基于Abaqus頁巖壓裂裂縫擴展規律研究

高紀超

摘 要：超臨界二氧化碳因其具有高密度，低粘度特點，在壓裂時既能夠產生足夠高的井底壓力，也容易擴散進入巖石孔隙。超臨界二氧化碳進入到巖石內部孔隙之后，對于巖石物性有著較強影響作用。采用Abaqus有限元軟件進行壓裂模擬，研究超臨界二氧化碳射流致裂地層的規律。

關鍵詞：巖石滲流；規律分析；討論

1 巖石滲流-應力耦合模型

壓裂施工利用外力破壞目的層的巖石，使其產生高效導流裂縫。地層壓裂的過程流體滲流和巖石變形之間存在著耦合關系，即滲流-應力耦合。本文采用Drucker-prager硬化準則來描述多孔介質壓裂過程中的耦合現象。

1.1 Cohesive單元

Cohesive單元內聚力模型能夠用來模擬油層壓裂施工中的裂縫起裂和擴展過程。流體在Cohesive單元中的流動分為切向流動和垂直于裂縫表面的流動。前者表示壓裂液在裂縫內的運移，后者表示壓裂液的濾失。

1.2 物理模型

假定儲層為均質、各項同性的致密頁巖，上下面被泥巖覆蓋。儲層深度范圍設定為2005m～2020m，平面尺寸為400×400m。裂縫擴展部分采用Cohesive單元，網格劃分選取COH3D8P；儲層和上下蓋層網格劃分選取C3D8RP。施工排量設定為15bpm，壓裂液粘度為100MPa·S。裂縫部分的Cohesive單元起裂準則設定為二次牽引交互失效準則，裂縫擴展準則為基于能量的混合模式，其臨界能量釋放率設定為 。

1.3 巖石物性設定

采用超臨界二氧化碳射流壓裂巖層，巖石的物性在流體介質的影響下會發生改變。將頁巖標本在30MPa，60℃實驗條件下浸泡2小時，其巖石物性發生明顯變化。彈性模量由61.25GPa變為86.27GPa，泊松比由0.25變為0.09，縱應變由1211變為287。

1.4 壓裂結果分析

裂縫形態呈現為狹長的楔形。裂縫前端存在應力集中現象。當巖石法向應力與兩個切向應力達到二次失效準則時，裂縫起裂。在裂縫兩側區域，巖石有效應力出現降低現象。這是由于壓裂液滲透的作用，孔隙壓力產生抵消作用，使得裂縫壁面附近出現有效應力減小的現象。距離裂縫擴展區域越遠，滲透作用越低。此時巖石由于變形產生的擠壓效果，使得其有效應力增大。

2 裂縫擴展規律分析

2.1 儲層彈性模量對于壓裂模擬的影響

頁巖巖石彈性模量經過超臨界二氧化碳的作用會發生變化，分別設定目的儲層巖石的彈性模量為20、25、30、35、40GPa。巖石彈性模量對于壓裂施工效果有著顯著的影響。頁巖儲層的彈性模量越大，裂縫長度越大，最大裂縫寬度越小。巖石的彈性模量主要影響裂縫擴展的法向位移。

2.2 巖石濾失性質對于壓裂模擬的影響

裂縫壁面的濾失性質對于壓裂施工效果有著重要影響。具有高濾失性的儲層，在壓裂施工時會濾失掉大量的壓裂液，從而使壓裂成本升高，效果降低。因此有必要具體研究不同濾失系數條件下的壓裂情況。設定儲層巖石濾失系數分別為2、6、10、12、14和18m/min0.5，分別進行壓裂模擬計算。

當濾失系數增大到一定程度時，裂縫長度出現最小值，而裂縫的寬度出現較小的增幅。最大縫寬隨著濾失系數的增大總體呈現減小的趨勢。濾失系數對于壓裂施工的影響較為復雜。濾失系數比較小的地層在壓裂時滲透到其內部的流體體積較小，有利于在裂縫內形成較高的增壓。但是流體滲透進入巖石孔隙，會引起孔隙壓力的變化，進而導致巖石的有效應力降低的現象，有利于裂縫的起裂。而濾失系數過大的儲層，壓裂液損失較為嚴重。

2.3施工排量對于壓裂模擬的影響

對于需要壓裂施工的儲層，現場可以調節的參數有施工排量和壓裂液性質。因此研究不同排量下的儲層壓裂效果具有重大意義。分別設定排量為2，2.4，3，3.5和4m3/min，進行壓裂模擬研究。從結果可以看出，當增加施工排量時，裂縫最大寬度明顯增大，而且裂縫長度也隨之增大。當排量上升到3.5m3/min時，裂縫的長度有明顯的增加。但是隨著排量繼續增大，裂縫長度保持不變。

3 討論

①裂縫形態呈現為狹長的近似三角形，在裂縫尖端存在應力集中現象，在裂縫擴展部位的兩側孔隙壓力比較大；②彈性模量大的儲層壓裂時產生的法向位移較小，裂縫形態趨于扁長。濾失系數對于裂縫形態的影響比較復雜，濾失系數越大的儲層，壓裂產生的裂縫寬度越小。增加施工排量時，裂縫最大寬度明顯增大，而且裂縫長度也隨之增大。

參考文獻：

[1]莊苗，柳占力，成斌斌，等.擴展有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]張汝生，王強，張祖國，等.水力壓裂裂縫三位擴展ABAQUS數值模擬研究[J].石油鉆采工藝，2012，34 s（6）：69-72.