行压裂时,能够形成宏观裂缝,但易形成多裂缝,压裂裂缝延伸不规则,导致压裂液流动阻力较大。213.3 泥灰岩

模拟压裂液介质为煤油,排量为316mL /m i n ,实验曲线如图6所示。裂缝扩展到一定距离后,进行裂缝重张实验。压后试样照片如图7所示。

图6 9号泥灰岩岩心压裂模拟实验压力曲线

图7 9号泥灰岩岩心压裂后的形貌

从图6可以看出,120s 左右压力达到峰值1315M Pa ,接着压力有1MPa 左右的回落,然后裂缝以12

#

65#第31卷 第3期 赵益忠,等:不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

M Pa左右的压力向前延伸,712s时停泵,752s压力降落到6M Pa时重新开泵,压力在短时间内重新上升至1313M Pa,然后裂缝以13M Pa左右的压力向前延伸。通过图7也可看出,沿最大水平地应力方向产生了一条较为明显的裂缝。

从泥灰岩实验结果可以看出,泥灰岩破裂压力较低,由于井眼裂缝起裂而导致的压力陡降现象不明显,一方面是因为泥灰岩抗拉强度较低,另一方面是因为该块泥灰岩井眼周围发育有一定程度的天然裂缝,导致破裂压力较低。

3结论

(1)对于玄武岩,天然裂缝发育程度较低,岩石抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压力降低,压裂后能够形成比较理想的双翼缝。玄武岩断裂韧性较高,会对裂缝延伸起到一定程度的阻碍作用,使得裂缝延伸压力比最小水平地应力大1~2MPa。

(2)对于巨砾岩,天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,导致裂缝扩展摩阻很大,使裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当。对于巨砾岩等天然裂缝发育程度较高的地层,建议采用较高排量进行压裂施工。

(3)对于泥灰岩,抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,导致破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。

参考文献:

[1]刘一江,李相方.深层低渗储层压裂工艺优化技术

[J].天然气工业,2005,25(8):94-96.

L I U Y-i ji ang,L I X i ang-fang.O pti m i zati on o f fracturi ng

techn i ques for deep reservo irs w ith lo w per m eab ility[J].

N atura l G as Industry,2005,25(8):94-96.

[2]李阳,曹刚.胜利油田低渗透砂岩油藏开发技术[J].

石油勘探与开发,2005,32(1):123-126.

L I Y ang,CAO G ang.D evelop m ent techno l ogy f o r l ow-

per m eab ility sandstone rese rvo irs i n Sheng liO ilfield[J].

Pe tro leum Exp l o ration and D evelop m ent,2005,32(1):

123-126.

[3]唐洪俊,刘洪,熊继有.高压深层低渗透储层改造技术

的研究与应用[J].天然气工业,2005,25(12):97-99.

TANG H ong-j un,L I U H ong,X I ONG J-i you.T echniques

for deep lo w per m eable rese rvo irs w it h h i gh pressure[J].

N a t ura lG as Industry,2005,25(12):97-99.[4]ZENG Zheng-w en,ROEG I ERS Jean-c laude.Exper i m enta l

observati on of i n j ection rate i nfl uence on t he hydraulic

fract ur i ng behav ior of a ti ght gas sandstone[R].SPE

78172,2002.

[5]刘迎香,赵宇新,杨永平,等.重复压裂裂缝延伸模拟

实验研究[J].江汉石油学院学报,2004,26(1):92-94.

L I U Y i ng-x iang,Z HAO Yu-x i n,YANG Y ong-pi ng,e t a.l

F racture ex tension si m u lati ng experi m ent in refractur i ng

process[J].Journa l of Ji anghan P etroleu m Institute,

2004,26(1):92-94.

[6]陈勉,庞飞,金衍.大尺度真三轴水力压裂模拟与分析

[J].岩石力学与工程学报,2000,19(增):868-872.

CHEN M i an,PANG F e,i JIN Y an.Exper i m ents and ana-l

ysis on hydrauli c fractur i ng by a large size triax i a l si m u l a-

to r[J].Chinese Journal o f R ock M echan i cs and Eng-i

neer i ng,2000,19(sup):868-872.

[7]程远方,王桂华,王瑞和.水平井水力压裂增产技术中

的岩石力学问题[J].岩石力学与工程学报,2004,23

(14):2463-2466.

CHENG Y uan-fang,W ANG Gu-i hua,W ANG Ru-i he.

R ock m echanics proble m s i n hor izon tal w ell fractur i ng

[J].Chi nese Journa l o f R ock M echanics and Eng i nee r-

i ng,2004,23(14):2463-2466.

[8]周代余,郭建春,赵金洲,等.裸眼完井下的大位移井

裂缝起裂研究[J].西南石油学院学报,2002,24(6):

32-35.

