CN110954419B - 一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法 - Google Patents

一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，包括以下步骤：制作类岩石材料标准试样，利用该试样进行力学参数试验，获取类岩石材料力学参数；制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数；利用有限元软件，建立类岩石材料有限元模型，在有限元模型中预设裂隙及裂缝尺寸，将上述试验的结果代入有限元模型；以循环压力形式进行加载，获取类岩石材料的裂纹扩展，确定最优循环水压力荷载的幅值与频率参数的组合形式。

Description

一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法
技术领域
本公开属于岩土体预置裂隙水力压裂技术领域，具体涉及一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法。
背景技术
水力压裂是指在水压的作用下，使岩土体产生裂纹或使裂纹扩展的一种物理现象。水力压裂的办法被广泛地用于多种领域，比如压力隧洞分析、页岩气开采、煤田开采、地应力测量等。在油气开采领域，我国页岩气资源丰富，总储量约为134.42万亿立方米(可采储量约为25.08万亿立方米)，然而由于页岩储层孔隙度和渗透率低(一般孔隙度低于10％，渗透率低于1mD),必须通过储层改造措施改善地层渗流条件，才能实现有效开采，因此水力压裂技术作为主要的页岩气储层改造技术便显得尤为重要。
传统的水力压裂开采页岩气是通过井筒将高排量高粘性压裂液注入底层，使井底产生高压，克服原始地应力和岩石抗拉强度，使岩石破裂产生裂缝并逐渐向远离井筒地层区域延伸。但是常规水力压裂方法需要较高排量的压裂液，通过高压使岩石开裂，泵压升高增加了施工风险，同时在压裂过程中有时只在井底附近形成小范围裂缝延伸，不利于施工顺利进行。
低周循环水力压裂技术，是在常规水力压裂基础上提出的一种新型水力压裂技术，克服了常规水力压裂技术在页岩气开采中出现的技术问题。低周循环水力压裂技术是利用循环水压力，使岩层产生疲劳损伤，从而产生裂纹或使裂纹扩展的水力压裂技术，循环水压峰值低于常规水力压裂所需水压力，因此所需的泵压低于常规水力压裂技术，使得在较低泵压条件下，产生较大的压裂改造体积，更加有效地提高岩层渗透率，同时降低了施工压力和施工风险，有利于安全施工。
但目前岩石在循环水压作用下产生疲劳破坏的施工参数仍处于经验选取阶段，在施工中，缺乏相应的理论指导和施工设计方法，对幅值和频率的影响缺乏理论依据，在数值模拟方面，缺乏相应的模型进行模拟评估。这样在不同岩层应用的效果难以评估。
发明内容
本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法；该方法采用循环水力压裂的施工设计方法和数值模拟方法，为不同岩层提供较为适宜的循环水压幅值和频率，提高循环水压对储层改造的效果和施工效率。
本公开的发明目的是提出一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：
一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，包括以下步骤：
步骤1：制作类岩石材料标准试样，利用该试样进行力学参数试验，获取类岩石材料力学参数；
步骤2：制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数；
步骤3：利用有限元软件，建立类岩石材料有限元模型，在有限元模型中预设裂隙及裂缝尺寸，将步骤1和步骤2的结果代入有限元模型；
步骤4：以循环压力形式进行加载，获取类岩石材料的裂纹扩展，确定最优循环水压力荷载的幅值与频率参数的组合形式。
作为进一步的技术方案，所述步骤1中，力学参数试验包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、单轴拉伸试验。
作为进一步的技术方案，所述步骤1中，类岩石材料力学参数包括单轴抗压强度、三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度。
作为进一步的技术方案，所述步骤1中，采用水泥砂浆材料制作类岩石材料标准试样。
作为进一步的技术方案，所述步骤2的具体步骤为：
采用水泥砂浆材料制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，测试不同频率和幅值条件下疲劳裂纹扩展规律，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数。
