深层高应力下页岩缝网压裂裂缝流动机制及导流能力预测模型

Deep shale gas is an important direction for the development of China's shale gas, hydraulic fracturing is one of the three key technology of gas exploration in shale, which aims to form complex fracture network with certain conductivity and connect more reservoir volume. This study theoretically analyze the formation condition of shear-displaced fractures and the displacement of fractures, with the consideration of shear failure, circumstance, and non-Darcy flow, and do physical simulation through breakdown experiments and shear-displacement experiments; mechanically analyze the surface topography of fractures by three-dimensional imaging technology, establish numerical characterization model for residual width of rough fractures with the impact of effective normal stress, and then build three-dimensional numerical model for overall loading process on shear fractures; characterize the inertial pressure loss by using non-Darcy factor and Forchheimer constant to modify the traditional formula for fracture conductivity, and then the forecast model of shale shear fracture conductivity based on three dimensional digitization is built and validated by self-propped fracture conductivity test. The study consequence can analyze the behavior of shale shear self-propped fracture conductivity and provide an accordance to determine whether a shale gas reservoir has the fracability, which has a significant contribution to enrichment of the shale gas volume fracturing basic theory system.

深层页岩气是中国页岩气下步发展的重要方向，水力压裂是页岩气勘探开发的“三大关键”技术之一，页岩气藏水力压裂的核心是形成具有一定流动能力的复杂裂缝网络。本项目综合考虑深层页岩剪切破坏、就地高应力条件及非达西流动影响，通过理论重点分析揭示深层页岩形成剪切-错位缝的条件及裂缝错位程度，并通过岩石破裂和剪切滑移实验进行物理模拟；通过三维数字成像技术对裂缝表面形态作出力学分析，建立粗糙裂缝面在有效正应力作用下残余缝宽数值表征模型，进而建立剪切裂缝加载条件下的全过程三维数字化模型；通过引入非达西因子和Forchheimer常数来表征由流体惯性阻力引起的压力损失项，修正传统裂缝导流能力测试计算公式；进而建立基于三维数字化的深层页岩剪切裂缝导流能力预测模型，揭示深层页岩压裂剪切自支撑缝网流动机制。研究成果可为深层页岩气藏是否具有可压裂性提供判定依据，对充实页岩气体积压裂改造基础理论体系具有重要意义。

剪切错位自支撑裂缝是深层页岩气体积压裂构建缝网的重要组成，如何评价裂缝网络的流动能力是深层页岩气压裂设计要考虑的重点。项目紧密围绕深层页岩水力压裂裂缝流动能力评价开展研究，综合考虑深层页岩剪切破坏、就地高应力条件及非达西流动影响，基于裂缝剪切错位力学特征分析，建立了页岩剪切错位量计算模型，并通过岩石破裂和剪切滑移实验进行物理模拟；结合三维激光扫描重构粗糙裂缝表面进一步构建了粗糙错位裂缝形态模型，揭示了页岩粗糙裂缝形态特征；基于页岩粗糙错位裂缝三维有限元模型，建立了应力作用下考虑塑性机制的粗糙错位裂缝形变模型，揭示了页岩粗糙错位裂缝形态变化特征及影响因素；采用三维LBM方法建立了粗糙裂缝流体流动模型，通过引入粗糙裂缝形态模型和应力作用下粗糙裂缝形变模型组合形成了页岩自支撑裂缝导流能力数值模型，并以川南龙马溪组为例通过创新实验设备及方法对模型正确性进行实验验证，揭示了页岩自支撑裂缝导流能力影响因素和变化机制，为页岩气可压性评价和产能预测模型提供了依据。.研究成果发表标注本基金论文15篇，其中SCI收录4篇、EI收录7篇；申请国家发明专利10项，其中已授权4项；授权美国发明专利1项；参加国际学术会议5次；制定能源行业标准1件；登记计算机软件著作权10件；获得省部级技术发明和科技进步一等奖2项、专利优秀奖1项；培养硕博士5名。此外，项目执行期间，项目负责人获得国家优秀青年科学基金资助，同时获得四川省青年科技奖、石油和化工行业青年科技突出贡献奖、四川省学术和技术带头人后备人选等荣誉称号。.本项目的理论研究成果在四川盆地的长宁、威远等地区的页岩气压裂得到直接应用，并在渤海湾盆地胜利油区的页岩油藏得到推广应用，对页岩体积压裂缝网导流能力优化与压裂设计具有重要指导意义，同时对致密气压裂亦具有借鉴意义。