储集岩的损伤及塑性变形分解.doc

储集岩的损伤及塑性变形：（2）水力裂缝的延伸 Seth Busetti等 摘要：第二部分的目的是了解复杂水力压裂裂缝（HF）2.3 m （7.5 ft）0.3m （1ft）10~45 MPa（1450~6527 psi），施加10 MPa/s （1450 psi/s） 1 前言 地壳中的水力压裂裂缝通常呈现为复杂的形状，其具多段裂缝互连、桥接分支以及裂开-中断结构（1; Delaney等, 1986; Weinberger等, 2000; Sagy等, 2001）（HubbertWillis, 1957; Irwin, 1958; Barenblatt, 1962） 我们研发的流变学模型（Busetti, 2012，第一部分）Abaqus有限元（FE）（Hart和Wang, 1995; Menendez等, 1996）（Weinberger, 1994）（RamseyChester, 2004; Bobich, 2005）（HF） 本项分析的三个主要内容为：1）2）3）（Hubbert和Willis, 1957）（Busetti, 2009） 1）2）3）4） 2 复杂的水力压裂裂缝 现场及实验室的观测结果表明，简单的平面水力压裂裂缝（如通常许多储集岩应用程序所解释的裂缝）是比较少见的。下面概述了水力压裂裂缝形态的几种观测实例。得克萨斯州沃思堡盆地Barnett页岩的一次水力压裂处理中微震事件的位置分析揭示出，微震事件的影响程度取决于局部应力状态及邻近褶皱、断层以及喀斯特构造的作用程度（BusettiReches, 2007; Roth和Thompson, 2009; Busetti, 2009）Carthage棉花谷气田天然断裂走廊挤压推进中所记录的水力压裂施工期间诱发的高能量微剪切事件（Rutledge, 2004）（1D）（Warpinski, 1993; Fast 等,1994; Sim, 2004） 水及沙质支撑剂注入现行煤矿约200 m（656 ft）（Elder, 1977）（WarpinskiTeufel, 1987） 岩墙是人工水力压裂裂缝的天然相似体，岩墙露头通常保存了侵入、受损的主岩，诱导裂缝的样式，以及注入流体的残留物（Pollard, 1978）Maktesh Ramon砂岩中雁列状岩墙段呈阶梯式排列，且多段相接（BaerReches, 1991）（Weinberger, 2000）Timna山系附近的岩墙呈现出近垂直的接触构造和近水平的台阶，以及相互作用段的边界、脊线和凹槽（Baer, 1994）（1C）（Levi, 2009） 实验研究表明，局部应力变化可能会增加、改变方向或抑制水力压裂裂缝的延伸。应力变化可能是由于成层、原生裂缝不连续性、局部非均质性或水力压裂本身所致。Zhou等（2008） 理论上（Rice, 1968）（CookePollard, 1996）（I+II, ）（Wu, 2006）（=KⅢ/KⅠ= 1%~10%）（1F, G） 3 本项研究的模型设置 3.1 方法 本项研究中对二维模型水力压裂裂缝的延伸采用了如下设置： 1）主岩具有的连续弹-塑性损伤流变特性接近实验室观测的贝雷砂岩的有限应力-应变和脆性破坏（Busetti, 2012，第一部分） 2）裂缝的延伸主要取决于岩石的局部损伤状态，因此，模拟中的破裂可能与裂隙端的作用无关。可能发生的宏观破裂属压裂损伤作用（第一部分）。 3）通过运用动态水力压裂措施，对瞬态裂缝延伸及伴生裂隙的中断、裂开、分支以及分割都进行了研究。 图2 水力压裂裂缝延伸至砂岩层的地质特征（左图）及有限元模型构型（右）。两侧施加的力为构造载荷垂直应力σvertical =Sy和最小水平应力σhmin=Sx；初始垂直细裂隙施加的为内压力（见正文）。y方向的位移固定在底部，Uy=0。 这些特征可通过有限元软件Abaqus予以应用，Abaqus综合了非线性单元的性态、有限应变、时间相关变形，以及复杂的边界条件（第一部分）。本项研究中复杂裂缝发育的建模，我们采用了显式解方法（Abaqus; Simulia, 2010a）Windows XP工作站，运用Abaqus 6.7扩展功能，通过4GB随机存储器和两个3-GHz处理器并行工作进行有限元计算。运算时间为6~12小时。 3.2 二维模型 3.2.1 构形 图3 具有限元（FE）损伤流变学的本构模型。（A）主应力空间、以液压轴为中心的屈服面；图中反映了拉伸子午线（TM）和挤压子午线（CM）；（B）应变硬化和应变软化的拉张、挤压曲线；（C）损伤参数的演变。曲线是基于贝雷砂岩的实验数据（Busetti 等, 2012，第一部分），并作为有限元材料模型的输入参数。 该模型为二维平面应变的两层体，其宽3