结合支撑剂变形嵌入的致密气水力压裂多场耦合模拟研究

Hydraulic fracturing is widely used in tight gas reservoirs to enhance gas recovery. Due to complexity of the multi-coupled processes it involved, numerical modeling plays an important role in scientific research. The present numerical tools focus only on fracture propagation and proppant transport. They are not able to model fluid back flow, final fracture closure, proppant placement as well as proppant deformation and embedment after placement; however these results are the most important factors to evaluate a fracturing operation. In this project, proppant deformation, embedment and conductivity will be investigated by laboratory experiments and the related constitutive models will be developed. Then a true 3D THM coupled numerical model in consideration of proppant deformation and embedment will be developed， to simulate hydraulic fracturing from fracture propagation, proppant transport to fluid back flow, final fracture closure, proppant placement as well as proppant deformation and embedment after placement. Finally the developed numerical model will be used to investigate field hydraulic fracturing operations under in-situ complex conditions. The investigations provide the theoretical foundations to improve in-situ hydraulic fracturing operations. It can be used to develop the key technologies for efficient and economical gas production, and finally to improve the success ratio.

水力压裂广泛应用于致密气的增产开发中。由于其多物理场耦合的复杂性，人们很难通过试验的方法对其整体过程进行研究，所以数值仿真研究起着举足轻重的作用。现今的仿真程序局限于裂缝扩展、支撑剂运移，不能模拟裂缝最终闭合以及支撑剂排实分布和排实后变形嵌入等评价改造效果的重要过程。本项目拟通过实验研究支撑剂受载和时间作用下的变形嵌入和导流能力变化规律，建立支撑剂变形嵌入的粘弹塑本构模型和导流模型；其次考虑温度变化和热应力对裂缝扩展、压裂液性质和支撑剂输运的影响，结合支撑剂变形嵌入模型，建立从裂缝起裂扩展、支撑剂运移到压裂液反排、裂缝闭合、支撑剂最终排实及受载变形嵌入的真三维水力压裂数值模型；最后，运用建立的数值模型研究水力压裂在复杂地质条件下裂缝扩展、支撑剂运移、排实、嵌入变形以及应力阴影变化的规律，为致密气的水力压裂改造提供理论依据，形成高效和经济开采的关键技术，提高开采的成功率和经济效率。

水力压裂作为开发致密气的核心增透改造技术，其现场应用取得了巨大成功。由于现场地质条件复杂、涉及尺度大，且水力压裂物理过程具有很强的耦合效应，人们很难通过理论分析和室内试验的方法，对水力压裂过程进行完整有效的研究和设计。所以，通过数值仿真研究和设计水力压裂具有举足轻重的作用。以往的数值仿真研究中，忽略了裂缝闭合、支撑剂的最终排实分布以及排实后的受载变形和嵌入的物理过程；此外，温度的改变对裂缝扩展，压裂液性质以及对支撑剂的输运沉降也有显著影响。因此，本项目通过导流实验研究，建立了岩石裂缝开度、导流模型，以及支撑剂变形、嵌入、导流模型用来描述上述物理过程。同时在已有的流固耦合模型基础上，嵌入了裂缝、孔隙热传递模型，形成水力压裂热流固耦合模型。最后，结合现场实际，运用建立的多场耦合模型开展复杂地质条件下的水力压裂模拟研究，得到以下主要研究成果：（1）通过砂岩裂缝导流实验，得到了流量、等效水力开度变化规律以及雷诺数与摩擦阻力系数间的关系；通过拟合裂缝加卸载导流实验数据，建立了水力开度模型和摩擦阻力系数模型；通过对不同厚度支撑剂进行循环加卸载导流实验，得到了支撑剂的弹塑性变形、嵌入以及导流能力的变化规律，并建立了支撑剂变形、嵌入和导流模型。（2）在已有的流固耦合模型基础之上，考虑温度变化引起的应力场和流体性质的改变，嵌入了裂隙和孔隙热传递数值模型。同时，结合支撑剂变形、嵌入和导流模型，建立了从裂缝起裂扩展到裂缝闭合、支撑剂排实、嵌入变形的水力压裂流固热耦合模型，形成了具有自主知识产权的水力压裂三维数值仿真计算程序。（3）结合现场实际情况，运用建立的水力压裂整体数值模型，模拟了水平井压裂多簇射孔、天然裂缝剪切效应等复杂地质和工况条件下裂缝扩展闭合规律、支撑剂输运规律、支撑剂排实、变形嵌入规律以及裂缝整体导流能力变化、应力阴影变化和温度场变化的规律。上述成果可用于指导和优化现场压裂施工。