《水力压裂物理模拟理论与方法》围绕水力压裂室内试验的设计理论和试验方法，系统地阐述了水力压裂试验相似准则、人造试样和露头试样的制备方法、水力压裂裂缝起裂与延伸的直观检测技术和声发射、分布式光纤等间接监测技术；同时也介绍了射孔、井型、储层缝网形态的施工工艺参数试验优化方法，以及碳酸盐岩、致密砂岩、硬脆性火成岩、节理性煤岩等特殊地层水力压裂或酸化压裂等室内试验方法；《水力压裂物理模拟理论与方法》还为读者提供了大量的室内压裂物理模拟实验实例，为开展水力压裂室内物理模拟实验研究提供参考范例。

目录
序
前言
第1章 水力压裂物理模拟理论研究 1
1.1 相似准则 1
1.1.1 相似理论的基本内容 1
1.1.2 裂缝扩展控制方程及单值条件 2
1.1.3 相似准则的推导 3
1.2 地应力加载方式 7
1.2.1 三向地应力关系及影响因素 7
1.2.2 地应力状态与裂缝扩展方向的关系 8
1.2.3 地应力扰动对裂缝扩展的干扰机理分析 9
1.3 岩石破裂和断裂机制相似准则 11
1.3.1 裂缝扩展准则与断裂韧性 11
1.3.2 岩石断裂类型 14
1.3.3 多层组合断裂机制 15
1.3.4 微观断裂机制 16
1.4 水力压裂裂缝非平面扩展 17
1.4.1 非平面水力压裂裂缝理论 17
1.4.2 *次开展水力压裂实时监测试验 18
1.5 水力压裂裂缝与天然裂缝交互作用机制 20
1.5.1 水力压裂裂缝与天然裂缝交互作用的三种状态 20
1.5.2 裂缝剪切滑移作用 22
参考文献 23
第2章 水力压裂物理模拟监测方法 25
2.1 示踪剂监测方法 25
2.1.1 示踪剂监测方法在水力压裂试验中的应用 25
2.1.2 示踪剂监测试验示例分析 25
2.2 声发射三维定位监测方法 26
2.2.1 声发射三维定位监测系统 26
2.2.2 声发射三维定位监测及响应特征分析 27
2.3 CT无损检测方法 30
2.3.1 页岩微米CT扫描成像实验 30
2.3.2 页岩裂缝识别原理 31
2.3.3 页岩微米CT扫描实验示例分析 32
2.4 低温金属重构裂缝形态监测方法 33
2.4.1 低熔点合金 34
2.4.2 低温金属重构裂缝形态试验示例分析 35
2.4.3 低温金属重构裂缝形态试验总结及建议 37
2.5 高速摄像监测方法 38
2.6 光纤传感监测方法 39
2.6.1 光纤传感测试原理 40
2.6.2 分布式光纤监测系统(DTS、DAS) 40
2.6.3 光纤传感监测方法的应用示例分析 42
参考文献 45
第3章 不同射孔方式下近井筒裂缝起裂形态模拟试验 48
3.1 定面射孔模拟试验 48
3.1.1 定面射孔原理 48
3.1.2 定面射孔模拟试验井筒设计示例 48
3.1.3 定面射孔模拟试验试样制备 48
3.1.4 定面射孔压裂缝形态特征分析 49
3.2 定向射孔模拟试验 50
3.2.1 定向射孔原理 50
3.2.2 定向射孔模拟试验井筒设计示例 50
3.2.3 定向射孔压裂缝形态特征分析 51
3.3 螺旋射孔模拟试验 51
3.3.1 螺旋射孔原理 51
3.3.2 螺旋射孔模拟试验井筒设计示例 52
3.3.3 螺旋射孔模拟试验试样制备 52
3.3.4 螺旋射孔压裂缝形态特征分析 53
参考文献 54
第4章 裂缝性储层水力压裂裂缝起裂和延伸机理试验研究 55
4.1 水力压裂裂缝与平行多裂缝干扰物理模拟研究 55
4.1.1 平行多裂缝系统水力压裂试验方案设计 55
4.1.2 平行多裂缝地层水力压裂裂缝扩展机理 56
4.2 随机多裂缝储层水力压裂裂缝延伸机理物理模拟研究 60
4.2.1 随机天然裂缝系统的模拟及试验方案设计 60
4.2.2 随机多裂缝储层水力压裂裂缝扩展机理 61
参考文献 64
第5章 大斜度井水力压裂裂缝起裂及延伸规律物理模拟实验 65
5.1 大斜度井水力压裂物理模拟试样制备 65
