自然科学基金研究进展及成果介绍

低渗透性砂砾岩水力压裂裂纹三维扩展行为的研究（编号：51374213，负责人：鞠杨教授）

低渗透非均质油气储层的地质构造与地应力变化复杂，目前缺乏准确探测和评价水力压裂效果的有效手段，人们对不同埋深、地应力和水压耦合作用下非均质岩层压裂裂缝的展布模式、扩展规律、形成机制以及地质条件的影响认识不足，同时也缺乏相应的定量表征方法。这些问题导致在低渗透非均质储层中进行水力压裂方案设计、实施水力压裂以及现场监测均存在较大的盲目性，开采难度高、成本大。因此，开展不同埋深、地应力和水压力耦合作用下非均质岩石压裂裂缝的形成机制、展布模式、扩展规律、影响因素以及定量表征方法的研究，对于有效地实施水力压裂、建立非均质岩层水力压裂与渗流理论、定量地评价和提高采收率、降低成本具有重要的科学意义和应用价值。

本项目利用FIB-SEM、三维重构、格子Boltzmann、分形和统计学等方法获得了天然岩体介质的微观孔隙和裂隙的形态、分布、孔隙度、连通性、脆性、成熟度以及渗透率等几何与物理特征；提出了一套针对大尺度复杂结构的高效并行分形重构算法，克服了以往算法难以高效地进行复杂大尺度模型重构的难题；基于断裂力学理论和数值方法，分析揭示了储层射孔的布孔方式、射孔孔径、密度和深度对水力压裂裂缝的起裂和扩展的影响，给出了射孔参数的最优组合。引入横观各向同性本构关系，研究获得了不同射孔参数对储层水力压裂起裂和扩展的影响规律；基于所获得的低渗透储层砂砾岩的物理力学性质和砾石分布特征，建立了砂砾岩三维重构模型并研制了人工物理模型，采用三轴水力压裂、CT扫描与CDEM数值模拟方法，分析和揭示了不同地应力条件下低渗透储层水力压裂裂缝的形成与扩展机制，获得了材料非均质性和地应力共同作用下砂砾岩的三维复杂裂缝网络形态，揭示了地应力和非均质性对砂砾岩水力压裂裂缝扩展的影响规律；利用现场地质资料和钻井数据，建立了储层水力压裂的三维油藏地质模型，模拟了油藏现场水力压裂全过程，探查了在油藏地质条件下水力压裂裂缝的起裂压力、破裂压力、空间形态、分布特征等；在物理实验与数值模拟的基础上，提出了水压致裂裂缝空间形貌的分形表征方法，自主开发了一套储层压裂裂缝扩展与定量表征的应用软件，实现了不同地质条件下油藏压裂裂缝形态的直观显示和定量几何描述；基于分形与层次分析法，综合考虑脆性矿物含量、力学性能、成岩作用以及天然裂缝等因素，建立了页岩可压性的数学模型及评价方法，提出了页岩可压裂性的定量评价方法与解析模型；创新应用 CT扫描和3D打印技术，制备了低渗透储层岩体介质的3D打印模型，实现了深部非均质岩体孔隙/裂隙结构的物理透明化表征；提出了基于储层岩体介质3D打印模型的内部应力全场演化的识别、提取与量化方法，实现了内部复杂应力场连续演化过程的定量可视化，为实现低渗透岩体介质压裂裂缝扩展及应力场控制作用的可视及定量表征提供了新方法与有效途径。

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