Z HOU D a-i yu,GUO Jian-chun,ZHAO Ji n-zhou,e t a.l

Study o f fracture i n iti a ti on o f t he extended reach we lls

w ith open ho l e comp l e ti on[J].Journa l o f South w est Pe-

tro leu m Institute,2002,24(6):32-35.

[9]张广清,陈勉,王强.斜井井筒附近水力裂缝空间转向

模型研究[J].石油大学学报:自然科学版,2004,28

(4):51-55.

Z HANG Guang-q i ng,CHEN M ian,W ANG Q i ang.T hree-

di m ensi onal model for space reor i entati on o f hydraulic

frac t ures near deflecti ng w e ll bore[J].Journa l o f t he U-

niversity of P etro l eu m,China(Ed iti on o f N atural Sc-i

ence),2004,28(4):51-55.

[10]陈勉,陈治喜,黄荣樽.大斜度井水压裂缝起裂研究

[J].石油大学学报:自然科学版,1995,19(2):30-35.

C HEN M ian,C HEN Zh-i x,i HUANG Rong-zun.H ydrau-

li c fract ur i ng o f h i ghly dev i ated w ell s[J].Journal of the

U n i versity o f P etro l eu m,Ch i na(Ed iti on of N a t ura l Sc-i

ence),1995,19(2):30-35.

(编辑李志芬)

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#中国石油大学学报(自然科学版)2007年6月

水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究

水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究 摘要：水力压裂技术已经广泛应用于页岩储层以显著提高产量。然而，据钻井人员汇报大量压裂液流失于地下不能回收，滞留压裂液对页岩组成的影响机制尚不清晰，滞留压裂液可被页岩基质、微裂缝和裂缝表面吸收，本文旨在研究渗吸作用对页岩基质渗透性、微裂缝渗透性和裂缝渗透性的影响，首次探究页岩渗透性变化与页岩渗吸作用二者之关系，并提供大量水力压裂过程中页岩伴随渗吸作用渗透性增减结果。 本文实验采用压力恢复法测定岩样渗透率，采用失重法进行渗吸实验，样品来源于Niobrara、HornRiver及Woodford地区页岩地层。 实验结果表明，滞留压裂液会损害页岩基质渗透性，使其渗透率大为降低，样品吸收液体越多，基质渗透率降低越显著，渗吸作用造成张开裂缝渗透率减小，但减小量不及基质渗透率，此外，润滑作用使页岩样品微裂缝再次张开，导致渗吸作用过程中微裂缝渗透率提升。 渗透率这一指标决定着页岩地层长期产气量，本文研究水力压裂过程中渗吸作用影响下页岩渗透率变化情况，观察得到渗吸作用不仅损害页岩组成，还会通过张开闭合或密封天然裂缝增加渗透率而对页岩组成造成潜在影响。 1.简介 随着水力压裂技术在页岩和其他非常规地层的成功应用，预计到2020年，美国原油的产量将从2008年的5百万桶/日增加至10.6百万桶/日；同时页岩和其他低渗储层的石油产量将增长到全国原油总产量的一半。从2008年开始美国页岩气产量预计将增长近9倍（EIA，2015）。 水力压裂技术的一般程序主要分为5个步骤，包括垫注，凝胶浆注射，冲洗注射，注井和水回收。水回收是该井投入生产前水力压裂处理的最后一步。这一步在水力压裂过程中很重要和必要，因为它可以控制和最小化压裂液的损伤。不过，很多操作人员报道注入页岩储层的压裂液只有不到50％可以回收（Alkouh和Wattenbarger，2013）。这个可能是因为水力压裂后页岩储层系统能量较低。一般来说，裂缝较为常规、较不复杂时系统能量较高。能量越高，会导致回收液体流流量越大、流速越高。但是页岩储层的裂缝很复杂，导致裂缝回收液体占比很少，需要花费几周来完成回流，比常规页岩储层长得多（King，2010；Wu等，2010）。在页岩中，如此大量的剩余液体对产量的影响成为一

深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法与相关技术

图片简介: 本技术介绍了一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，包括以下步骤，获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型，根据实际工程问题确定水力裂缝扩展模拟相关参数，建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述模型开展数值计算，得到数值模拟结果，根据数值模拟结果进行压裂效果分析，本技术采用弹塑性本构方程描述深层油气藏压裂过程中的岩石非线性变形，耦合井筒内、裂缝内和基质中流体流动，实现深层油气藏水力裂缝扩展过程的精准模拟，并对压裂效果进行定量分析，为深层油气藏人工压裂的预测、评价和优化提供有效手段。 技术要求 1.一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤: S1.获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型； S2.确定所述水力裂缝扩展数值模拟的相关参数； S3.建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述深层油气藏水力裂缝扩展数学模型开展数值计 算，得到数值模拟结果； S4.根据所述数值模拟结果进行压裂效果分析。 2.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S1包括： 根据深层油气藏的实际地质数据和现有地质模型数据，获取在水平面上的所述天然裂缝分布信息，包括裂缝的中心点、长度、倾角信息； 根据所述天然裂缝分布信息，建立所述离散天然裂缝系统几何模型； 若地层中不发育有天然裂缝，则此步骤省略。

