岩土力学 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (11): 4543-4553.doi: 10.16285/j.rsm.2018.1740

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基于最大周向应变断裂准则 定向射孔水力裂缝扩展研究

董卓1, 2,唐世斌1, 2   

  1. 1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 大连理工大学 岩石破裂与失稳研究所,辽宁 大连 116024
  • 收稿日期:2018-09-19 出版日期:2019-11-11 发布日期:2019-12-01
  • 通讯作者: 唐世斌,男,1980年生,博士,副教授,主要从事岩石破裂过程分析方面的教学与研究工作。E-mail:tang_shibin@dlut.edu.cn E-mail:dzdlut@163.com
  • 作者简介:董卓,男,1988年生,博士研究生,主要从事岩石断裂力学理论与数值模拟研究工作。
  • 基金资助:
    国家重点研发计划资助项目(No. 2017YFC1503102);国家自然科学基金资助项目(No. 51874065)。

Oriented perforation hydraulic fracture propagation based on the maximum tangential strain criterion

DONG Zhuo1, 2, TANG Shi-bin1, 2   

  1. 1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 大连理工大学 岩石破裂与失稳研究所,辽宁 大连 116024
  • Received:2018-09-19 Online:2019-11-11 Published:2019-12-01
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Program (2017YFC1503102) and the National Natural Science Foundation of China (51874065).

摘要: 利用最大周向应变断裂准则,基于裂纹扩展增量法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果表明,上述裂缝扩展方法能有效模拟水力裂缝扩展过程。在此基础上利用该方法分析了定向射孔水力裂缝初始起裂水压、扩展路径和裂缝“偏转角”受射孔长度与倾角、地应力差、泊松比和注水压力的影响。通过预测裂缝初始起裂水压和扩展路径,可以优化选择合适的射孔参数。减小地应力差有助于降低裂缝起裂水压,同时可以使裂缝在扩展过程中沟通更大的有效储层。泊松比在临界荷载条件下对裂缝起裂特性产生显著影响,但是在高水压条件下对裂缝扩展路径无明显影响。敏感性分析表明,射孔倾角是影响压裂效果的关键性因素。对上述多因素的影响分析可以为定向射孔水力压裂设计与施工提供重要的参考依据。

关键词: 断裂力学, 最大周向应变准则, 定向射孔, 扩展路径, 泊松比

Abstract: The maximum tangential strain criterion is selected to determine the fracture initiation and propagation, and the incremental crack growth method is proposed to simulate the hydraulic fracturing propagation process. Numerical results show that the proposed method can effectively simulate the path of fracture propagation during hydraulic fracturing. By using the proposed crack growth method, we discussed the effects of the perforation length, the perforation angle, the stress anisotropy coefficient, Poisson’s ratio and the water injection pressure on the initial critical water pressure, the fracture path and the deflection angle. According to the initial critical water pressure and the fracture propagation path, the suitable perforation geometry can be optimized. It leads to a decrease in the initial critical water pressure but an increase in the contact area with the formation by decreasing the stress anisotropy coefficient. Poisson’s ratio has significant influence on fracture path under the critical water pressure conditions but does not have an effect on the fracture initiation angle under high water injection pressure. The sensitivity analysis indicates that the perforation angle is a critical factor to affect the fracturing. The numerical model provides a comprehensive understanding of the characteristics of hydraulic fracturing under complex loading conditions. The results also provide a basis for quantitative investigations of the engineering design of hydraulic fracturing treatments.

Key words: fracture mechanics, the maximum tangential strain criterion, oriented perforation, fracture path, Poisson’s ratio

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