页岩地层水力裂缝剪切滑移机理研究

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水力压裂技术是低渗、致密和非常规油气藏增产的一项重要措施。在压裂过程中,地层内除了形成水力裂缝之外,常含有诸如天然裂缝、节理、断层等不连续面,所有这些结构面的力学行为都会对最终的裂缝形态和压裂效果产生重要影响。过去由于岩体的抗张强度一般小于剪切强度,因此裂缝的张性破坏研究地比较充分,而剪切滑移行为并未引起重视。近年来,随着页岩油气的开发,人们逐渐认识到裂缝的剪切滑移对地层的导流能力提升有重要的影响,但目前开展的定量研究并不多。本文首先讨论了剪切裂缝形成的力学条件,描述了裂缝剪切滑移的物理过程,然后以二维平面裂缝为研究对象,分别引入复变函数理论与位移不连续方法,建立了Ⅰ-Ⅱ型水力压裂缝应力及位移场计算模型和天然裂缝的滑移量计算模型。最终,基于滑移量计算结果,定量分析了由剪切滑移引起的裂缝导流能力的变化。理论分析表明,剪切滑移常发生天然裂缝或节理中,滑移过程中的剪切膨胀现象对裂缝的导流能力提升有重要影响;滑移量大小受力学参数和地层性质等控制,与裂缝半长和剪切应力成正比,与杨氏模量及摩擦系数成反比;天然裂缝面的剪切滑移存在阈值压力,低于该压力时天然裂缝的存在对应力分布没有影响,应力超过阈值后裂缝面从中部开始滑移。实验研究表明,裂缝发生剪切滑移后,导流能力会发生数量级的增加,但导流能力与具体滑移量之间并无明显联系。研究结果对页岩地层缝网压裂剪切滑移机制研究及压裂优化设计具有一定的指导意义。
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