我國頁岩氣儲量豐富, 已探明的頁岩氣儲量居世界首位. 但其儲層呈低孔隙度, 低滲透率的物性特徵, 需要更有效的水力壓裂, 用以改善頁岩氣在岩石中的滲透性, 因而開採難度遠大於其他國家. 目前, 我國水力壓裂技術的基本難題是如何在頁岩中形成大規模的交聯裂紋網路, 同解吸附和驅替配合, 將頁岩氣快速地開採出來.
近日, 中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室趙亞溥團隊圍繞水力壓裂中岩石-壓裂液的固-液界面切應力, 開展了針對裂紋擴展規律的研究工作, 發現壓裂液黏性流動在固-液界面產生的切應力對裂紋擴展規律有重要影響. 這一發現解釋了井筒壓強實測值遠高於傳統模型預測值的現象, 可以用於指導壓裂液的選取和壓裂方式的優化, 具有重要的應用價值.
業內普遍認為壓裂液壓強在整條裂紋基本保持不變, 僅在裂紋尖端附近出現驟降. 在理論分析中, 研究人員也發現壓強在裂紋尖端具有奇異性, 且奇異性強度與裂紋擴展主導機制 (岩石斷裂耗功, 壓裂液黏性耗功主導機制) 有關. 在壓裂液黏性耗功主導機制下, 經典線彈性斷裂力學的-1/2階奇異性消失, 裂紋尖端流體壓強的奇異性為-1/3階, 固體應力奇異性也為-1/3階, 這是由固-液兩相的應力匹配引起. 而通過力的平衡可知, 切應力的奇異性強於壓強, 所以需要對切應力的影響開展詳細研究.
據此, 該研究通過裂紋尖端的應力奇異性對固-液界面上的切應力進行了定性分析. 研究人員通過裂紋尖端應力和位移的漸近性質, 並結合新建立的位移和應力場邊界積分方程開展研究, 發現切應力有導致裂紋閉合的趨勢; 常用的應力強度因子和能量釋放率的計算方法需要引入切應力的修正; 裂紋擴展存在潛在的失穩現象, 並且通過裂紋尖端附近應力場和應變能密度, 得到切應力使裂紋有垂直於裂紋面開裂的趨勢. 這些發現從理論上證明可以通過控制壓裂參數, 使裂紋擴展出現失穩現象, 為水力壓裂形成裂紋網路提供了新思路. 在此基礎上, 研究人員針對常見的碟形水力壓裂裂紋建立了固-液界面耦合全應力的冪律流體水力壓裂模型, 並修正了基於應力強度因子的裂紋擴展判據, 該模型可以拓展為常用的二維和准三維水力壓裂模型, 提供快速, 準確的水力壓裂設計和類比方案. 進一步研究發現, 在壓裂液黏性流動耗功與岩石斷裂耗功相比可忽略情況下, 切應力導致更長, 更窄的裂紋以及更高的井筒壓強, 並且過高的切應力使裂紋在井筒和裂紋尖端處同時存在潛在的失穩現象; 存在固-液界面上的壓強和切應力, 岩石斷裂耗功和壓裂液黏性流動耗功兩對主導機制, 且主導機制在壓裂過程中發生轉變, 轉變方向與冪律型壓裂液的流性指數有關. 這些發現解釋了井筒壓強實測值遠高於傳統模型預測值的現象, 為壓裂液的選取和壓裂流量的控制提供了方向.
以上研究工作深入探索了固-液界面切應力對水力壓裂過程中應力奇異性和主導機制的重要影響, 為解決頁岩氣開採中存在的基本難題提供了新思路.
相關研究成果發表在ASME Journal of Applied Mechanics上. 該研究得到了國家自然科學基金石油化工聯合基金, 中科院創新交叉團隊項目, 前沿科學研究重點計劃項目, 戰略性先導科技專項等的資助.
圖1.不同主導機制下, 裂紋尖端附近歸一化的應力和應變能密度分布
圖2.(a) 碟形水力壓裂裂紋示意圖; (b) 不同流性指數下的主導機制轉變. n <0.5 时, 由断裂耗功向黏性耗功主导机制转变; n>0.5時, 切應力主導機制在裂紋擴展初期
