基于裂纹容限的体积压裂评价指标研究

The fracability evaluation of reservoir is the key issue to explore the unconventional shale gas economically and effectively. The brittleness, which has been questioned, by whom believes that the reservoir fracability depends on the dynamic failure process, is the widely used index to characterize the reservoir fracability. There for, a fracture mechanics parameter, crack tolerance, will be introduced to describe the size of nonlinear extension area around the crack tip, and to characterize the size of the fracture network formed in fracturing process, consequently to evaluate the fracability to solve the reservoir fracability problems. Firstly, set up the calculation model of the crack tolerance based on the fracture mechanics models and yield conditions, then choose the optimal laboratory test and observation methods of rock crack tolerance, revise the calculation model, reveal the mechanical response mechanism of rock crack tolerance to different environmental conditions, such as temperature, confining pressure, and so on, establish the correlations between the crack tolerance and various physical and mechanical parameters, analyze the crack propagation law, build an fracturing evaluation model based on crack tolerance, and verify the reliability, eventually establish the evaluation standard. A new way of thinking will be provided to solve the fracability evaluation problem.

储层的可压裂性评价是非常规页岩气资源经济有效开采过程中的关键问题，目前广泛采用脆性指数来表征储层可压裂程度，但已有学者对该指标的合理性产生质疑，认为储层的可压裂性取决于其动态破裂过程。本项目拟从体积压裂特性和裂纹扩展规律出发，引入描述裂纹尖端非线性扩展区尺寸的断裂力学参数——裂纹容限，表征不同岩石材料在压裂过程中所能形成的裂缝网络尺度，探索解决储层可压裂性评价问题的新方法。首先依据断裂力学理论模型和屈服条件建立裂纹容限计算模型，然后比选岩石材料裂纹容限的最优实验室测试及观测方法，通过测试结果对计算模型进行修订，揭示岩石材料裂纹容限对不同温度、围压等环境条件的力学响应机制，研究裂纹容限与各种物理力学参数间的相关关系，分析裂纹扩展规律，构建基于裂纹容限的可压裂性评价模型，并对其可靠性进行验证，最终建立评价标准。本项目的开展将为解决页岩储层可压裂性评价问题提供一种新的思路。

本项目针对页岩气开采对体积压裂形成复杂缝网的要求，在现有可压裂性评价方法的基础上，从非奇异理论和非局部强度的角度出发，借鉴断裂力学理论，提出“裂纹敏感度”和“裂纹容限”两个新的评价指标，认为裂缝扩展不取决于裂缝尖端的奇异应力或最大应力，而是取决于尖端一定邻域范围内可容纳的微裂纹容量，从体积压裂难易角度评价岩石的可压裂性，以此重建岩石损伤断裂扩展判据和准则。.给出“裂纹敏感度”和“裂纹容限”的定义式，推荐两种简便易行且对比鲜明的力学试验测试方法：巴西圆盘法（BD）和双人字形切槽巴西圆盘法（CCNBD），并给出针对这两个试验方法的具体计算公式。.利用两种推荐的试验方法，对二十余种岩石样品进行试验分析，建立两个新指标与各参数间的相关关系如下：.（1）通过X射线衍射全岩分析和薄片鉴定，分析矿物成分及微观结构对其产生的影响：样品结构越松散，裂纹敏感性越差，裂纹容限越大；结构比矿物含量对裂纹敏感度和裂纹容限的影响更大。.（2）通过对层状结构岩石样品的研究，分析各向异性对其产生的影响。.（3）通过高低温试验，分析两指标与温度的相关关系。.（4）采用数字散斑相关法和高速摄影试验技术观测了裂纹尖端破损区深度（裂纹容限）及裂纹扩展过程；计算裂纹尖端应力强度因子，构筑裂纹尖端应力应变场；在起裂载荷下计算不同强度理论所对应的裂纹尖端破损区深度（裂纹容限），对比试验结果，筛选最适于岩石裂纹容限预测的强度理论；计算在相同裂纹内部水压力作用下、不同垂直地应力及水平地应力环境下、不同裂缝倾斜角条件下的岩石裂纹尖端裂纹容限值，确定最大裂纹容限的地应力条件及裂纹倾斜角；给页岩气开采及煤层气开采中的水力压裂工程提供参考。.（5）采用权重分析法综合多种参数计算岩石可压裂系数评价其可压裂性，与利用裂纹容限评价岩石可压裂性的结果进行验证，两者一致性较好，说明采用本文提出的裂纹容限来评价岩石可压裂性是切实可行的。