3.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： S2所述相关参数包括： 岩石弹性力学参数，包括杨氏模量和泊松比； 岩石塑性力学参数，包括内摩擦角、膨胀角和粘聚力； 岩石断裂力学参数，包括抗拉强度和断裂能； 岩石天然裂缝性质，包括内聚力和摩擦角； 岩石物理参数，渗透率和孔隙度； 储层参数，储层厚度、孔隙压力和水平主应力； 压裂液参数，粘度、密度和注入速率。 4.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S3包括： S3.1.构建岩石非线性变形模型； S3.2.构建流体流动模型； S3.3.构建全局嵌入式内聚区模型； S3.4.多物理场耦合求解。 5.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建岩石非线性变形模型包括构建应力平衡方程、几何方程和弹塑性本构方程； 所述岩石非线性变形，采用德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则进行描述； 所述弹塑性本构方程，基于所述德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则，根据增量塑性理论推导获得。 6.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建流体流动模型包括构建井筒内流体流动模型、裂缝内流体流动模型和基质内流体流动模型；所述井筒内流体流动，被简化为一维流动，其流动规律符合基尔霍夫定律；

裂缝对混凝土结构耐久性的影响

裂缝对混凝土结构耐久性的影响 摘要：混凝土在现代工程建设中占有重要地位，而在今天混凝土的裂缝较为普遍，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。在工程中，现浇混凝土板的裂缝现象也是不可避免，要求我们在现场施工中要尽量做到科学合理，采取有效的预防措施，是能够减少裂缝现象产生的；对于施工中已经产生的裂缝，在分析其发生原因后，进行科学的处理和加固补强措施，贯彻预防为主的原则，完善设计及加强施工等方面的管理，使结构尽量不出现裂缝或尽量减少裂缝数量和宽度，使现浇混凝土楼板能够满足正常使用条件下的安全性和耐久性要求，以确保结构安全。 关键词：混凝土结构；裂缝；耐久性 abstract: the concrete in the construction of modern engineering occupies an important position in the cracks of the concrete and today more common, in bridge engineering fracture in almost is everywhere. in engineering, the cast-in-situ concrete board the cracks of the phenomenon is inevitable, requests us in the field construction will need to try to do is rational and scientific, and take effective measures, is to reduce cracks phenomenon; for the construction of the crack has generated, on the analysis of the cause, the scientific process and reinforcement to fill strong measures to implement the principle of prevention,

高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究_张小东

第４２卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１３年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１３高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究 张小东１，２，张　鹏１，刘　浩１，苗书雷１ （１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作　４５４００３； ２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京　１０００８３） 摘要：为了研究煤层气井水力压裂后的裂缝扩展规律，以沁水盆地南部煤层气井为例，基于区内煤储层的物性特征和水力压裂工程实践，根据水力压裂原理，采用数值分析的方法，探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，构建了高煤级煤储层水力压裂的裂缝扩展模型，并进行了验证．研究结果表明：区内煤层气井压裂后形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．区内常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７．０ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．模型计算结果与实测值、生产实践较为吻合． 关键词：高煤级煤；水力压裂；滤失系数；裂缝扩展模型 中图分类号：Ｐ　６１８．１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１３）０４－０５７３－０７ Ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｒａｎｋ　ｃｏａｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ１，ＬＩＵ　Ｈａｏ１，ＭＩＡＯ　Ｓｈｕ－ｌｅｉ　１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｍｉｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｌａｗ　ｏｆ　ｃｏａｌ－ｂｅｄ　ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ａｆｔｅｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｔｏｏｋ　ｃｏａｌ－ｂｅｄ　ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｓｈｕｉ　ｂａｓｉｎ　ａｓ　ａ　ｃａｓｅ　ｉｎ　ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｌａｗ　ｏｆ　ｃｏａｌ－ｂｅｄ　ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ａｆｔｅｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄ　ｐｒｏ－ｐｏｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ａｌｓｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｒａｎｋ　ｃｏａｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ　ｄｕｒ－ｉｎｇ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆｔｅｎ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｏ　ｍｕｄｓｔｏｎｅ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｏｆ　ａｎｄｔｈｅ　ｆｌｏｏｒ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｏｎｅｓ；ｔｈｅ　ｓｈａｐｅｓ　ｏｆ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｃｏｎ－ｆｏｒｍ　ｔｏ　ＫＧＤ　ｍｏｄｅｌ；ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｌｅｎｇｔｈｓ　ｏｆ　ｎｏｒｍａｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｗｅｌｌ　ｖａｒｙ　ｆｒｏｍ　４７．８ｍ　ｔｏ　１７７．０ｍ，ｗｉｔｈ　ａｎ　ａｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　９０．６ｍ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｗｉｄｔｈｓ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　０．０１３ｍｔｏ０．０４９ｍ，ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ａｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　０．０２８ｍ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｔ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｒａｎｋ　ｃｏａｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｅｘｔｅｎ－ 收稿日期：２０１２－０８－２１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２１１３）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目（ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１） 通信作者：张小东（１９７１－），男，河南省温县人，副教授，工学博士，从事煤地球化学、煤层气地质与工程方面的研究． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ＿ｗｅｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ　Ｔｅｌ：０３９１－３９８７９０１

