储集岩的损伤及塑性变形.doc

储集岩的损伤及塑性变形:(2)水力裂缝的延伸
Seth Busetti等
摘要:第二部分的目的是了解复杂水力压裂裂缝(HF)的发育,这些裂缝在现场和实验中常见,但许多模型又不能解释。我们运用第一部分研发的有限元模型和数值流变学模拟了损伤破裂,以及具弹塑性损伤流变学的岩层由于损伤蔓延而破裂的过程。运用该流变学和动态解析技术,研究了裂缝中远场应力和压力分布对裂缝几何形态复杂性的影响。该模型用于垂直延伸至远离井眼影响的覆盖层的水力压裂裂缝段。 m ( ft),具弹-塑性损伤流变学, (1ft)的原始垂直裂缝。垂直构造载荷为50 MPa(7252 psi),水平构造载荷为10~45 MPa(1450~6527 psi),施加10 MPa/s (1450 psi/s)的内破裂压力,直至地层断裂。所模拟的裂缝对应力状态敏感,形成的裂缝样式从单条直裂缝到树形裂缝网络应有尽有。降低应力差使破裂所需的注水压力增加,并加剧了裂隙面的损伤,使裂缝的复杂性增加。连续不均匀衰减期之后引发的不稳定破裂形成多支裂缝和多段裂隙。研究揭示出在一系列原始储集岩条件下形成复杂水力压裂裂缝的机理,这些裂缝很可能促进了远场裂缝几何形态的复杂性,增强了裂缝网络的连通性。
1 前言
地壳中的水力压裂裂缝通常呈现为复杂的形状,其具多段裂缝互连、桥接分支以及裂开-中断结构(图1; Delaney等, 1986; Weinberger等, 2000; Sagy等, 2001)。这些结构表明,岩石中裂缝的延伸是一个复杂的过程,其具局部交互作用、大范围损伤、脆性破裂以及动态应变。传统的破坏力学模型主要是预测单一简单裂缝地层,未涉及这种复杂性(Hubbert和Willis, 1957; Irwin, 1958; Barenblatt, 1962)。本项研究的主要目的是运用基于岩石力学实验数据的流变学模型,调查水力压裂裂缝在岩层中的延伸。
我们研发的流变学模型(Busetti等, 2012,第一部分)是将几个主要的岩层变形模型综合至一个弹-塑性损伤数值模型中。采用Abaqus有限元(FE)程序分析,运用贝雷砂岩(一种典型的储集岩模拟岩性)(如Hart和Wang, 1995; Menendez等, 1996)的实验数据,我们改进并校准了数值流变学。模型校准采用了两种实验构型:四点梁(Weinberger等, 1994)式及狗骨三轴式(Ramsey和Chester, 2004; Bobich, 2005)。这两种构型所产生的局部拉张应力低于总围压,推测其接近于水力压裂裂缝(HF)的应力。数值分析成功地模拟了实验中损伤分布及裂缝样式(第一部分),因此,我们认为,所导出的流变学模型是一种模拟类似于贝雷储集岩原位变形的实用方法(详见第一部分)。
本项分析的三个主要内容为:1)第一部分研发的弹-塑性损伤流变学的实现;2)运用局部损伤分布作为裂缝延伸路径的指标;3)运用动态解决方案技术探索裂缝延伸动力学特征。探讨了地层内承压水力压裂裂缝端载荷条件对裂缝形态的影响,重点是水力压裂压力和构造应力对裂缝复杂性和裂缝形态的影响。模拟结果表明,在一定的现场条件下可以生成通过基本水力压裂模型预测的简单裂缝
(如Hubbert和Willis, 1957)。然而,一般储集条件下的模拟表明,裂缝的分割、桥接、分支以及裂开-中断特征都是由于损伤性破裂自然形成。我们认为,这些模拟可应用于通常认为具多重裂缝网络系统的含油气储集岩(Busetti, 2009)
图1 复杂水力压裂裂缝形态实例。(A)新墨西哥州Ship岩附近岩墙图(Pollard, 1978);(B)犹他州San Rafael隆起附近岩墙斜视图(Delaney 和 Gartner, 1997);(C)死海盆地Amraz平原向上分支的碎屑岩岩墙(Levi等, 2009);(D)据得克萨斯州Carthage棉花谷气田微震活动图解释的水力压裂裂缝的推进(Rutledge等, 2004);(E)据实验室水力压裂实验获得的沟槽式裂缝面及流体滞留区(Papanastasiou, 2002);(F)侧视图;(G)面外裂缝段及不对称花瓣状水力压裂裂缝在聚***丙烯酸甲酯(PMMA)中的顶视图(Wu,2006)。
我们首先描述了根据现场和实验室实验对水力压裂裂缝复杂性的主要观测结果。然后,介绍了有限元构型以及模拟结果,模拟结果包括:1)裂缝的一般形态;2)裂缝的分支及切割;3)裂缝的中断及裂开;4)载荷条件。最后,讨论了破裂速率和破裂稳定性的意义,以及控制水力压裂裂缝延伸的方法。
2 复杂的水力压裂裂缝
现场及实验室的观测结果表明,简单的平面水力压裂裂缝(如通常许多储集岩应用程序所解释的裂缝)是比较少见的。下面概述了水力