5.2 均质砂岩层大斜度井水力压裂裂缝起裂和扩展规律 66
5.3 砂泥互层大斜度井水力压裂裂缝起裂和扩展规律 69
5.4 大斜度井水力压裂裂缝起裂和扩展规律 71
第6章 页岩物理模拟实验 72
6.1 页岩裂缝结构分析及描述方法 72
6.1.1 试验前页岩天然裂缝形态分析及描述 72
6.1.2 试验后页岩裂缝形态及结构描述 74
6.2 三维空间中水力压裂裂缝穿透天然裂缝的判别模型及准则 75
6.2.1 水力压裂裂缝穿透天然裂缝的判别模型 75
6.2.2 水力压裂裂缝穿透天然裂缝的判别准则 80
6.3 基于SRA的缝网扩展规模评价方法 83
6.4 模拟浅层应力条件时缝网压裂扩展形态 83
6.4.1 浅层页岩气储层特征简析及试验方案制定 83
6.4.2 浅层页岩气储层裂缝扩展规律 84
6.5 模拟深层应力条件时缝网压裂扩展形态 87
6.5.1 地应力状态及施工参数对深层页岩裂缝形态的影响 87
6.5.2 深层页岩气储层裂缝扩展规律 89
6.6 变排量压裂造缝机制 90
6.6.1 变排量压裂试验方案制定 90
6.6.2 变排量压裂*线特征及造缝机制分析 92
6.6.3 变排量压裂造缝规律 93
6.7 交替注液提高缝网压裂规模 94
6.7.1 交替注液压裂试验方法 94
6.7.2 交替注液造缝能力评价及裂缝形态分析 96
6.7.3 交替注液压裂缝扩展规律 102
6.8 页岩暂堵转向压裂试验 103
参考文献 108
第7章 页岩油储层水力压裂物理模拟实验 110
7.1 页岩油井下全直径页岩岩心包裹制备 110
7.1.1 盐间页岩油储层不同沉积特征下裂缝扩展规律 111
7.1.2 盐间页岩油井下岩心包裹试验方案设计 111
7.1.3 盐间页岩裂缝形态综合分析 112
7.1.4 盐间页岩水力压裂裂缝影响因素分析 115
7.2 长7页岩油多储层裂缝穿层扩展规律研究 115
7.2.1 长7页岩油多储层水力压裂模拟试验方案设计 115
7.2.2 长7页岩油多储层水力压裂试验参数 116
7.2.3 长7页岩油多储层水力压裂裂缝穿层扩展形态特征 116
7.2.4 长7页岩油多储层水力压裂试验压裂*线响应特征分析 121
7.2.5 长7页岩油多储层裂缝穿层扩展规律 121
参考文献 122
第8章 碳酸盐岩储层孔洞连通酸压物理模拟实验 123
8.1 缝洞型碳酸盐岩储层压裂试验研究 123
8.1.1 缝洞型碳酸盐岩储层酸压试验概括 123
8.1.2 缝洞型碳酸盐岩储层酸压具体试验方案 123
8.1.3 缝洞型碳酸盐岩储层酸压试验结果 124
8.2 基质型碳酸盐岩储层压裂试验研究 125
8.2.1 基质型碳酸盐岩储层酸压试验概括 125
8.2.2 基质型碳酸盐岩储层酸压具体试验方案 126
8.2.3 基质型碳酸盐岩储层酸压试验结果 126
8.2.4 碳酸盐岩储层孔洞连通酸压试验结果分析 133
8.2.5 酸压孔洞连通机制 135
8.3 碳酸盐岩疲劳酸压试验 136
8.3.1 疲劳酸压试验概括 136
8.3.2 碳酸盐岩疲劳酸压试验方案 136
8.3.3 碳酸盐岩疲劳酸压试验结果 137
8.3.4 碳酸盐岩疲劳酸压试验结果分析 140
参考文献 140
第9章 致密砂岩压裂物理模拟实验 141
9.1 致密砂岩压裂缝破裂特征 141
9.1.1 致密砂岩压裂试验基本思路及参数 141
9.1.2 致密砂岩压裂试验结果分析 141
9.1.3 东濮凹陷致密砂岩储层试验结果 142
9.2 水平井分簇压裂缝间干扰——应力扰动机理 144
9.2.1 缝间诱导应力干扰试验方法 145
9.2.2 密切割缝间应力干扰对裂缝形态的影响 146
9.2.3 密切割压裂缝间应力干扰机制 147
参考文献 148
第10章 硬脆性火成岩压裂物理模拟实验 150
10.1 玄武岩水力压裂试验 150
10.1.1 玄武岩水力压裂试验概述 150