页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)

收稿日期：20131204；改回日期：20140519 基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层低频脉冲水力压裂增渗机理研究”（51304258）；“863计划”页岩气勘探开发新技术“页岩气压裂裂缝微地震监测技术研究” （2013AA064503）作者简介：潘林华（1982－）， 男，工程师，2006年毕业于中国石油大学（北京）土木工程专业，2013年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。 DOI ：10.3969/j.issn.1006－6535.2014.04.001 页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展 潘林华 1，2，3 ，程礼军1，2，3，陆朝晖1，2，3 ，岳 锋 1，2，3 （1.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室重庆地质矿产研究院，重庆400042；2.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心 重庆地质矿产研究院，重庆400042； 3.油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心，重庆400042） 摘要：页岩储层低孔低渗，水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施，压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析，得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法，但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程；②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟方法，但各种方法都有其优缺点和适用性，需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展；③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成，天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大，复杂裂缝网络形成难度越大；天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小，越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词：页岩气；水平井；水力压裂；压裂技术；裂缝扩展；室内实验；数值模拟中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1006－6535（2014）04－0001－06 引言 页岩储层孔隙度、 渗透率极低，给页岩气的经济高效开发带来了极大的困难和挑战，长水平井段钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的关键和核心技术 ［1－2］ ，能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积，最终达到提高产量和采收率的目的。页岩储层脆性大，天然裂缝和水平层理发育，压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏 ［3］ ， 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝，可能形成复杂的网状裂缝，给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟方法的现状，分析了各种页岩水力压裂技术及压裂裂缝模拟方法的优缺点，对后续页岩储层水平井水 力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。 1页岩储层水力压裂技术 页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。1.1 页岩储层水平井多级压裂技术 水平井多级压裂技术是页岩储层开发的关键技术，长水平井段、多级水力压裂使页岩储层能够形成多条压裂裂缝，可以增大页岩储层与井筒的渗流通道［4］ 。目前常见的页岩水平井压裂主要有4 种。 （1）水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 ［5－6］ 。该技术是国内外常用的页岩储层水力压

煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析_郝艳丽

文章编号:1001-1986(2001)03-0020-03 煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析 郝艳丽,王河清,李玉魁　(中原石油勘探局井下特种作业处,河南濮阳　457061) 摘要:根据煤层气试验井的施工资料,分析了煤层压裂施工压力的特点以及井深、R o 与破压梯度的关系,并根据裂缝监测(测井温法、大地电位法和微地震法)测量的裂缝方位和缝高,对煤层压裂形成的裂缝特点进行了分类和总结,提出了指导性的建议。关　键　词:煤层气;压裂;施工压力;裂缝中图分类号:P 618.11 文献标识码:A 1　引言 煤层气是指形成于煤化作用过程中,目前仍储集在煤层中的优质天然气。它的开发是一个排水降压的过程,由于煤层的低渗透特点,决定了需要进行水力压裂激化才能有效地分配井孔附近的压降,加速脱水增加产能。本文针对煤层压裂的复杂性,从压裂施工压力与裂缝形态方面,对煤层压裂裂缝的扩展进行了分析和总结,希望能给以后的煤层气开发提供有益的帮助。2　煤层压裂施工压力分析 压裂主要是通过高压注入流体,破裂地层,从而在地层中形成高导流能力的裂缝。施工过程中流体在岩石中流动产生的压力变化在一定程度上反映了裂缝延伸的复杂现象,煤层压裂施工分析主要是针对压裂施工压力进行分析。2.1　煤层破裂压力分析 煤层的特殊性决定了其不同于常规储层的压裂特点。国外曾把煤层压裂的非常规性总结成4个方面:①异常高的压裂压力;②裂隙限制于煤层,即使裂隙中的压力远高于围岩带的原位应力;③伴随着孔底压力增加的支撑剂注入;④初始液体注入过程中闭合压力的显著增加。为此我们首先分析了试验区的破裂压力梯度情况,做出了井深、R o 与井底破压梯度的散点图。(图1,2)由图1中看出试验井的煤层破压梯度在0.017～0.064M Pa /m 之间,一般都为0.023～0.045M Pa /m 。而且根据我们收集的资料 表明,同一煤层测试压裂与加砂压裂的破压梯度存 在着大约0.002～0.007M Pa /m 的差别,也就是说煤层的高滤失特点会造成大约0.002～0.007M Pa /m 的压降,损失在流体注入煤层引起孔隙压力增高而产生的孔隙弹性效应上,也有一部分加砂压裂破压梯度小于测试压裂的破压梯度的情况,这与压裂流体对煤层的冲刷有关。另外,从煤层镜质体反射率与破压梯度的散点图上(图2)看出,煤层破压梯度有随镜质体反射率增大而增大的趋势,即变质程度高的煤层,其煤层不易破裂。而且从变化趋势看,R o 几乎与破压梯度呈线性相关关系,这是否是普遍规律,有待于进一步进行理论和实验数据的分析 。 图1　 井深与破压梯度的散点图 图2　R o 与破压梯度的散点图 收稿日期:2000-05-15 作者简介:郝艳丽(1968—),女,河南清丰县人,中原石油勘探局井下特种作业处工程师,从事煤层气研究工作. · 20·煤田地质与勘探 CO A L G EO L O GY &EX PLO RA T ION V ol.29N o.3Jun.2001

