水力压裂裂缝三维扩展 ABAQUS 数值模拟研究

应用 ABAQUS 自带 Soil 模块对水力压裂流固耦合过程进行模拟，模型区域如图 4 所示。在 15 m高的目标储集层上下方存在泥岩遮挡层，模型整体高度为 35 m，长宽均为 400 m，Cohesive 单元预设裂缝扩展方向与最大水平主应力方向平行。考虑到裂缝模型与井筒的对称性，计算所取的有限元网格划分模型区域如图 5 所示。

编制相应用户子程序完善水力压裂模拟过程，其中 DISP 子程序定义研究区域边界条件；SIGINI和 UPOREP 子程序分别设定初始地应力场和渗流场；VOIDRI 子程序定义随地层深度而改变的岩石孔隙度，模拟过程中渗透率随着孔隙度的改变而改变；UFLUIDLEAKOFF 子程序定义裂缝面滤失系数。

其他参数取值：弹性模量 E 为 20 GPa，泊松比泥岩层 3 个方向临界应力均为 10 MPa，储层 3 个方向临界应力均为 6 MPa，临界能量释放率为 26 N/mm，均为 28 N/mm，材料常数为 2.25，压裂液流体黏度 1×10^-3 Pa·s，前置排量 0.04 m³/s，破胶前压裂液滤失系数5.879×10-4 m/min^0.5，前置液泵入时间 20 min。

图 6 为泵入前置液 8 min 时裂缝形态几何图，从图 6 中可以看出，压裂前期由于储层、上下部泥岩应力差的作用，裂缝首先在地层阻力较小的储层中扩展，然后突破上部泥岩，而下部泥岩因地应力较高，裂缝扩展阻力较大，裂缝突破后只是小范围延伸，使得裂缝在上下部泥岩扩展形态不均匀，而这种裂缝形态显然不利于缝高的控制及压裂效果的改善。

图7为泵入前置液第20 min时裂缝形态几何图，从图 7 中可以看出，随着压裂的深入，压裂液逐渐突破下部泥岩，但由于较大的地应力影响，裂缝整体趋势还是在储层及其上部泥岩处扩展。从图 7 中还可以看出，压裂液流体压力沿着裂缝方向变化不大，因此在现场施工中经常可以认为裂缝内压裂液压力等于井底泵入压力。但在垂直裂缝面方向，由于流体滤失作用，存在较大的压力梯度，并且由于渗透率差异，压裂流体对于储层孔隙压力的影响要远大于对泥岩层孔隙压力的影响。

从图 8 可以看出，产生的水力压裂裂缝尖端存在应力集中现象，岩石应力达到 10 MPa，当其与其他两个方向应力达到二次应力失效准则时，裂缝起裂。从图 8 中还可以看出，垂直于裂缝面的岩石有效应力，受岩石边形挤压与孔隙压力梯度的双重影响，在裂缝边缘区域由于孔隙渗透压力的抵消作用，岩石有效正应力减少，而在较远处孔隙压力作用减弱，裂缝扩展产生的岩石挤压使得有效正应力增大，当超出一定的裂缝周围区域时，水力压裂对地层的影响很小，岩石应力又回到初始地应力场状态。裂缝面正应力即为裂缝闭合应力，从以上分析可以看出，在水力压裂不同时刻、不同裂缝位置周围，裂缝闭合应力存在变化，并非定值。

图 9 为裂缝长度与宽度在不同时刻的相互对应关系，图 9 中的曲线反映了与前面立体图相似的结果，即随着压裂时间的延长，缝长与缝宽的关系从无规则变为沿着裂缝方向缝宽逐渐变小，直到在裂缝尖端变为 0，而在 20 min 前置压裂液泵入过程中，裂缝在 10 min 左右已在纵向延伸完毕，剩余的大约 10 min 时间只是横向扩展，即增加了裂缝宽度，所以压裂过程其实也是裂缝长度与裂缝宽度不断调节、不断适应的过程，而影响这一过程主要参数就是泵入的压裂液排量。

应用 ABAQUS 有限元软件对建立的水力压裂流固耦合模型求解，模拟了水力压裂过程三维裂缝几何形态及其周围应力场、渗流场的变化趋势，该模拟结果可用于分析不同地层参数及施工条件对形成的水力压裂裂缝的影响，能直观地给出缝长、缝宽及缝高动态效果及相互关系，对于指导压裂施工设计具有重要意义。