作为进一步的技术方案，所述步骤3中，运用扩展有限元方法，在建立有限元模型的同时建立预制裂隙表面，将循环水压力施加于预制裂隙表面，给含裂隙类岩石材料低周疲劳水力压裂扩展有限元模型施加约束条件。
作为进一步的技术方案，所述步骤4中，采用相对断裂能释放率判定裂纹的扩展，在预制裂隙处施加水压力，使用直接循环方法定义低周疲劳分析，采用最大拉应力准则判定裂纹扩展方向。
作为进一步的技术方案，所述步骤4中，计算不同幅值和频率的循环荷载作用下类岩石材料的裂纹扩展速率，进而获取循环荷载作用下水力压裂形成的裂纹长度随荷载循环次数变化情况，进而得到裂纹的扩展速率，从而得出裂纹扩展速率随幅值和频率改变的曲线。
本公开的有益效果为：
通过本公开的设计方法，可以得到类岩石材料在循环拉压作用下疲劳损伤的机理，得到不同幅值和频率的应力作用下类岩石材料应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中相应的材料参数；
通过本公开提供的相关曲线和参数，可以得到类岩石材料中预置裂隙在循环水压作用下低周疲劳破坏的数值模型，从而计算得到不同幅值和频率水压荷载作用下，裂纹起裂的水压循环次数和裂纹扩展长度随水压循环次数变化情况；
通过本公开得到的循环水压与裂纹扩展的关系，可以降低施工过程中所需要的泵压，从而降低施工难度和安全风险；
通过本公开得到的循环水压与裂纹扩展的关系，可以优选施工中所需要的水压幅值和频率，提高施工效率并降低施工成本；
本公开提供的设计方法根据不同的岩层材料得到不同的参数，通过改变力学参数来模拟不同岩层在不同幅值和频率水压荷载作用下裂扩展情况，从而确保该设计方法适用于不同的岩层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法。
本申请提供了一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，包括以下步骤：
步骤1：制作类岩石材料标准试样，利用该试样进行力学参数试验，获取类岩石材料力学参数；
步骤2：制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数；
步骤3：利用有限元软件，建立类岩石材料有限元模型，在有限元模型中预设裂隙及裂缝尺寸，将步骤1和步骤2的结果代入有限元模型；
步骤4：以循环压力形式进行加载，获取类岩石材料的裂纹扩展，确定最优循环水压力荷载的幅值与频率参数的组合形式。
实施例1
本公开提出的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，包括以下步骤：
步骤1：采用水泥砂浆材料制作类岩石材料标准试样，对类岩石材料标准试样开展单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸等力学参数测试，获取类岩石材料单轴和三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度等基本力学参数；
类岩石材料标准试样的制作过程为：制作水泥砂浆配比为1：0.6：0.7，振动台振动8～10分钟，12小时脱模养护，养护时间28d，养护温度19±3℃；
该步骤中力学参数测试采用现有力学参数测试试验过程，在此不再赘述。
步骤2：采用水泥砂浆材料制作含贯通裂隙(一型裂隙)的试样，对含贯通裂隙的试样进行周期循环拉压破坏实验，测试不同频率和幅值条件下疲劳裂纹扩展规律，得到相应的应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中相应的材料参数，确定疲劳强度理论模型；
含贯通裂隙(一型裂隙)的试样的制作过程为：采用PVC材料制作裂隙，通过穿线法(现有技术)将裂隙固定于试样；
进行周期循环拉压破坏实验的具体过程为：采用静、动混凝土真三轴试验机，动力系统为MTS液压控制系统，相同频率下改变应力幅值，得到试件寿命，通过拟合得到疲劳寿命曲线；相同幅值条件下改变频率，得到试件寿命，通过拟合得到疲劳寿命曲线。
步骤3：应用ABAQUS商用有限元软件，建立含裂隙的类岩石材料低周循环水力压裂扩展有限元模型(采用ABAQUS已有的方法，建立模型，施加特殊的边界条件，在裂隙表面施加水压荷载)，在模型中预制裂隙，并预设水压裂缝尺寸，实验中裂隙尺寸长×高为20㎜×20㎜，厚度为0.2㎜，类岩石材料力学参数以步骤1中实验结果为依据，采用相对断裂能释放率(判定裂纹扩展的准则)判定裂纹的扩展，在预制裂隙处施加水压力，使用直接循环方法定义低周疲劳分析，疲劳损伤参数以步骤2中应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中相应的材料参数为依据，将其编辑为关键字输入ABAQUS文件进行计算；此处根据ABAQUS中提供的裂隙扩展算法，按照Paris公式计算疲劳裂纹起裂时荷载循环次数，以及裂纹扩展速率，计算所需参数根据各曲线以及材料参数转化为Paris公式中的参数，输入ABAQUS文件即可。
