研究不足与热门研究点综述

精品以下内容来自 水力压裂水平裂缝扩展的数值模拟研究彪仿俊 博士毕业论文水力压裂中有争论需要进一步研究的问题（1）如何提出一种在数值上有效在物理上真实的方法，能够处理不同介质层界面的脱离和流体在层界面上的侵入，并伴随有在浅井中的裂缝高度受限的现象，这一领域的研究目前进展还非常有限；（2）如何合理的调整现有模拟方法（线弹性）使其可以在天然微裂缝发达的煤层矿床中使用（用于开采甲烷气体，如煤层气）；（3）如何合理的调整现有的模拟方法（线弹性）使其可以处理水力裂缝在非致密的岩层和松散的软岩层中使用；（4）实验和现场的观测都证明了 III 型裂缝的存在，对此类裂缝的处理目前还没有有效的方法；（5）与第三条相关，在裂缝尖端之前的侵入区仍然需要进一步的研究，在数值模型上对流体滞后和侵入区进行合理有效的描述；（6）含有天然裂缝的储层，往往导致其中的水力裂缝的几何形状非常复杂（非平面的），需要发展能够描述这一现象的合理模型；（7）如何有效的模拟三维或非平面裂缝，例如裂缝转向问题（当裂缝起裂并不是沿着垂直于最小主应力的方向时，它将试图发生自我转向），这一现象可能导致近井筒的扭曲甚至湮灭，这通常可能是决定水力压裂处理是否成功的关键因素。热点研究问题（1）全三维水力压裂程序的开发 在温度比较高的储层进行水力压裂作业时，需要将地面温度的压裂液注入到较高温度的地层中。在温度作用下，储层内形成一个由温度场、渗透场和应力场组成的耦合场。受此影响储层岩体的强度和渗透性以及缝内压裂液的流变性质将随之改变，从而影响到裂缝的几何尺寸大小。因此，研究温度作用下的全三维水力压裂流固耦合方法，并建立相应的裂缝扩展模拟模型，对于高温油藏的水力压裂具有非常重要的指导作用，在学术上也具有重要价值。（2）裂缝网络 目前水力压裂技术的一个重要趋势是结合临时封堵技术一次压裂多条裂缝，形成一个裂缝网络系统，这样可以大大的提高压裂作业的效率，但是相应的模拟方法仍然没有建立起来，这将是今后研究的一个重要方向；（3）人工与天然裂缝的沟通 自然地层中岩石是含有很多天然裂缝的，压裂的效果在一定程度上受到人工裂缝与天然裂缝系统的沟通的影响，尤其在碳酸岩、煤岩这一类多天然孔隙的岩石中，如何从数学和物理上对天然裂缝网络进行描述，并在压裂过程的计算中考虑天然裂缝与人工裂缝的沟通是一个重要的研究方向；（4）岩层界面行为 水力压裂裂缝在层状岩石中扩展时，不可避免的将会发生穿越岩层界面的情况，对于这一物理现象的认识目前还很缺乏，需要从物理和数值两个方面对这一问题的本质进行研究，并加入到目前的水力压裂模拟技术当中；（5）水力裂缝的随机扩展 自然的地层具有很强的非均匀性，水力裂缝的也不可能是一条平面的裂缝，裂缝形态具有很强的随机性，XFEM 扩展有限元技术可能是解决这一问题的有效途径之一，当然必须首先要解决的是如何对天然地层的非均匀性进行精确的描述，这样对水力裂缝随机扩展的研究才有意义。目前商业软件 ABAQUS 中已经加入了 XFEM，但是不支持带孔隙压力自由度的实体单元，对裂缝转向角度有所限制，且对裂缝相交的问题还不能处理，这些都是后续可以进行完善的工作方向。（6）重复压裂及裂缝转向问题重复压裂及裂缝转向是水力压裂中的一个重要技术，但是目前的模拟软件对这一问题还是无能为力，对这一问题进行物理和数值研究有着重要的实际工程和学术价值。 以下内容来自水平井压裂裂缝起裂和延伸规律研究_王继波 硕士毕业论文水力压裂具有惯性和速度、破坏和流动、流体和固体等的耦合特征。因此，水力压裂研究是一项交叉性很强的多学科交叉的复杂应用研究课题。目前水力压裂裂缝起裂和裂缝延伸规律的研究，大都是基于岩石的抗拉强度、断裂力学破坏准则或者Mohr-Coufomb准则，且都假设产生双翼对称裂缝。