基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用

基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用 摘要：为了能够准确地描述裂缝扩展规律，本文通过能量分布状态规律，探讨了在裂缝扩展过程中能量的变化规律，在对裂缝扩展的建立方面给出了新的思路，并由此对裂缝扩展驱动力给出了相对应的表达式。提出了有关裂缝扩展驱动力的裂缝扩展准则，建立了关于裂缝扩展速率计算模型。实例计算结果表明，该模型计算结果与实际吻合较好。 abstract： in order to accurately describe the law of fracture propagation， the article， from the energy distribution， presents a new idea about establishing the criterion of crack propagation， explores the regulation of energy changes in the fracture propagation process and then obtains the relevant expression of driving force of fracture propagation. at the same time， the criterion of crack propagation with the expression of driving force of fracture propagation is put forward， and the calculation model of crack propagation rates is built. the calculating result is accurate and agrees well with practical ones. 关键词：水力压裂；裂缝扩展；能量守恒 key words： hydraulic fracturing；crack propagation；conservation of energy 中图分类号：te371 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）

定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用_徐幼平

第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报 China Safety Science Journal Vol．21No．7 Jul．2011 定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用* 徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116 2中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116） 学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A 基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）； 国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。 【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己 15 －31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。 【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射 Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension in Directional Hydraulic Fracturing and Its Application XU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China） Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac- turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F 15 -31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value． Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase； RFPA2D-Flow software；acoustic emission *文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－20

1混凝土开裂损伤与结构的安全性和耐久性

第1章混凝土开裂损伤与结构的安全性和耐久性 混凝土是当今世界上用量最大、用途最广泛的工程材料。在土木、水利与建筑工程，海洋及港湾建设工程，交通运输与铁路工程，甚至航空航天工程，都有混凝土应用的实例。混凝土材料为人类的文明与建设，作出了巨大的贡献。 我国是世界上混凝土生产与应用最多的国家。2004年，我国水泥的产量达到了94亿t；混凝土的产量约20亿m3。在我国，建造了大量的高层与超高层建筑，钢筋混凝土铁路桥、公路桥、跨海大桥，海港码头及航空港等。混凝土结构的安全性和耐久性，对我国人民来说尤为重要。 混凝土是一种人造石材，应具有类似天然石材的耐久性。但试验和应用证明：混凝土结构在使用过程中，受土壤中、水中及空气中有害介质的侵蚀，或混凝土材料本身有害成分的物理、化学作用，会产生劣化；宏观上会出现开裂、剥落、膨胀、松软及强度下降等，严重影响了混凝土结构的使用寿命，甚至会发生结构破坏、倒塌，造成人员伤亡和经济损失。 混凝土结构的过早劣化开裂与破坏，也是资源与能源的巨大损失，给环境带来了污染。 混凝土的开裂，是混凝土结构劣化病变的宏观体现，也会进一步引起其他病害的发生与发展。因此，要了解混凝土开裂的原因与机理；了解混凝土结构开裂与安全性、耐久性的关系；以便采取措施抑制裂缝的发生与发展。 1．1钢筋混凝土建筑物的劣化现象 钢筋混凝土建筑物的劣化，一般来讲，是由以下8个方面造成的。 开裂、漏水、强度劣化、大挠度、中性化、钢筋腐蚀、冻害与表面劣化等。如表1－1所示。但是，在这些劣化现象中，如中性化是造成钢筋腐蚀劣化的原因，但混凝土本身还没有发生直接劣化现象。而大挠度变形以及漏水等其他方面的原因，会造成混凝土结构物出现劣化现象；此外，开裂与强度劣化、钢筋腐蚀等，和混凝土本身的劣化现象混杂在一起，这些现象的相互关系如图1－1所示，是相当复杂的。因此，推论各种劣化现象的原因以及由此而引起的修补和补强也就变得复杂了。

