非常规天然气开采中关键力学问题理论与试验研究

Aim of this proposal focuses on providing solution to the key mechanical problems in development of unconventional petroleum gas. Both theoretical and experimental studies will be carried out. Principal tasks to be performed are: 1) Natural fractures of formations will be modeled with second order damage tensor. Coupling between plastic damage tensor and porous flow will be investigated in the framework of continuum thermodynamics. 2) Two kind of fracture variables, i.e., cohesive interface fracture and continuum damage, will be jointly used in numerical simulation of both major fracture propagation and evolution of lateral micro fractures. Furthermore, experimental and numerical studies will be carried out on the coupling between damage tensor and permeability tensor, and between damage tensor and porosity. 3) Investigation on mechanical solution for trajectory optimization will be performed with given logging data. Optimized trajectory will have the characteristics which are easy to drill and easy to fracture with stimulation fluid. 4) To apply the aforementioned theoretical achievement into practical engineering of unconventional petroleum gas development, and provide primary theoretical guidance to engineering.

本课题将围绕非常规石油气田钻井及完井工程中关键力学问题，进行理论研究和试验研究，开发出相应的理论模型及数值计算工具软件。主要内容包括：1）用二阶张量损伤表达具有强烈各向异性的储层内赋存的天然裂隙，在连续介质损伤力学框架内研究孔隙压力作用下的塑性损伤演化与孔隙压力及其梯度变化的耦合关系。2）结合具有孔隙压力变量的粘性界面单元，综合使用上述开发的连续损伤和界面断裂本构模型，模拟压裂施工过程中孔隙压力作用下储层主裂纹面上各点的张开位移、以及岩石基体内张量损伤的演化，并进一步采用实验和数值两种方法研究张量损伤与渗透系数及孔隙率的耦合变化规律。3）结合物探测井资料和地层材料的物理力学特性，建立基于最佳力学特性的井孔轨迹优化设计的理论方法。优化后的井孔轨迹将综合具有易钻进、和易于进行压裂施工等优点。4）把上述理论成果用于某油田的非常规油气工程实际，为非常规油气开发提供初步的理论指导服务。

本项目围绕非常规石油气田钻井及完井工程中具有重大科学意义和工程价值的关键力学问题，进行了大量的理论分析和试验研究，开发出了相应的理论模型及数值计算工具软件。取得的主要成果有4个方面：.1）建立了完整的损伤力学模拟水力压裂三维数值模拟理论体系和计算格式，开发了基于有限元软件的数值模拟工作流程。这个方面取得的具体的成果内容包括：(1) 提出了孔隙岩体损伤演化的本构模型，并且在热力学框架内验证了模型的完整性；(2) 提出了孔隙岩体损伤-渗透率耦合函数关系的经验公式；(3) 提出了基于水力压裂产生的损伤变量分布的有效裂缝的量化判断准则；(4) 根据压裂产生的有效裂缝、以及无效裂缝叠加产生有效裂缝的原理，提出了水平井多段压裂施工优化技术方法；(5) 提出了利用天然裂隙实测信息确定储层初始损伤的理论模型，并在此基础上，预测了具有天然裂隙的致密储层的水力压裂缝网分布情况。.2）综合使用连续损伤和界面断裂本构模型，解决了非常规页岩油气和致密砂岩油气开发中的两个重要工程问题：(1) 提出了裂隙行页岩气储层和裂隙型致密砂岩储层钻进时压力封堵提高泥浆压力窗口上限的数值计算格式及计算分析技术。(2) 出了基于地质力学三维数值解的钻屑回注可行性分析技术。.3）建立了基于最佳力学特性的井孔轨迹优化设计的理论方法。优化后的井孔轨迹将综合具有既包括了储层甜点又易于压裂等优点。.4）开发了基于有限元的管柱力学三维数值分析技术，进行了大量的理论分析和数值计算研究：(1)提出了水力压裂套管完整性评价理论方法。(2) 结合有限元接触单元技术，建立了超深高温高压井管柱的热弹塑性变形分析的技术方法，为超深高温高压井管柱的完整性分析提供了准确高效的理论工具。.本项目成果实现了水力压裂形成的裂纹群扩展的真三维描述。这使得我国在致密储层改造的水力压裂设计理论与应用实践处于国际领先水平，对于在我国实现页岩气革命具有重要的理论意义和重大的工程实用价值。