基于Abaqus页岩压裂裂缝扩展规律研究

高纪超

摘 要：超临界二氧化碳因其具有高密度，低粘度特点，在压裂时既能够产生足够高的井底压力，也容易扩散进入岩石孔隙。超临界二氧化碳进入到岩石内部孔隙之后，对于岩石物性有着较强影响作用。采用Abaqus有限元软件进行压裂模拟，研究超临界二氧化碳射流致裂地层的规律。

关键词：岩石渗流；规律分析；讨论

1 岩石渗流-应力耦合模型

压裂施工利用外力破坏目的层的岩石，使其产生高效导流裂缝。地层压裂的过程流体渗流和岩石变形之间存在着耦合关系，即渗流-应力耦合。本文采用Drucker-prager硬化准则来描述多孔介质压裂过程中的耦合现象。

1.1 Cohesive单元

Cohesive单元内聚力模型能够用来模拟油层压裂施工中的裂缝起裂和扩展过程。流体在Cohesive单元中的流动分为切向流动和垂直于裂缝表面的流动。前者表示压裂液在裂缝内的运移，后者表示压裂液的滤失。

1.2 物理模型

假定储层为均质、各项同性的致密页岩，上下面被泥岩覆盖。储层深度范围设定为2005m～2020m，平面尺寸为400×400m。裂缝扩展部分采用Cohesive單元，网格划分选取COH3D8P；储层和上下盖层网格划分选取C3D8RP。施工排量设定为15bpm，压裂液粘度为100MPa·S。裂缝部分的Cohesive单元起裂准则设定为二次牵引交互失效准则，裂缝扩展准则为基于能量的混合模式，其临界能量释放率设定为 。

1.3 岩石物性设定

采用超临界二氧化碳射流压裂岩层，岩石的物性在流体介质的影响下会发生改变。将页岩标本在30MPa，60℃实验条件下浸泡2小时，其岩石物性发生明显变化。弹性模量由61.25GPa变为86.27GPa，泊松比由0.25变为0.09，纵应变由1211变为287。

1.4 压裂结果分析

裂缝形态呈现为狭长的楔形。裂缝前端存在应力集中现象。当岩石法向应力与两个切向应力达到二次失效准则时，裂缝起裂。在裂缝两侧区域，岩石有效应力出现降低现象。这是由于压裂液渗透的作用，孔隙压力产生抵消作用，使得裂缝壁面附近出现有效应力减小的现象。距离裂缝扩展区域越远，渗透作用越低。此时岩石由于变形产生的挤压效果，使得其有效应力增大。

2 裂缝扩展规律分析

2.1 储层弹性模量对于压裂模拟的影响

页岩岩石弹性模量经过超临界二氧化碳的作用会发生变化，分别设定目的储层岩石的弹性模量为20、25、30、35、40GPa。岩石弹性模量对于压裂施工效果有着显著的影响。页岩储层的弹性模量越大，裂缝长度越大，最大裂缝宽度越小。岩石的弹性模量主要影响裂缝扩展的法向位移。

2.2 岩石滤失性质对于压裂模拟的影响

裂缝壁面的滤失性质对于压裂施工效果有着重要影响。具有高滤失性的储层，在压裂施工时会滤失掉大量的压裂液，从而使压裂成本升高，效果降低。因此有必要具体研究不同滤失系数条件下的压裂情况。设定储层岩石滤失系数分别为2、6、10、12、14和18m/min0.5，分别进行压裂模拟计算。

当滤失系数增大到一定程度时，裂缝长度出现最小值，而裂缝的宽度出现较小的增幅。最大缝宽随着滤失系数的增大总体呈现减小的趋势。滤失系数对于压裂施工的影响较为复杂。滤失系数比较小的地层在压裂时渗透到其内部的流体体积较小，有利于在裂缝内形成较高的增压。但是流体渗透进入岩石孔隙，会引起孔隙压力的变化，进而导致岩石的有效应力降低的现象，有利于裂缝的起裂。而滤失系数过大的储层，压裂液损失较为严重。

2.3施工排量对于压裂模拟的影响

对于需要压裂施工的储层，现场可以调节的参数有施工排量和压裂液性质。因此研究不同排量下的储层压裂效果具有重大意义。分别设定排量为2，2.4，3，3.5和4m3/min，进行压裂模拟研究。从结果可以看出，当增加施工排量时，裂缝最大宽度明显增大，而且裂缝长度也随之增大。当排量上升到3.5m3/min时，裂缝的长度有明显的增加。但是随着排量继续增大，裂缝长度保持不变。

3 讨论

①裂缝形态呈现为狭长的近似三角形，在裂缝尖端存在应力集中现象，在裂缝扩展部位的两侧孔隙压力比较大；②弹性模量大的储层压裂时产生的法向位移较小，裂缝形态趋于扁长。滤失系数对于裂缝形态的影响比较复杂，滤失系数越大的储层，压裂产生的裂缝宽度越小。增加施工排量时，裂缝最大宽度明显增大，而且裂缝长度也随之增大。

参考文献：

[1]庄苗，柳占力，成斌斌，等.扩展有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]张汝生，王强，张祖国，等.水力压裂裂缝三位扩展ABAQUS数值模拟研究[J].石油钻采工艺，2012，34 s（6）：69-72.