ABAQUS水力压裂模拟-XEFM-COHESIVE-交叉缝-复杂缝-转向缝-体积缝

ABAQUS水力压裂模拟|XFEM和Cohesive方法关键字：单缝、多缝、交叉缝、体积缝、转向缝、缝间干扰、储隔层 我是星辰北极星，水力压裂，对于石油工程的朋友并不陌生，它是石油开采和增产的重要手段；也广泛应用于地热开采、地基处理等领域。由于毕业于石油大学，所以有很多机会接触这方面的问题，也关注着ABAQUS在压裂领域的应用。这个专题将分享自己在水力压裂仿真中的一些积累，希望大家喜欢。 【主要内容】 一、内容概述 二、仿真要点介绍 2.1 ABAQUS水力压裂模拟常用仿真方法 2.2 地应力平衡分析（Geostatic） 2.3 渗流-位移耦合分析（Soils） 2.4 材料与单位制讲解 2.5 特殊的输出需求与定义 2.6 交叉裂缝处理 三、实例讲解 3.1 基于Cohesive单元的二维水力压裂模拟 3.2 基于Cohesive单元的三维水力压裂模拟 3.3 水力裂缝与天然裂缝相交模拟-Cohesive单元法 3.4 裂缝发育地层的水力压裂模拟-Cohesive单元法 3.5 基于XFEM的水力裂缝转向模拟 3.6 基于XFEM的水平井多段压裂裂缝的缝间干扰问题研究 【二维水力压裂模拟（Cohesive）】 通过这个简单的案例讲述采用Cohesive单元模拟水力压裂的基本技巧，让大家掌握注液、停泵憋压等基本设置，以及前后处理的一些技巧。

【三维水力压裂模拟（Cohesive）】 三维模型计算量较大，但可以模拟储隔层压裂过程中，水力裂缝限制在储层中扩展的形态，当然，下图中的裂缝形态主要受储隔层的材料性质和地应力状态影响；不合适的地层条件将导致水力裂缝窜层现象的发生。 【水力裂缝与天然裂缝相交模拟】 本例中采用Cohesive单元模拟水力裂缝交叉，并可通过该模型分析不同地应力情况下水力裂缝遇到天然裂缝后的扩展轨迹。应力差较小时，易促使天然裂缝张开；应力差较大时，水力裂缝可穿过天然裂缝。

第九章-混凝土结构变形、裂缝宽度及混凝土结构耐久性计算

第九章 混凝土结构变形、裂缝宽度及混凝土结构耐久性计算 概 述 对于超过正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危害性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式为， S k ≤R k 作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标准值和材料强度标准值确定。以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为， M k = CGG k +CQQ k 由于活荷载达到其标准值Q k 的作用时间较短，故称为短期弯矩，其值约为弯矩设计值的50%~70%。由于在荷载的长期作用下，构件的变形和裂缝宽度随时间增长，因此需要考虑上式中长期荷载的影响，长期弯矩可表示为， Ml = CGGk+yqCQQk yq 为活荷载准永久系数 9.1 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算 9.1.1 截面弯曲刚度的概念定义 对混凝土受弯构件，混凝土受弯构件的截面抗弯刚度不为常数而是变化的，其主要特点如下： （1）在裂缝出现前，曲线与直线OA 几乎重合，因而截面抗弯刚度仍可视为常数，并近似取0.85EcI 。当接近裂缝出现时，即进入第1阶段末时，曲??????? ????????????????????外观感觉用寿命致承载力降低，影响使裂缝过宽：钢筋锈蚀导——耐久性振动噪声心理承受：不安全感，门窗开关，隔墙开裂等对非结构构件的影响：振动、变形过大对其它结构构件的影响、精密仪器影响正常使用：如吊车——适用性—承载能力极限状态 —安全性—结构的功能