但现场实践表明，一成不变直接运用基于岩石断裂力学的强度理论难以对水力压裂中的很多问题进行合理的解释和准确恰当地模拟。考虑到传统水力压裂理论和方法所存在的不足，近年来，国内外学者在以下方面做了创新性的研究工作：1、 从微观力学的更高层次上研究了不同围压作用下非均质性地层水力压力裂缝的起裂、扩展过程中渗流演化规律及其渗流应力藕合机制和渗流损伤祸合机制，揭示水力压裂多裂缝起裂、延伸和分支机理。2、 从裂缝的微观形态出发，利用分形几何这一新理论来对压裂裂缝面延伸扩展进行定量描述，深刻了解水力压裂过程中的裂缝破裂延伸机理。3、 用处于理论前沿的各向异性损伤理论分析和研究水力压裂，具有传统压裂理论无法比拟的优势。4、 将体位错理论引入到水力压裂模拟计算过程中，通过体位错理论祸合孔隙弹性效应。因此，结合室内实验成果，利用分形理论，引入体位错理论，结合损伤力学和断裂力学理论。将渗流应力损伤藕合模型融入现有的水力压裂分析理论和模型，建立能够真实描述水力压裂裂缝起裂和延伸的模型，研制开发新一代水力压裂优化设计软件，是当前水力压裂理论研究的发展趋势。以下内容来自演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究_刘传义 硕士毕业论文 我国虽然先后在阳泉一矿、白沙红卫矿、抚顺北龙凤和焦作中马矿进行了压裂实验，取得了一些效果，但是由于加压设备能力有限，泵压低，流量小，无法满足压裂后裂缝重新闭合等难题，且水力压裂的理论方面的进展不大。 （1）在压裂过程中起裂缝的渗透机理、煤层起裂位置、起裂方向、压裂孔的封闭性等缺少系统深入的研究，这些问题的解决有助于减少压裂成本和提高压裂效率。 （2）水力压裂后容易形成应力集中，如何控制水力压裂煤体的裂隙延伸方向、消除应力集中，均匀卸压尚没有一个较好的办法。 （3）目前，对于高压钻孔注水压力高，钻孔的封孔质量就有了更高的要求，对于钻孔的高压密封设备和材料也提出了更高的要求。 （4）近年来，水力压裂在不少煤矿进行了压裂实验，但是对于顶板抽采巷的压裂涉及较少，而且演马矿二1煤层瓦斯压力大，透气性低，煤层中有水，现场情况复杂，在应用过程还需根据实际情况设计合理的压裂作业参数。以下内容来自低渗透煤岩体水力压裂裂隙扩展演化及其增透机理研究_田俊斌 硕士论文 国内外许多专家针对该问题进行了不同层面的研究，但利用水力压裂增透技术提高煤层渗透率、改善压裂效果的系统研究还比较缺少。在前人研宄的基础上，釆用相似模拟试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方法对低渗透煤岩体水力压裂裂隙扩展演化及增透技术进行系统研究，并对影响压裂增透效果的因素进行对比分析，为现场施工提供理论指导。 目前，国内有关全三维模型的理论成果和系统开发还比较缺乏，尤其是针对层状非均质地层的三维模型，迄今为止都没有相对成熟的理论成果。所以，煤岩体水力压裂增透机理还有待进一步深入研究。以下内容来自煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究_袁志刚 博士论文 综上所述，由于水力压裂的复杂性以及煤岩体结构及物理力学性质的特殊性，已有的水力压裂数值模拟方法仍存在一定的缺陷，且煤岩体水力压裂裂缝起裂和扩展行为规律、水力压裂控制方法还没有得到系统充分的研究。因此，本文从煤岩体介质的非均匀性出发，建立煤岩体水力压裂的渗流损伤耦合数学模型，采用数值模拟的方式对煤岩体水力压裂裂缝起裂和扩展规律、水力压裂控制方法进行研究。 