层状页岩气储层水力压裂裂缝扩展规律研究

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1、中图分类号：TE37单位代码：11414学号：2013312059题目层状页岩气储层水力压裂裂缝扩展规律研究规律研究学科专业油气田开发工程研究方向采油工程理论与技术博士生周彤指导教师张士诚教授二○一七年五月InvestigationofHydraulicFracturePropagationMechanisminLaminatedShaleGasReservoirsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegree

2、ofDoctorofEngineeringByZhouTong（OilandGasDevelopmentEngineering）DissertationSupervisorProf.ZhangShichengMay,2017博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宂工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料，均已在论文中。对本研宄做出贡献的个人和集体做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师

3、完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。ＨＪ６－：Ｉ作者签名：日期＇义、“１导师签名：洛彳；曰期：博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交；学位论文的复卬件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书

4、一面同意）为第署名单位。，且须以中国石油大学（北京作者签名：日期：２叫Ｉ“Ｉ导师签名：日期：￣－Ｉ摘要摘要页岩气储层具有低孔隙度、超低渗透率等特点，水平井多级多簇压裂形成大规模复杂裂缝网络，是实现页岩气成功开发的关键。不同于常规储层，页岩作为层状沉积岩石，具有显著的非均质性，在不同方向上具有不同的力学特征，即存在固有各向异性特征。同时，页岩储层也存在大量局部间断如断层、层理面和天然裂缝等，又使其具有结构各向异性。层状页岩储层显著的各向异性会对水力压裂裂缝产生一定影响。在不同页岩储层物性条件下，如何深化认识层状页岩储层复杂裂缝形态与其主控因素，对于

5、页岩储层的高效开发有着重要意义。以四川盆地页岩为主要研究对象，开展了矿物组成、薄片分析、孔渗参数、岩石力学性质，自发渗吸与含水饱和度前缘测试等实验，评价了层状页岩不同方向上的物性差异。针对页岩储层胶结天然裂缝进行了充填矿物类型与其力学性质的评价。利用弹性力学广义平面应变问题的复变函数处理方法，建立了新的页岩储层射孔孔道表面应力分布的解析解模型，结合小型水力压裂起裂物理模拟，分析影响页岩储层水平井起裂压力的主要因素。通过渐进解求解多裂缝扩展间的耦合作用，建立了水平井单级非均匀多簇式射孔裂缝起裂模型，模拟不同射孔工艺条件下的多裂缝间的相互作用。通过采用真三轴压裂模拟试验装置以及

6、声发射裂缝监测系统，进行了不同应力加载条件下的裂缝扩展模拟实验，分析层状页岩储层裂缝扩展与缝网的形成机制，并探讨了水力裂缝范围与声发射范围间的关系。基于有限元Ͳ离散元混合方法建立了三维复杂裂缝扩展模型，模拟分析了层状页岩储层力学各向异性、层理、天然裂缝与施工参数等因素对水力压裂裂缝扩展形态的影响，以及在扩展过程中的缝内压力响应。针对胶结天然裂缝进行了自支撑渗透率评价，分析充填矿物类型、裂缝滑移程度和缝面粗糙度等因素与渗透率应力敏感的关系。对低铺砂浓度的平行层理与垂直层理分支裂缝，进行缝面硬度测试和导流能力评价，探讨了压裂液的滞留与渗吸与裂缝导流能力伤害之间的联系。通过理论分

7、析、实验测试和数值模拟研究相结合的方式，揭示了层理、各向异性与天然裂缝等典型的层状页岩储层特征，对水力压裂裂缝起裂、扩展形态和缝网形成及导流能力有效性的影响，研究成果将为页岩气储层的高效开发提供理论依据和技术支持。关键词：层状页岩；各向异性；天然裂缝；裂缝形态；导流能力-II-ABSTRACTInvestigationofHydraulicFracturePropagationMechanisminLaminatedShaleGasReservoirsABSTRACTMulti-stageandmulti-clus