致密介质孔隙增压与固相颗粒应力耦合规律及其对破裂的影响机制

Fracture is an important factor in the oil and gas reservoirs exploration and development of tight porous media.The developments of the fractures are combined actions of pore pressure and stress.Due to complex rock mechanical characteristics and interaction of multi-physical fields, it need to be further studied.Aiming at the problem, using the methods of theoretical derivation, physical experiments, and numerical simulation of multi-physical fields based on the digital cores,pressure-stress coupling rule and its effects on the failure process of tight porous media will be studied.First of all, with grain stress and strain as the entry point, theoretical formulas are builded using theoretical models builded by particles of different aspect ratio.Rock micro-mechanical properties are analyzed through the numerical simulation of multi-physical fields coupling. The results are verified by experiments using the 3D printing samples.Then, the distribution of seepage pressure and pressure-stress coupling effects of different overpressure are analyzed by experiments and numerical simulation based on digital core models of different micro structures and components.Finally, the influence of different pressure-stress coupling law to the failure process of tight porous media is revealed, using the methods of experiments analysis and numerical simulation of multi-physical fields coupling, combined rock mechanical characteristics of different micro structures and components.The study will provide theoretical supports for the rock fracture evaluation and prediction and hydrocarbon accumulation.

裂缝是致密介质油气藏勘探开发的重要因素，其发育受孔隙流体增压和岩石应力等因素影响。由于岩石力学特性差异和各物理场之间相互作用，耦合效应复杂，需深入探究。瞄准该问题，拟利用理论推导、物理实验和基于数字岩心的多物理场耦合数值模拟，探究致密介质孔隙增压与固相颗粒应力传递规律与及对破裂的影响。首先，以颗粒应力应变为切入点，利用不同纵横比颗粒构建理论模型，并建立理论公式；通过数值模拟分析多场作用下的岩石微观力学性质，并通过3D打印样品进行样品实验验证模拟结果。然后，进行基于不同组构的数字岩心模型，采用多物理场耦合数值模拟方法和匹配性的物理实验，研究不同增压方式下的渗透压力分布及应压耦合作用规律。最后，综合不同岩石微观组构的岩石力学响应特性，利用应压耦合作用下的数值模拟和物理实验，揭示不同类型孔隙增压与应力耦合规律对岩石破裂的影响机制。该研究将为致密介质油气藏裂缝评价预测和油气成藏提供理论支持。

致密介质油气藏需要通过水力压裂进行改造，从细观角度分析致密介质油气藏的高流压和高应力耦合规律特性及岩石破裂机制对压裂施工设计与优化有重要意义。本次项目研究中采用3D打印方法，进行了不同组构的样品制作，并进行了力学性质的测试分析；同时结合离散元数值模拟方法，编制了相应的数值模拟程序。通过改变基质颗粒的粒径比及胶结均匀度，构建不同组构的岩石数值模型。通过不同组构的岩石对孔隙流体增压数值模拟，分析孔隙流体增压变化对岩石应力应变的影响。结果表明：岩石基质颗粒粒径比及胶结强度（内聚力）对弹性模量有直接影响；基质颗粒粒径跨度越大、胶结强度（内聚力）非均质性越强，岩石弹性模量越小；另外，根据有效应力原理和格里菲斯－库伦破裂准则，建立颗粒流应力－流压耦合数值模型，开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明: 孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用，孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力，增加岩石的抗破坏能力，存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高; 水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用，初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式，水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸，最小周向应力方向的裂缝延展被抑制; 应力－流压耦合作用下，流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布，最小水平主应力在裂缝尖端处弱化，在与裂缝垂直的方向增强。通过本课题研究，形成了较为系统的基于应压耦合的岩石细观尺度裂缝扩展数值模拟方法，对致密介质水力压裂设计具有重要应用价值。项目执行期间，发表学术论文11篇，其中，SCI收录4篇，EI收录6篇，国际会议论文1篇。已申请国家发明专利2项。另外，依托该项目研究基础，课题组先后获批中石油、中石化相关压裂课题，在压裂设计矿场推广应用上产生了一定的影响。