第二，学者们研究了有效应力、孔隙压力、吸附膨胀和基质收缩等对煤岩体渗透率的影响，且认为煤体瓦斯的运移产出都经历了解吸扩散渗流 3 个阶段，基于此构建了气-固耦合瓦斯流动模型。但近年来研究结果表明，由于煤体结构的不同及煤体的非均匀性，实际煤体中的瓦斯运移产出过程并不总是经历上述 3个阶段；同时，煤岩体水力压裂是以水压裂缝为主的煤体结构改造过程，并且渗入煤体中的水也会影响煤体瓦斯的吸附解吸特性，进而压裂影响范围内的煤体瓦斯运移流态。已有的研究考虑水力压裂对瓦斯的运移影响较少，且构建的瓦斯运移模型大部分并未考虑瓦斯运移流态的变化。基于此，本文研究煤岩体水力压裂对煤体瓦斯运移的影响，建立符合实际情况的煤岩体水力压裂与瓦斯抽采统一数学模型，研究煤岩体水力压裂后的瓦斯运移产出过程，以期为煤岩体水力压裂区域防治煤与瓦斯突出提供理论指导。 第三，目前对煤矿井下煤岩体水力压裂过程中的水压裂缝扩展特性研究不够，导致在水力压裂现场施工过程中易出现水力压裂施工参数(水压力、水流量等)选择不当的情况，致使煤岩体水力压裂效果无法得到保证。基于此，为避免煤矿井下煤岩体现场水力压裂的盲目性，有必要对低渗透煤岩体水力压裂单一裂缝扩展特性进行研究。 第四，煤岩体水力压裂增透抽采瓦斯后可进一步采取煤体静压注水湿润煤体抑制瓦斯解吸和软化煤岩体以消除瓦斯突出危险目的。但由于煤体自身注水难易程度的不同，有些煤体注水效果好，而有些煤体注水效果很差，还有些煤体很难将水注入。为避免煤岩体水力压裂后采取煤体注水措施的盲目性，提高其科学性，有必要对煤体注水的难易程度进行科学的评价和分类。第五，煤岩体的水力压裂效果不仅取决于煤体结构、煤体埋深、煤体瓦斯含量以及压裂钻孔所处的构造部位等主控地质因素，而且也与煤岩体压裂改造规模、钻孔排水情况及压裂施工参数等工程因素密切相关。由于影响水力压裂效果的地质因素和工程因素众多，该问题的研究难度大，目前的煤岩体水力压裂技术和工艺仍不完善。本文拟通过对煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究，并兼顾考虑煤矿井下施工条件和瓦斯抽采的制约等因素，进一步完善煤岩体水力压裂技术及工艺并应用于现场工程试验，研究煤岩体水力压裂裂缝裂缝扩展及对瓦斯运移的影响。以下内容来自深部高瓦斯低透煤层水压致裂强化增透技术与应用_张笑难 硕士论文 通过对水力压裂的研究现状和煤层增透技术的研究现状，水力压裂的机理研究结合水力压裂的现场实践方面的研究知。水力压裂在气田、油田中广泛应用，技术巳经相当成熟；水力压裂技术也能很好的运用到煤层中，可以增加煤层透气性、减小煤层瓦斯压力和降尘、使煤层瓦斯抽采量和抽采率增大、煤层渗透率显著提高的的一种技术手段，但是由于我国的矿井地质条件千变万化，必须因地制宜寻求一种适合复杂多变的水力压裂技术,在以往的压裂试验中也存在一些问题具体如下：1、水力压裂的时间和压裂水量的控制方面，煤层内的瓦斯开始涌出的时间不确定从而导致注水压力和瓦斯涌出的压力之间相互抵消，浪费压裂能且在一定时间范围内抑制煤体内的瓦斯涌出。2、对水力压裂后裂纹的延伸状态控制不了，而且高压水进行压裂的过程中有诱导突出的可能性。3、在煤质较软的煤层中进行水力压裂时，很难形成较大的裂纹，而且形成裂纹之后不能很好地保持，容易因水压消失之后在较短的时间内重新闭合。4、水力压裂的过程中可能形成应力集中区域，如何均勾卸压，较大范围的控制煤体内部的压裂水的流动，均勾增透尚未解决。以下内容来自水力压裂垂直裂缝形态及缝高控制数值模拟研究_王瀚 博士论文 水力压裂的研究，尚有一些问题不清楚，如岩石变形与流体流动的相互耦合，裂缝的三维形态演化以及裂缝的高度控制的机理等。