一种复杂缝网的能量断裂准则及其在致密砂岩压裂模拟中的应用

There is a class of complex brittle media, for example, shale and tight sandstone. These media contain natural joints and cracks. Under the condition of high-pressure fluid injection, they won’t form a single or several fractures, but a multi-level bifurcation and complex fracture network. It is fundamental to study the characterizations of fracture network, such as its shape and size, when the multiple fracture fronts extend. This project assumes that external energy forms new cracks by overcoming earth stress and dissipates into the medium during the formation process of a fracture network. Because the fracture network is fluid-driven, we can calculate the fluid transmission power at the leading edge of each fracture and the media dissipation inside the media, using fluid energy transportation distribution in the fracture network. Thus, the fracture criterion of fracture network extension can be derived and described by the energy balance and G criterion. Applying this fracture criterion to tight sandstone fracturing simulation, one can avoid computing the detailed stress distribution and stress intensity factors at the leading fracture tips. It will improve the efficiency of fracture network simulation and the optimization of complex fracture networks.

现实中存在一类复杂的脆性介质，例如近年来天然气勘探的热点领域：页岩气和致密砂岩气储层，其内部含有天然节理或初始裂纹群，在高压流体注入条件下介质内部不是形成单条或数条裂缝，而是形成多级分叉、纵横交错的复杂裂缝网络。对这种存在复杂缝网的脆性介质，如何用断裂准则刻画多个裂缝前沿同时扩展，进而计算缝网的形态和规模，是值得探讨的科学问题，且具有重要的应用价值。本项目考虑到在缝网的实际形成过程中，外界提供能量一部分用于克服地应力形成新的裂缝，另一部分通过介质波动耗散；由于缝网是流体驱动扩展，只要弄清流体在缝网内的能量输运分布规律，计算出每个裂缝前沿处流体的输送功率和介质波动耗散功率，通过能量平衡原理及断裂力学G准则就可以推导描述缝网扩展的断裂准则。将此能量断裂准则应用到致密砂岩压裂模拟, 避开了复杂裂缝前沿的详尽应力分布计算和应力强度因子求解，可大幅度提高缝网模拟效率，使复杂缝网的参数优化设计成为可能。

现实中存在一类复杂的脆性介质，例如近年来天然气勘探的热点领域：致密砂岩气储层，其内部含有天然节理或初始裂纹群，在高压流体注入条件下介质内部不是形成单条或数条裂缝，而是形成多级分叉、纵横交错的复杂裂缝网络。对这种存在复杂缝网的脆性介质，如何用断裂准则刻画多个裂缝前沿同时扩展，进而计算缝网的形态和规模，是值得探讨的科学问题，且具有重要的应用价值。本项目提出了一种基于能量准则的裂缝扩展模拟方法。基于能量平衡原理，考虑水力压裂过程中的流体注入能量、岩石应变能、表面能、微地震能量和摩阻损耗能，建立了控制裂缝扩展的能量准则。该准则通过计算裂缝前沿的能量分布，判断裂缝能否扩展，避免了复杂的应力强度因子的计算。基于提出的能量准则、流固耦合效应和裂缝间的相互作用，建立了致密砂岩水平井缝网压裂模拟的能量方法。结果表明，通过模拟获得的缝网形态与微地震监测结果基本一致，同时该模拟方法的计算效率比XFEM高10000倍，随后利用该方法探究了地质因素及工程因素对致密砂岩压裂缝网延伸的影响，该方法为致密砂岩压裂模拟和设计提供了新的思路。