线已偏离直线，逐渐弯曲，说明截面抗弯刚度有所降低。出现裂缝后，即进入第Ⅱ阶段后，曲线发生转折，截面抗弯刚度明显降低。钢筋屈服后进人第Ⅲ阶段，此阶段M增加很少，截面抗弯刚度急剧降低。 (2)随配筋率ρ的降低而减小，截面尺寸和材料都相同的适筋梁，配筋率ρ大的，其M—φ曲线陡些，变形小些，相应的截面抗弯刚度大些；反之，截面抗弯刚度就小些。 (3)沿构件跨度，截面抗弯刚度是变化的，即使在纯弯区段，各个截面承受的弯矩相同，但曲率也即截面抗弯刚度却不相同，裂缝截面处的小些，裂缝间截面的大些。 (4)随加载时间的增长而减小，对一个构件保持不变的荷载值，则随时间的增长，截面抗弯刚度将会减小，但对一般尺寸的构件，三年以后可趋于稳定。在变形验算中，除了要考虑荷载的短期效应组合以外，还应考虑荷载的长期效应组合的影响，对前者采用短期刚度Bs，，对后者则采用长期刚度B 。 在混凝土受弯构件的变形验算中所用到的截面抗弯刚度，是指构件一段长度范围内的平均截面抗弯刚度(简称刚度)，相应的弯矩值为0.5～0.7Mu；考虑到荷载作用时间的影响，有短期刚度Bs 和长期刚度B的区别，且两者都随弯矩的增大而减小，随配筋率的降低而减小。 9.1.2 短期刚度Bs 考虑到荷载作用时间的影响，短期刚度Bs 的分析：裂缝基本等间距分布，钢筋和混凝土的应变分布具有以下特征： 1.沿梁长，受拉钢筋的拉应变和受压区边缘混凝土的压应变都是不均匀分 布的，裂缝截面处最大，裂缝间为曲线变化； 2.沿梁长，中和轴高度呈波浪形变化，裂缝截面处中和轴高度最小； 3.如果量测范围比较长（≥750），则各水平纤维的平均应变沿梁截面高度 的变化符合平截面假定。 9. 1.3 参数h、z 和y 1、开裂截面的内力臂系数η

混凝土六大常见裂缝及其措施防治

混凝土六大常见裂缝及其措施防治 混凝土裂缝是由于混凝土结构由于内外因素的作用而产生的物理结构变化，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。只有正确识别混凝土裂缝的产生原因，采取相应的措施，消除隐患，才能确保结构安全和正常使用。 1塑性坍落裂缝

一般多在混凝土浇注过程或浇注成型后，在混凝土初凝前发生，由于混凝土拌合物中的骨料在自重作用下缓慢下沉，水向上浮，即所谓的泌水，若是素混凝土，混凝土内部下沉是均匀的，若是钢筋混凝土，则混凝土沿钢筋下方继续下沉，钢筋上面的混凝土被钢筋支顶，使混凝土沿钢筋表面产生顺筋裂缝。这种塑性塌落裂缝，对于大流动性混凝土或水灰比较大的混凝土尤为严重。 裂缝一般特征：混凝土沿钢筋表面产生顺筋裂缝。 裂缝防治措施：要仔细选择集料的配级，做好混凝土的配合比设计特别是要控制水灰比，采用适量的减水剂；施工时混凝既不能漏振也不能过振，避免混凝土泌水现象的发生，防模板沉陷；如果发生这类裂缝，可在混凝土终凝以前重抹面压光，使裂缝闭合。 2塑性收缩（干缩）裂缝

一般多在混凝土浇注后，还处于塑性状态时，由于天气炎热、蒸发量大、大风或混凝土本身水化热高等原因，而产生裂缝。 裂缝一般特征：一般有两种形状：一种为不规则龟纹状或放射状裂缝；另一种为每隔一段距离出现一条裂缝；有时上述两类裂缝同时在混凝土构件上出现。 裂缝防治措施：选用干缩值较小早期强度较高的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；严格控制水灰比，掺和高效减水剂来增加混凝土的塌落度和和易性，减少水泥及水的用量；浇筑混凝土之前，将基层

和模板浇水均匀湿透；混凝土浇筑完毕及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等，保持混凝土终凝前表面湿润；尽量避开在过高温天气下浇筑混凝土。 3温度裂缝 一般是由于外界温度变化，使混凝土产生胀缩变形，这种变形即为温度变化，当混凝土构件受到约束时，将在混凝土构件内产生应力，当由此产生的混凝土内部的拉应力超过混凝土抗拉强度极限值时，混凝土便产生温度裂缝。

