基于室内试验的页岩气储层可压裂性评价

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页岩气为一种清洁高效的能源闯进了人们的视线。然而,我国大部分的页岩气资源埋藏于深部地层中,不同于美国的浅部页岩气资源,我国深部页岩气储层地质条件复杂,褶皱断层发育,且承受着较高的地应力水平和地温水平,因此,美国的浅部页岩气资源开采的相关理论和技术并不适合我国的深部页岩气储层,我们需要自主研发一条符合中国特色的深部页岩气资源开采理论。因此,本文围绕深部页岩气储层的室内可压裂性评价这一主题,以四川省长宁县志留系龙马溪组页岩为研究对象,通过实时高温三轴试验、水力压裂试验以及单轴应变试验,基于能量平衡、理论分析以及归一化原理,研究了不同地层条件下页岩的力学性质、脆性特征、断裂韧性和可压裂性的变化规律,分析了不同试验条件下页岩的应力应变曲线和泵压曲线,探究了围压和温度对岩石破坏模式(包括高温三轴压缩试验和水力压裂试验)的控制作用,揭示了温度对页岩力学性质的影响机制,得到了页岩的温度损伤阀值,并基于新的温度损伤定义,建立了综合考虑岩石峰前和峰后应力应变曲线特征的损伤本构模型,基于断裂力学理论,设计了一种新的断裂韧性测量方法,探讨了地层条件对页岩断裂韧性的影响机制,最后形成了一整套综合脆性指标、断裂韧性和无预制裂纹起裂压力室内综合可压裂性评价方法,并建立了与不同埋藏深度和不同超固结比的函数关系,为我国进一步实现深部页岩的商业化开采提供一定的理论指导。主要内容:(1)高温三轴压缩试验中,以140℃为界限,温度低于140℃时,应力-应变呈Ⅰ类曲线,峰后具有明显台阶状,低应力条件下表现为张拉破坏,高应力条件下表现为剪切破;温度高于140℃时,应力-应变呈Ⅱ类曲线,峰前具有明显压密阶段和屈服阶段,且峰后无台阶状,低围压条件下同样表现为张拉破坏,但在高围压条件下,更多的表现为散碎破坏。(2)基于能量守恒理论和高温三轴压缩试验,综合考虑了岩石的裂缝闭合阶段、弹性压缩阶段、塑性压缩以及破坏条件等因素,定义了一种新的温度损伤。同时,基于新的温度损伤定义,考虑岩石峰前和峰后应力应变曲线特征,建立了岩石损伤本构模型,该模型可以更好的表征高温高围压条件下的岩石变形破坏特征。(3)水力压裂试验中,页岩样品的破裂压力随着围压的升高逐渐增大,而随着温度的升高逐渐降低。第一次压裂破裂压力最大,第二次压裂次之,第三次压裂破裂压力则接近围压值。(4)水力压裂试验中,低温低压条件下,岩石破裂面凹凸不平,较为粗糙。在高温高压条件下,岩石破裂表面较为光滑,没有明显的凹凸形状。从页岩样品裂隙端面来看,在低温低压条件下页岩的裂隙表现出锯齿状的裂隙,而高温高压条件下页岩样品表现出平直状的裂隙。(5)水力压裂试验中,低温低压条件下,内部孔压不足以开启层理弱面,裂缝以沿着水力主缝方向进行扩展,而在高温高压条件下,内部孔压即可沿预制裂缝方向发生扩展,也足以开启层理弱面,在其他条件下,裂缝扩展方向则可能发生转向,沿着层理方向进行扩展。(6)基于高温三轴压缩试验、水力压裂试验和单轴应变试验,综合不同试验条件下的脆性指标、断裂韧性以及无预制裂纹的破裂压力,并基于归一化原理和多因素条件,定义了页岩储层的可压裂性指标,并分别建立了基于埋藏深度和超固结比OCR的室内可压性评价方法。
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