基于多物理场和多相流理论的页岩气藏水力压裂模拟研究

Shale gas reservoir is playing a more and more important role in increasing the gas reserves and energy security in China. For its efficient and economical development, hydraulic stimulation is one of two key technologies. Due to the shale properties such as ultra-low permeability, creep behavior and rich natural fractures, the conventional stimulation optimization methods, which are based on single fracture, plan strain state and continuums mechanics, are not usable. This project focuses on the basic research of hydraulic stimulation theory for shale gas reservoir. The coupled multi-physics behavior of the rock-pore-natural fracture-hydraulic fracture-system under the two-phase flow loading, the effects of natural fractures on the fracture initiation and propagation as well as the proppant transport, settling, compaction and embedment behavior will be investigated by using a suitable combination of theoretical, experimental and numerical methods. Through integration of the discrete fracture network (DFN), distinct element methods (DEM) and finite volume method (FVM), it is intended to achieve the three-dimensional numerical simulation of fracture propagation, to reveal the temporal-spatial fracture evolution, and to lay the foundation for optimal design of hydraulic fracturing in shale gas reservoirs.

页岩气藏在我国天然气储量增长、能源安全方面正发挥越来越重要的作用，其高效经济开发最关键的技术是压裂改造。由于页岩极为致密、富含天然裂隙并具有一定的蠕变特征，基于平面、单缝、连续体的传统压裂理论不能指导页岩气藏的压裂优化设计。因此，本项目紧密围绕页岩气藏压裂改造基础理论开展研究。采用理论、实验和数值模拟相结合的方法研究固液两相流作用下的岩石－空隙－天然裂隙-压裂裂隙系统的多物理场耦合行为，天然裂隙系统对压裂裂缝起裂、扩展的影响，及支撑剂的运移、压实和嵌入规律。通过有机结合离散裂隙网DFN、离散元DEM和有限体积法FVM等数值方法, 拟实现压裂裂隙扩展的三维数值仿真，揭示页岩气藏中压裂裂隙的三维时空演化规律，为页岩气藏水力压裂优化设计奠定基础。

随着我国经济的快速发展和环保要求的逐步提高，非常规天然气，特别是页岩气发挥着越来越重要的作用。本项目紧密围绕页岩气藏压裂改造基础理论开展研究。在已有成果基础上，首先建立了天然正交裂缝网作用下的水力压裂裂隙起裂和扩展模型。利用该模型研究了美国Barnett页岩气储层某水平井多段的水力压裂，发现水平应力差对撑开天然裂缝（拉伸裂缝）起着重要的作用。水平应力差较大时易形成单个、较长的平面裂缝，反之则易形成网状裂缝。然后研究并发展了基于裂缝张量的岩石－孔隙－交错裂隙的等效连续介质耦合模型。其次研究并建立了受岩石作用下压裂液－支撑剂的二相流动模型。该模型同时考虑了支撑剂浓度和流速对携砂液粘度的影响、携砂液对支撑剂的搬运作用，支撑剂的沉降、嵌入、压实等。利用该模型研究了德国北部平原某气藏实施的水平井压裂，发现在该气藏中由于支撑剂的下沉，压裂液注入结束时支撑剂的前端低于注入深度。压裂结束后裂缝在滤失的作用下逐渐闭合，支撑剂进一步下沉。最终裂缝中部，特别是射孔的附近，裂缝已经完全闭合，说明射孔和被支撑住的裂缝之间的联系很弱。这就是该致密气井产量不佳的原因。最后研究热效应并建立压裂过程中的热传递模型。利用该热传递模型研究了德国北部平原某气藏的水力压裂过程，发现随着压裂液的注入，岩层温度逐渐降低。岩层温度的下降会引起岩体的冷缩，裂隙在宽度的扩张上会更加轻松，最终将形成一个较宽、较短的裂缝。在理论研究的同时，采集四川地区龙马溪组含天然裂隙页岩先后进行了常规力学、渗透、流固耦合实验，以及大型真三轴页岩压裂试验研究，都取得了良好的试验结果。综上所述，本项目采用理论、实验和数值模拟相结合的方法，完成了对页岩气藏中的多物理场耦合行为的研究，揭示了在天然裂隙影响下的页岩起裂、扩展规律，及流固耦合作用下的支撑剂运移、压实、嵌入规律。同时形成了一套页岩气藏压裂的模拟工具，实现了裂缝起裂、扩展、闭合和生产全过程的优化设计。