油页岩水力压裂数值模拟及实验研究

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石油是经济发展的命脉,进入21世纪以来,我国对石油资源需求急剧增大。同时随着几大油田的老化,传统油气资源已经很难满足我国经济的发展。在这种情况下,油页岩作为一种非常重要的接替能源,越来越受人关注。我国油页岩资源丰富,全国油页岩资源为7199.37亿t,折算成页岩油为476.44亿t。传统油页岩开采方式开采成本高,对环境污染影响大,虽然油页岩原位开采技术对环境影响不大,但是同样面对着开采成本高,开采时间长等问题,因此寻求高效的、经济的油页岩开采方法迫在眉睫。油页岩原位开采的关键问题是提高油页岩岩层的渗透性,而提高渗透性的最有效方法即造缝。水力压裂技术是提高油气渗透性能的重要技术手段之一,将水力压裂技术用于油页岩原位开采初始阶段来改善其渗透性,其开采效率必将大大提高。Electro-frac TM技术试验结果的成功表明油页岩的原位水力压裂是可行的。本文主要从理论分析、数值模拟及室内模拟实验三个方面对油页岩水力压裂过程中的破裂压力及地应力条件和射孔参数对破裂压力的影响规律进行了分析。理论分析得到了油页岩地层在裸眼完井方式和射孔完井方式下水力压裂时的破裂压力,并根据桦甸和农安油页岩矿区实际参数进行了计算,得到了两个地区在裸眼完井和射孔完井方式下各自的破裂压力理论值。分析了油页岩裸眼完井方式下井壁附近地层地应力分布状态以及射孔完井方式下孔眼壁附近地层地应力分布状态,得到了两种情况下的起裂位置。数值模拟方面,利用真实破裂过程分析软件二维渗流分析版分别对裸眼完井和射孔完井下的农安油页岩矿区水力压裂过程进行数值模拟,得到了两种完井方式下的破裂压力,并将模拟结果与理论计算结果进行对比分析。同时对射孔完井条件下不同地应力条件及射孔参数条件下的油页岩地层水力压裂起裂过程进行了数值模拟,以此来分析地应力条件和射孔参数对破裂压力的影响规律。室内模拟实验方面,建立了真三轴水力压裂实验台。实验台能进行一定尺寸试样的水力压裂室内模拟实验,采集模拟压裂实验过程中套管内压力的变化。利用建立的真三轴水力压裂实验台进行了室内油页岩水力压裂模拟实验。采取混凝土包裹油页岩的方法制备油页岩压裂试样,并进行了模拟压裂实验,得到了不同地应力状态下(模拟三种不同埋深的地应力状态)桦甸油页岩裸眼完井时的水力压裂破裂压力,并将实验结果与理论计算结果进行对比分析。鉴于室内的油页岩压裂试样无法进行射孔,本文采取混凝土试样来研究射孔完井条件下地应力条件和射孔参数等因素对破裂压力的影响。通过改变不同方向模拟载荷的大小来研究地应力对于破裂压力的影响,实验研究了垂直地应力、最大水平地应力及最小水平地应力对于破裂压力的影响。通过预埋带射孔孔道的模拟套管于混凝土中来制作不同射孔参数条件的混凝土试样,实验研究了射孔直径、射孔与最大水平地应力夹角以及射孔排数对于破裂压力的影响。
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