10.1.2 玄武岩水力压裂试验方案 150
10.1.3 玄武岩水力压裂试验结果 151
10.1.4 玄武岩造缝能力分析 153
10.2 角砾熔岩水力压裂试验 155
10.2.1 角砾熔岩水力压裂试验概述 155
10.2.2 角砾熔岩水力压裂试验方案 155
10.2.3 角砾熔岩水力压裂试验结果 156
10.2.4 角砾熔岩试验结果分析 158
10.3 硬脆性火成岩压裂试验结果分析 158
参考文献 159
第11章 节理性煤岩压裂物理模拟实验 160
11.1 煤层直井压裂试验 160
11.1.1 煤层直井压裂试验方案 161
11.1.2 试验结果及分析 161
11.1.3 煤层直井压裂结论 162
11.2 煤层定向井压裂试验 163
11.2.1 节理性煤岩真三轴压裂试验方案 163
11.2.2 定向井煤岩压裂试验结果 164
11.2.3 定向井煤岩压裂影响因素分析 166
11.2.4 定向井煤岩压裂试验结论 169
11.3 含煤岩系产层组穿层压裂扩展试验 169
11.3.1 含煤岩系产层水力压裂试验方案 169
11.3.2 含煤系产层水力压裂试验结果 170
11.3.3 含煤系产层水力压裂试验影响因素综合分析 174
参考文献 177

第1章 水力压裂物理模拟理论研究
　　水力压裂作为油藏增产、开发的核心技术，一直是石油工程领域中重要的研究课题[1]。水力压裂物理模拟实验就是利用物理模型来间接地研究真实水力压裂时地层状态的方法，是学者研究裂缝扩展机理的重要途径，也是工程师优化施工参数的重要参考。随着非常规储层的工业开发和压裂工艺的进步，水力压裂物理模拟方法也不断精细化、定量化，促进了水力压裂物理模拟理论的进步。国内外学者通过构建物理模拟实验来研究水力压裂裂缝的扩展规律，取得大量关于水力压裂的认知。目前水力压裂物理模拟主要研究储层产状、储层非均质性、地应力状态、压裂液性能、压裂液泵注方案和完井方式等影响因素对水力压裂裂缝(HF)的起裂和扩展的影响[2，3]。本章将从相似准则、地应力加载方式、岩石破裂和断裂机制相似准则、水力压裂裂缝非平面扩展及水力压裂裂缝与天然裂缝(NF)交互作用机制五个方面对水力压裂物理模拟理论研究展开详细介绍。
　　1.1 相 似 准则
　　相似准则又叫“相似参数”“相似模数”“相似判据”等，是在判断两个现象之间相似性时使用的概念。模拟实验的设计是以相似理论为基础，当同一类物理现象的单值条件相似，并且对应的相似准则(由单值条件中的物理量组成)相等时，这些现象必定相似，这是判断两个物理现象是否相似的充分必要条件。
　　1.1.1 相似理论的基本内容
　　相似准则是把个别现象(模型)的研究结果推广到相似现象(原型)上的科学方法。模拟实验则是在模型与原型之间建立某种关系以满足相似性要求[4]。应用相似定理研究物理量的变化受制于主宰现象的各种客观规律，没有任意变化的自由；物理量的大小也是客观存在的，与所采用的测量单位的大小无关；进而表征各物理量变化客观规律的数学表达式也不应受测量单位制选择的影响。具体表述为：对于同类现象，如果单值条件相似，并且由单值条件量所组成的准则相等，则这些现象相似。所谓单值条件，是指将一个个别现象从同类现象中区分出，即将现象的通解(由分析表征该现象群的微分方程组得到)转变为特解的具体条件，而单值条件量是指单值条件中的物理量。单值条件一般不是*立存在的，包括几何条件(或称空间条件)、介质条件(或称物理条件)、边界条件和起始条件(或称时间条件)。单值条件式既可以是一般代数式，也可以是微分方程式。
　　1.1.2 裂缝扩展控制方程及单值条件
　　如果要在某项研究中应用相似理论的方程分析法，其前提条件是必须拥有描述现象的微分方程组及相关的单值条件。