对于垂直裂缝，缝高是一个极其重要的参数1，常用于评价压裂结果的好坏，是工程师非常关心的问题。国内外学者从不同角度对裂缝高度进行了研究，王祥等采用同位素示踪测井方法，推导了计算裂缝高度的公式2，早期的理论分析表明3，隔层和产层之间的地应力差是限制裂缝高度的最主要因素，地层弹性模量的影响是其次的；拟三维模型发展起来以后，也被用于研究裂缝的高度控制4；目前，用全三维模型模拟多参数耦合对缝高控制的影响的文献还不多见。用数值模拟方法对层状地层中的三维裂缝形貌以及垂直裂缝的缝高影响因素进行更深入的分析研究，对学术研究和工程实践都有很重要的意义。1.Smith,M.B.,Bale, A.B.,Britt, L.K., et al. Layered modulus effects on fracture propagation, proppant placement and fracture modeling R. SPE paper 71654,presented at the SPE Annual Technical Conferences and Exhibition, New Orleans, USA, 2001.2.王祥，郑玲，张街，等。压裂井裂缝高度定量计算方法J.断块油气田,2002,9(2):71-733.肖曾利，蒲春生，秦文龙，等.低渗油藏非线性渗流特征及其影响J.石油钻釆工艺，2007,29(3); 105-107.4.Gu, H., Siebrits, E. Effect of formation modulus contrast on hydraulic fracture height containment J. SPE Production & Operations, 2008，23(2): 170-176.本文用有限元法模拟了水力压裂的过程，考虑的因素包括岩石固体骨架变形、孔隙流体渗流流动、裂缝的起裂和延伸以及裂缝内的流体流动，用有效应力原理将变形和渗流耦合在一起，研究并分析了影响垂直裂缝缝高控制和三维裂缝形态的主要因素。仍有如下问题有待深入研究：(1)酸压裂数值模拟研究。本文模拟的压裂过程，全部都是通常所说的支撑压裂，还没有考虑酸压裂的问题。对于酸压裂，必须考虑酸液与岩石的化学反应，还有化学反应的热效应造成的温度改变，因为压裂液和地层流体的性质与温度有关，所以这是涉及变形、渗流、温度的三场耦合过程，比求解变形渗流两场耦合的问题要复杂的多，并且全三维的三场耦合分析，其计算更不容易收敛，相应的计算时间更长，对计算机硬件有更高的要求。(2)更加贴近实际的流体本构关系。本文模拟的渗流流动遵循达西定律，裂缝中的切向流动是牛顿流体流动，它们都是线性的。地层中的非线性流动也是很常见的，尤其对于油气水多相流动，其本构关系比线性流复杂的多。用牛顿流体表征压裂液也是一个近似,更准确的模型是幕律流体模型，今后可以研究非线性流动的水力压裂过程。(3)压裂液返排的模拟。工程中在压裂的后期，加入破胶剂降低压裂液粘性，将压裂液返排回地面，留下支撑剂在裂缝中，因此，最终的支撑裂缝尺寸一定小于停止注入压裂液时裂缝的动态尺寸。研究压裂液的返排过程以及预测最终的支撑裂缝的尺寸，对于工程中评价压裂效果，估算井的长期产能，有重要的意义。(4)裂缝转向问题。本文模拟的一个局限性，就是用cohesive单元模拟裂缝行为，裂缝方向是不变的，不能自动的判断裂纹下一步的延伸方向。如何根据裂缝尖端的应力场，判断裂缝应该沿哪个方向延伸，并且在裂缝起裂准则得到满足后，使裂缝沿着这个方向延伸，是一个难题。近年来被越来越多的使用的扩展有限元法(XFEM)可以实现裂缝的随机扩展，在处理单纯的应力变形问题方面取得了很多成果，但还没有被广