加卸载路径对页岩裂缝导流能力的作用机理

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1、加卸载路径对页岩裂缝导流能力的作用机理重庆大学博士学位论文学生姓名：李泓涟指导教师：李晓红教授专业：矿业工程学科门类：工学重庆大学资源及环境科学学院二O一七年九月TheMechanismofTheLoading-UnloadingPathsonShaleFractureConductivityAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLi

2、HonglianSupervisedbyProf.LiXiaohongSpecialty:MiningEngineeringCollegeofResourceandEnvironmentScienceofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSep.2017中文摘要摘要页岩裂缝的导流能力直接决定了页岩储层裂缝网络的有效性和页岩气井的产量，而采气开关井过程中形成的应力变化、水平井分段压裂过程中形成的应力阴影等应力加卸载路径会改变页岩裂缝空隙及缝内气体流动状态，从而对页岩裂缝导流能

3、力造成影响。目前有许多砂岩、花岗岩裂缝导流能力的相关研究，但页岩裂缝导流能力的研究还十分有限，特别是关于加卸载路径对裂缝导流能力作用机理的研究还未见报道。本文以重庆涪陵地区页岩为样品，采用“实验—理论—模拟”的研究方法，主要围绕裂缝表面粗糙特性、加卸载路径下页岩非支撑裂缝和支撑裂缝开度随有效应力变化规律、页岩非支撑裂缝内气体流动形态及摩擦阻力系数等方面开展研究。取得的主要成果有：（1）揭示了加卸载路径下页岩非支撑裂缝等效水力开度的变化规律，基于弹塑性理论，建立了考虑加卸载路径影响的页岩非支撑裂缝等效水力开度模

4、型。结果显示页岩裂缝表面粗糙度越大，加卸载路径对等效水力开度造成的损伤越大；当裂缝当前所受有效应力超过加载历史中出现的最大有效应力时，裂缝产生塑性变形，当前有效应力小于或等于加载历史中最大有效应力时，裂缝只发生弹性变形；该模型可以计算不同加卸载路径下的页岩非支撑裂缝等效水力开度，计算结果与实验数据具有一致性。（2）建立了基于雷诺数和裂缝相对粗糙度的流动摩擦阻力模型，揭示了页岩非支撑裂缝内甲烷气体的非线性流动特征。结果表明随着有效应力和相对粗糙度的增加，流体压力损失增加，过渡流与紊流边界的临界雷诺数降低；相比加

5、载过程，卸载过程中过渡流和紊流边界的临界雷诺数更小。相比仅能描述气体层流状态的Lomize摩擦阻力模型，本文建立的摩擦阻力模型能够同时描述层流、过渡流和紊流三种流动形态；另外，Lomize的摩擦阻力模型高估了层流状态下的摩擦阻力系数，低估了紊流状态下的摩擦阻力系数，而本文模型可以更加准确的计算气体在页岩非支撑裂缝中的摩擦阻力系数。（3）揭示了加卸载路径下支撑裂缝开度、渗透率随应力变化的规律，将支撑剂填充层视作连续介质，基于弹塑性理论和非关联流动法则，建立了考虑加卸载路径影响的支撑剂力学本构模型和支撑裂缝渗透率

6、模型。该模型可以计算不同加卸载路径下的支撑裂缝渗透率。（4）将建立的等效水力开度模型、渗透率模型等植入TOUGH-FLAC3D数值模拟软件进行应用，获得了页岩气藏条件下加卸载路径和气体非线性流动对页I重庆大学博士学位论文岩裂缝导流能力的影响规律，结果表明：相比立方定律得到的气体流量，若考虑加卸载路径影响，页岩气总流量将会下降14%；若考虑非线性流动影响，总流量将会下降28%；如果同时考虑加卸载路径和非线性流动的影响，总流量将会下降39%。关键词：页岩气，裂缝导流能力，加卸载路径，非线性流动II英文摘要ABST

7、RACTShalefractureconductivitydirectlydeterminestheeffectivenessofthefracturenetworkinshalereservoirsandtheshalegasproduction.Thegaswellopening–shuttingprocesscausesstresschangesandthehorizontal-wellstagedfracturingprocesscausesstressshadowstobeformed.Theses

8、tressloading–unloadingpathssubstantiallyalterthefracturegapandthegasflowstateinafracture,impactingshalefractureconductivity.Therehavebeenmanystudiesonfractureconductivityofsandstoneandgranite;however,r