層狀頁巖氣儲層水力壓裂裂縫擴展規(guī)律研究

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1、中圖分類號：TE37單位代碼：11414學(xué)號：2013312059題目層狀頁巖氣儲層水力壓裂裂縫擴展規(guī)律研究規(guī)律研究學(xué)科專業(yè)油氣田開發(fā)工程研究方向采油工程理論與技術(shù)博士生周彤指導(dǎo)教師張士誠教授二○一七年五月InvestigationofHydraulicFracturePropagationMechanisminLaminatedShaleGasReservoirsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegree

2、ofDoctorofEngineeringByZhouTong（OilandGasDevelopmentEngineering）DissertationSupervisorProf.ZhangShichengMay,2017博士學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明鄭重聲明：本博士學(xué)位論文是作者個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研宂工作所取得的成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他個人和集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得中國石油大學(xué)或者其它單位的學(xué)位或證書所使用過的材料，均已在論文中。對本研宄做出貢獻的個人和集體做了明確的說明并表示了謝意。作者和導(dǎo)師

3、完全意識到本聲明產(chǎn)生的法律后果并承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。ＨＪ６－：Ｉ作者簽名：日期＇義、“１導(dǎo)師簽名：洛彳；曰期：博士學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解中國石油大學(xué)（北京）學(xué)位論文版權(quán)使用的有關(guān)規(guī)定，使用方式包括但不限于：學(xué)校有權(quán)保留并向有關(guān)部門和機構(gòu)送交；學(xué)位論文的復(fù)卬件和電子版；允許學(xué)位論文被查閱和借閱學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。；可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索本學(xué)位論文作者如需公開出版學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，必須征得導(dǎo)師書

4、一面同意）為第署名單位。，且須以中國石油大學(xué)（北京作者簽名：日期：２叫Ｉ“Ｉ導(dǎo)師簽名：日期：￣－Ｉ摘要摘要頁巖氣儲層具有低孔隙度、超低滲透率等特點，水平井多級多簇壓裂形成大規(guī)模復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)頁巖氣成功開發(fā)的關(guān)鍵。不同于常規(guī)儲層，頁巖作為層狀沉積巖石，具有顯著的非均質(zhì)性，在不同方向上具有不同的力學(xué)特征，即存在固有各向異性特征。同時，頁巖儲層也存在大量局部間斷如斷層、層理面和天然裂縫等，又使其具有結(jié)構(gòu)各向異性。層狀頁巖儲層顯著的各向異性會對水力壓裂裂縫產(chǎn)生一定影響。在不同頁巖儲層物性條件下，如何深化認識層狀頁巖儲層復(fù)雜裂縫形態(tài)與其主控因素，對于

5、頁巖儲層的高效開發(fā)有著重要意義。以四川盆地頁巖為主要研究對象，開展了礦物組成、薄片分析、孔滲參數(shù)、巖石力學(xué)性質(zhì)，自發(fā)滲吸與含水飽和度前緣測試等實驗，評價了層狀頁巖不同方向上的物性差異。針對頁巖儲層膠結(jié)天然裂縫進行了充填礦物類型與其力學(xué)性質(zhì)的評價。利用彈性力學(xué)廣義平面應(yīng)變問題的復(fù)變函數(shù)處理方法，建立了新的頁巖儲層射孔孔道表面應(yīng)力分布的解析解模型，結(jié)合小型水力壓裂起裂物理模擬，分析影響頁巖儲層水平井起裂壓力的主要因素。通過漸進解求解多裂縫擴展間的耦合作用，建立了水平井單級非均勻多簇式射孔裂縫起裂模型，模擬不同射孔工藝條件下的多裂縫間的相互作用。通過采用真三軸壓裂模擬試驗裝置以及

6、聲發(fā)射裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，進行了不同應(yīng)力加載條件下的裂縫擴展模擬實驗，分析層狀頁巖儲層裂縫擴展與縫網(wǎng)的形成機制，并探討了水力裂縫范圍與聲發(fā)射范圍間的關(guān)系?；谟邢拊?離散元混合方法建立了三維復(fù)雜裂縫擴展模型，模擬分析了層狀頁巖儲層力學(xué)各向異性、層理、天然裂縫與施工參數(shù)等因素對水力壓裂裂縫擴展形態(tài)的影響，以及在擴展過程中的縫內(nèi)壓力響應(yīng)。針對膠結(jié)天然裂縫進行了自支撐滲透率評價，分析充填礦物類型、裂縫滑移程度和縫面粗糙度等因素與滲透率應(yīng)力敏感的關(guān)系。對低鋪砂濃度的平行層理與垂直層理分支裂縫，進行縫面硬度測試和導(dǎo)流能力評價，探討了壓裂液的滯留與滲吸與裂縫導(dǎo)流能力傷害之間的聯(lián)系。通過理論分

7、析、實驗測試和數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方式，揭示了層理、各向異性與天然裂縫等典型的層狀頁巖儲層特征，對水力壓裂裂縫起裂、擴展形態(tài)和縫網(wǎng)形成及導(dǎo)流能力有效性的影響，研究成果將為頁巖氣儲層的高效開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：層狀頁巖；各向異性；天然裂縫；裂縫形態(tài)；導(dǎo)流能力-II-ABSTRACTInvestigationofHydraulicFracturePropagationMechanisminLaminatedShaleGasReservoirsABSTRACTMulti-stageandmulti-clus