　　这里引用的裂缝延伸控制方程来源于吉德利等提出的三维模型[5，6]，其基本假设与前提为：假设响应裂缝壁面上压力变化的地层为各向同性的线弹性体；考虑只对低渗透油气藏进行压裂，略去孔隙弹性效应；将压裂液缝内的流动状态理想化为不可压缩幂律流体的层流，压裂液被假定在基本平行的孔隙性壁面间流动；缝宽相对于缝高和缝长较小，因而忽略沿缝宽方向的液体速度梯度[7]；裂缝的扩展受线弹性断裂力学中断裂准则的控制。为方便相似理论的应用，另假设压裂液为牛顿流体。裂缝扩展时应满足以下假设条件。
　　(1)弹性平衡方程：
　　(1.1)
　　式中，为缝内液体压力，kPa；为压裂施工前裂缝壁面上的法向压应力，kPa；为裂缝壁面上的任意点的坐标；A为被积分的裂缝壁面区域；Ee为等效弹性模量，kPa；w为裂缝宽度，m；R为被积函数积分点与压力作用点之间的距离，m。
　　连续性方程：
　　(1.2)
　　式中，、分别为x、y方向单位长度上的体积流量，m3/s；KL为综合滤失系数；为孔隙压力，kPa；为裂缝单位面积上的体积注入速率(除井底附近与射孔段相邻的区域外均为零)，m/s；为裂缝壁面上某位置与压裂液接触的时间，s。
　　(2)压力梯度方程：
　　(1.3)
　　(1.4)
　　(3)裂缝扩展条件：
　　(1.5)
　　式中，wc为裂缝扩展所需的临界裂缝宽度，m；a为裂缝邻域的宽度，m；为Ⅰ型裂纹临界强度因子或者断裂韧性。当裂缝扩展宽度wa＜wc时，裂缝不扩展；当wa＞wc时，裂缝扩展。
　　(4)单值条件分析。
　　几何条件：模型的尺寸大小实际上限制了裂缝的极限尺寸。
　　介质条件：液体的单位体积力(重度)、黏度系数及岩石等效弹性模量(弹性模量与泊松比的组合)、Ⅰ型裂纹临界强度因子或者断裂韧性、滤失系数可列为此类单值条件。
　　边界条件：泵入流量可列为此类单值条件量，其中Q为
　　(1.6)
　　式中，h为模型高度。
　　起始条件：当经历时间T后裂缝抵达界面，有效的模拟过程旋即结束。即
　　(1.7)
　　式中，为x的*大值；L为模型长度，m。
　　1.1.3 相似准则的推导
　　有了三维模型所基于的理论方程及源自原型与模型的单值条件后，我们就可以利用相似理论来推导组建模型实验所需要的实验参数。*先要得出那些全由单值条件量组成的相似准则。
　　先把控制方程相对型化。在选择单值量作测量单位前，先采用抽象的测量单位作为过渡。这些抽象的测量单位分别是
　　(1.8)
　　利用这些测量单位构成如下恒等量：
　　 (1.9)
　　将以上这些恒等量代入式(1.1)～式(1.7)后整理得
　　(1.10)
　　(1.11)
　　(1.12)
　　(1.13)
　　(1.14)
　　(1.15)
　　(1.16)
　　因为控制方程的形式不应受测量单位制的影响，比较式(1.10)～式(1.16)与式(1.1)～式(1.7)的形式，得出如下9个约束条件：
　　(1.17)
　　采用的12个抽象测量单位受9个约束条件的限制，故只可自由选择其中的3个，现选l0、Ee0、Q0作为自由测量单位，并代之以单值条件量，即
　　(1.18)
　　将式(1.18)代入约束条件式(1.17)可得其他9个准则性测量单位[带上标(k)]：
　　(1.19)
　　在式(1.18)与式(1.19)组成的测量单位制下可将式(1.10)～式(1.16)写为无因次形式：
　　(1.20)
　　(1.21)
　　(1.22)
　　(1.23)
　　(1.24)
　　(1.25)
　　(1.26)
　　式(1.20)～式(1.26)中的无量纲量分别为
　　(1.27)
　　它们是通过采用测量单位集式(1.18)和式(1.19)，对式(1.1)至式(1.7)中各物理量测量后得到的无量纲量。式(1.20)至式(1.26)与式(1.1)至式(1.7)在数学结构上完全一致。不过，在针对一类相似现象时，式(1.20)至式(1.26)中的各个无量纲量应为定值。将全部单值条件代入无量纲量表达式(1.27)
　　(1.28)
　　式中，idem为同名准则数。
　　式(1.28)即全由单值条件量构成的相似准则。
　　由相似准则易得如式(1.29)所示的相似指标：
　　(1.29)