具体的，该步骤过程为：
运用扩展有限元方法，建立在类岩石材料预制裂隙内注入循环水压使裂隙产生低周疲劳裂纹扩展的数值模型，在建立有限元模型的同时建立预制裂隙表面，将循环水压力施加于预制裂隙表面，给含裂隙类岩石材料低周疲劳水力压裂扩展有限元模型施加约束条件；
将步骤1得到的类岩石材料力学参数输入含裂隙类岩石材料低周疲劳水力压裂扩展有限元模型中，采用疲劳损伤方式，将裂纹疲劳扩展相关材料参数编辑为关键字：
*FRACTURE CRITERION,TYPE＝FATIGUE；
定义Paris公式和断裂准则中使用的材料常数数据行；
将其输入ABAQUS文件，输入参数以后对模型进行网格划分，采用均匀网格，进行独立性检验确定单元尺寸；
使用直接循环方法定义低周疲劳分析，采用相对断裂能释放率判定裂纹的扩展，采用最大拉应力准则判定裂纹扩展方向；
步骤4：应用步骤3建立的类岩石材料循环水力压裂扩展有限元模型，由施加的水压荷载，是一种循环荷载，需要通过表格方式或者函数形式进行定义，在定义时即可以改变水压幅值与频率，进而计算某个幅值和频率的循环荷载作用下裂纹扩展速率，进而获取循环荷载作用下水力压裂形成的裂纹长度随荷载循环次数变化情况，由ABAQUS软件直接输出；
步骤5：重复步骤3、4，统计不同幅值和频率的循环水压作用下裂纹的扩展，在保证施工管柱和设备安全的极限压力下，以获取裂纹最易扩展方式和有利于工程的裂纹扩展路径为目标，确定最优循环水压力荷载的幅值与频率参数的组合形式；
通过模型计算出不同幅值和频率的循环荷载作用下，裂纹的扩展速率，可以得到裂纹扩展速率随水压幅值和水压频率改变的曲线，从而得到裂纹扩展速率较快时的幅值与水压频率，也就是最优组合。
本公开用于岩层循环水力压裂过程确定裂纹扩展情况并选取最优幅值与频率参数的组合形式，从而降低开采所需水压力，降低了施工难度和安全风险，同时可以获得更好的压裂效果。
上述虽然对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：制作类岩石材料标准试样，利用该试样进行力学参数试验，获取类岩石材料力学参数；
步骤2：制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，测试不同频率和幅值条件下疲劳裂纹扩展规律，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数；
步骤3：利用有限元软件，建立类岩石材料有限元模型，在有限元模型中预设裂隙及裂缝尺寸，将步骤1和步骤2的结果代入有限元模型；
步骤4：以循环压力形式进行加载，获取类岩石材料的裂纹扩展，确定最优循环水压力荷载的幅值与频率参数的组合形式。
2.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤1中，力学参数试验包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、单轴拉伸试验。
3.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤1中，类岩石材料力学参数包括单轴抗压强度、三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度。
4.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤1中，采用水泥砂浆材料制作类岩石材料标准试样。
5.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤2的具体步骤为：
采用水泥砂浆材料制作含贯通裂隙的试样，利用该试样进行周期循环载荷拉压破坏试验，获取其应力应变曲线、应变次数曲线及Paris公式中的材料参数。
6.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤3中，运用扩展有限元方法，在建立有限元模型的同时建立预制裂隙表面，将循环水压力施加于预制裂隙表面，给含裂隙类岩石材料低周疲劳水力压裂扩展有限元模型施加约束条件。
7.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤4中，采用相对断裂能释放率判定裂纹的扩展，在预制裂隙处施加水压力，使用直接循环方法定义低周疲劳分析，采用最大拉应力准则判定裂纹扩展方向。
8.如权利要求1所述的预置裂隙水力疲劳压裂设计方法，其特征是，所述步骤4中，计算不同幅值和频率的循环荷载作用下类岩石材料的裂纹扩展速率，进而获取循环荷载作用下水力压裂形成的裂纹长度随荷载循环次数变化情况，进而得到裂纹的扩展速率，从而得出裂纹扩展速率随幅值和频率改变的曲线。
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