高紀(jì)超

摘 要：超臨界二氧化碳因其具有高密度，低粘度特點(diǎn)，在壓裂時(shí)既能夠產(chǎn)生足夠高的井底壓力，也容易擴(kuò)散進(jìn)入巖石孔隙。超臨界二氧化碳進(jìn)入到巖石內(nèi)部孔隙之后，對(duì)于巖石物性有著較強(qiáng)影響作用。采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行壓裂模擬，研究超臨界二氧化碳射流致裂地層的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：巖石滲流；規(guī)律分析；討論

1 巖石滲流-應(yīng)力耦合模型

壓裂施工利用外力破壞目的層的巖石，使其產(chǎn)生高效導(dǎo)流裂縫。地層壓裂的過(guò)程流體滲流和巖石變形之間存在著耦合關(guān)系，即滲流-應(yīng)力耦合。本文采用Drucker-prager硬化準(zhǔn)則來(lái)描述多孔介質(zhì)壓裂過(guò)程中的耦合現(xiàn)象。

1.1 Cohesive單元

Cohesive單元內(nèi)聚力模型能夠用來(lái)模擬油層壓裂施工中的裂縫起裂和擴(kuò)展過(guò)程。流體在Cohesive單元中的流動(dòng)分為切向流動(dòng)和垂直于裂縫表面的流動(dòng)。前者表示壓裂液在裂縫內(nèi)的運(yùn)移，后者表示壓裂液的濾失。

1.2 物理模型

假定儲(chǔ)層為均質(zhì)、各項(xiàng)同性的致密頁(yè)巖，上下面被泥巖覆蓋。儲(chǔ)層深度范圍設(shè)定為2005m～2020m，平面尺寸為400×400m。裂縫擴(kuò)展部分采用Cohesive單元，網(wǎng)格劃分選取COH3D8P；儲(chǔ)層和上下蓋層網(wǎng)格劃分選取C3D8RP。施工排量設(shè)定為15bpm，壓裂液粘度為100MPa·S。裂縫部分的Cohesive單元起裂準(zhǔn)則設(shè)定為二次牽引交互失效準(zhǔn)則，裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則為基于能量的混合模式，其臨界能量釋放率設(shè)定為 。

1.3 巖石物性設(shè)定

采用超臨界二氧化碳射流壓裂巖層，巖石的物性在流體介質(zhì)的影響下會(huì)發(fā)生改變。將頁(yè)巖標(biāo)本在30MPa，60℃實(shí)驗(yàn)條件下浸泡2小時(shí)，其巖石物性發(fā)生明顯變化。彈性模量由61.25GPa變?yōu)?6.27GPa，泊松比由0.25變?yōu)?.09，縱應(yīng)變由1211變?yōu)?87。

1.4 壓裂結(jié)果分析

裂縫形態(tài)呈現(xiàn)為狹長(zhǎng)的楔形。裂縫前端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)巖石法向應(yīng)力與兩個(gè)切向應(yīng)力達(dá)到二次失效準(zhǔn)則時(shí)，裂縫起裂。在裂縫兩側(cè)區(qū)域，巖石有效應(yīng)力出現(xiàn)降低現(xiàn)象。這是由于壓裂液滲透的作用，孔隙壓力產(chǎn)生抵消作用，使得裂縫壁面附近出現(xiàn)有效應(yīng)力減小的現(xiàn)象。距離裂縫擴(kuò)展區(qū)域越遠(yuǎn)，滲透作用越低。此時(shí)巖石由于變形產(chǎn)生的擠壓效果，使得其有效應(yīng)力增大。

2 裂縫擴(kuò)展規(guī)律分析

2.1 儲(chǔ)層彈性模量對(duì)于壓裂模擬的影響

頁(yè)巖巖石彈性模量經(jīng)過(guò)超臨界二氧化碳的作用會(huì)發(fā)生變化，分別設(shè)定目的儲(chǔ)層巖石的彈性模量為20、25、30、35、40GPa。巖石彈性模量對(duì)于壓裂施工效果有著顯著的影響。頁(yè)巖儲(chǔ)層的彈性模量越大，裂縫長(zhǎng)度越大，最大裂縫寬度越小。巖石的彈性模量主要影響裂縫擴(kuò)展的法向位移。

2.2 巖石濾失性質(zhì)對(duì)于壓裂模擬的影響

裂縫壁面的濾失性質(zhì)對(duì)于壓裂施工效果有著重要影響。具有高濾失性的儲(chǔ)層，在壓裂施工時(shí)會(huì)濾失掉大量的壓裂液，從而使壓裂成本升高，效果降低。因此有必要具體研究不同濾失系數(shù)條件下的壓裂情況。設(shè)定儲(chǔ)層巖石濾失系數(shù)分別為2、6、10、12、14和18m/min0.5，分別進(jìn)行壓裂模擬計(jì)算。

當(dāng)濾失系數(shù)增大到一定程度時(shí)，裂縫長(zhǎng)度出現(xiàn)最小值，而裂縫的寬度出現(xiàn)較小的增幅。最大縫寬隨著濾失系數(shù)的增大總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。濾失系數(shù)對(duì)于壓裂施工的影響較為復(fù)雜。濾失系數(shù)比較小的地層在壓裂時(shí)滲透到其內(nèi)部的流體體積較小，有利于在裂縫內(nèi)形成較高的增壓。但是流體滲透進(jìn)入巖石孔隙，會(huì)引起孔隙壓力的變化，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的有效應(yīng)力降低的現(xiàn)象，有利于裂縫的起裂。而濾失系數(shù)過(guò)大的儲(chǔ)層，壓裂液損失較為嚴(yán)重。

2.3施工排量對(duì)于壓裂模擬的影響

對(duì)于需要壓裂施工的儲(chǔ)層，現(xiàn)場(chǎng)可以調(diào)節(jié)的參數(shù)有施工排量和壓裂液性質(zhì)。因此研究不同排量下的儲(chǔ)層壓裂效果具有重大意義。分別設(shè)定排量為2，2.4，3，3.5和4m3/min，進(jìn)行壓裂模擬研究。從結(jié)果可以看出，當(dāng)增加施工排量時(shí)，裂縫最大寬度明顯增大，而且裂縫長(zhǎng)度也隨之增大。當(dāng)排量上升到3.5m3/min時(shí)，裂縫的長(zhǎng)度有明顯的增加。但是隨著排量繼續(xù)增大，裂縫長(zhǎng)度保持不變。

3 討論

①裂縫形態(tài)呈現(xiàn)為狹長(zhǎng)的近似三角形，在裂縫尖端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在裂縫擴(kuò)展部位的兩側(cè)孔隙壓力比較大；②彈性模量大的儲(chǔ)層壓裂時(shí)產(chǎn)生的法向位移較小，裂縫形態(tài)趨于扁長(zhǎng)。濾失系數(shù)對(duì)于裂縫形態(tài)的影響比較復(fù)雜，濾失系數(shù)越大的儲(chǔ)層，壓裂產(chǎn)生的裂縫寬度越小。增加施工排量時(shí)，裂縫最大寬度明顯增大，而且裂縫長(zhǎng)度也隨之增大。

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