水力压裂报告

南桐矿业公司鱼田堡煤矿穿层钻孔定向水力压裂煤层增透 技 术 报 告 （初稿） 二〇一一年三月

防止煤与瓦斯突出在煤矿安全上一直是世界性的难题。在近年来重庆发生的煤矿安全重大事故中，瓦斯突出占了很高的比例。随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力在不断增加，瓦斯问题日益凸显。为解决重庆地区瓦斯治理难题，重庆能源投资集团科技有限公司联合重庆大学开展了定向水力压裂增透技术相关研究，并在松藻煤电有限责任公司逢春煤矿和南桐矿业有限责任公司鱼田堡煤矿进行了应用研究。在理论研究和实验室实验研究的基础上，在南桐矿业公司鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道实施了水力压裂并取得了以下成果： 通过2011-1-8日的实验得出，在鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道5#煤层起裂压力为23MPa，延伸压力为19MPa。实验共进行了40min，注水量为6.9m3。经现场查看，发现压裂孔东侧10m考察孔出口处压力表读数为15.6MPa，上方、西侧考察孔压力均超过压力表量程（10MPa），下方压力表没有读数，但有水流出。可以判断，鱼田堡5#煤层在40分钟以内其有效压裂范围能够达到10m以上。 分别在在4个考察孔附近钻进4个抽放孔进行瓦斯抽放考察压裂后瓦斯抽放参数。并于2011-01-26开始接抽，截止到2011-02-17，压裂孔平均抽放浓度为95.4%，平均抽放纯量为0.0673m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔2#平均抽放浓度为33.1%，平均抽放纯量为0.02m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔3#平均抽放浓度为33.4%，平均抽放纯量为0.0177m3/min；抽放孔4#平均抽放浓度为36.1%，平均抽放纯量为0.0192m3/min。压裂范围内平均抽放浓度为44.72%，平均抽放纯量为0.1389m3/min；相比同一抽放道普通钻孔抽放浓度（13.28571%）提高了 3.37倍，抽放纯量（0.00796 m3/min）提高了17.45倍。共抽放23天，5个孔共抽放瓦斯纯量为4725m3，相比同一抽放道5个钻孔瓦斯抽放纯量（368m3）提高了12.83倍。

水力压裂综述

文献综述 前言 水力压裂是油田增产一项重要技术措施。由地面以超过地层吸收能力的排量高压泵组将液体注入井中，此时，在井底附近便会蹩起压力，当蹩气的压力超过井壁附近地层的最小地应力和岩石抗张强度时，在地层中便会形成裂缝。随之带有支撑剂的液体泵入缝中，裂缝不断向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝提高了产油层导流能力，使油气能够畅流入井内，从而起到了增产增注的作用。 为了完成水力压裂设计，在地层中造成增产效果的裂缝，需要了解与造缝有关的地应力、井筒压力、破裂压力等分布与大小。这些因素控制着裂缝的几何尺寸，同时对与地面与井下设备的选择有关。同时，用于水力压裂的压裂液的性能、数量，支撑剂的排布情况关系到裂缝的几何尺寸，压裂技术-端部脱砂技术，对提高压裂效果起到很大作用，这些因素关系到能否达到油田增产的目的，需要进行详细研究。在建立适当的裂缝扩展模型的基础上，实现现场实际生产情况的模拟研究，对进一步优化水力压裂参数，提高压裂经济实用性起到很大作用。 这项油田增产措施自发展以来，得到国内外广泛采用，并且经不断的开发试验，已取得很大成效。 水力压裂技术的发展过程 水力压裂技术自 1947 年美国堪萨斯州进行的的第一次试验成功以来，至今近已有60余年历史。它作为油井的主要增产措施，正日益受到世界各国石油单位的重视及采用 ,其发展过程大致可分以下几个阶段: 60 年代中期以前 ,各国石油公司的工作者们的研究工作已适应浅层的水平裂缝为主，此时的我国主要致力于油井解堵工作并开展了小型压裂试验。 60 年代中期以后 ,随着产层加深 ,从事此项事业的工作者以研究垂直裂缝为主。已达成解堵和增产的目的。这一时期 ,我国发展了滑套式分层压裂配套技术。 70 年代 ,工作进入到改造致密气层的大型水力压裂阶段。我国在分层压裂技术的基础上 ,发展了蜡球选择性压裂工艺 ,以及化学堵水与压裂配套的综合

水力压裂技术

第六章水力压裂技术 第一节造缝机理 一、教学目的 了解压裂含义，和各种压裂的种类，熟练掌握油井的应力状况，能够计算简单的地应力，掌握形成裂缝的条件以及破裂压力梯度，会对压裂施工曲线进行分析与应用，了解裂缝方位的判断方法。 二、教学重点、难点 教学重点 1、地应力的计算 2、压裂过程中井壁的周向应力 3、形成水平裂缝、垂直裂缝的条件 教学难点 1、压裂施工曲线的分析与应用 2、有裂缝和无裂缝时的破裂压力梯度计算 三、教法说明 课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表 四、教学容 本节主要介绍四个方面的问题： 一、油井应力状况 二、造缝条件 三、压裂施工曲线的分析与应用 四、裂缝方位的判断

压裂：用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑 剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。 压裂的种类(根据造缝介质不同)?? ???干法压裂高能气体压裂水力压裂 水力压裂：利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。 高能气体压裂：利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降低表皮系数，从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。 干法压裂：利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂，无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。 水力压裂的工艺过程：