【文献评述】煤孔隙与裂缝发育、致密地层水力裂缝扩展与裂缝水平井瞬态压力行为的分形分析-Fuel、JPSE

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在本文中，使用配备加载装置的核磁共振（NMR）测试系统对煤进行实时 T2 和 MRI（磁共振成像）图像测量的三轴压缩测试。基于核磁共振和分形理论研究了应力条件下煤的孔隙和裂缝发育。结果表明，在煤的变形过程中，核磁共振信号强度的积累以及样品孔隙度先略有下降，然后缓慢增加，最后迅速增加。测得的T2分布表明应力损伤主要诱发中孔和大孔（或微裂缝）的产生。基于T2曲线的演化，提出了一种新的裂纹起始应力估计方法。使用这种方法，我们估计了测试煤样的起裂应力，分别为相应峰值强度的 34.6%、32.2% 和 30.1%。渗流孔分形维数分形特征明显，吸附孔分形特征不明显。总孔隙分形维数DT随应力的演变与孔隙度的变化趋势相似。但DS的分形维数与应力呈负相关。

图2 不同围压下煤样分形维数随应力的演变: (a) = 2 MPa; (b) = 4 MPa；(c) = 8 MPa

图3 应力损伤煤样分形维数与孔隙率的关系

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水力压裂是致密和页岩油藏开发的有效增产技术。由于水力裂缝的扩展形态与非常规地层的生产动态和估计的最终采收率密切相关，因此必须准确地描述储层尺度上的裂缝形态。在使用黏聚元法获得的裂缝扩展模拟的基础上，我们使用改进的箱数法估计了不同条件下水力裂缝的分形维数。我们分析了水力裂缝的扩展过程及其对天然裂缝的依赖性。为了获得准确的分形维数，我们利用盒弯曲法增加拟合数据点并分析不同因素的影响。合理选择自相似区间和图像分辨率在分形维数估计中起着重要作用。我们发现分形维数随着时间的推移而增加，天然裂缝的存在增加了分形维数。我们获得了不同裂缝参数与分形维数的相关性，以定量表征水力裂缝的扩展。分形维数主要取决于压裂液的注入速度，而射孔簇数和流体粘度对裂缝形态的影响可以忽略不计。该研究可用于表征水力压裂网络和致密储层的生产性能预测。

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在这项工作中，理论模型已经制定、验证并应用于评估致密地层中具有分形多级裂缝的水平井的瞬态压力行为。基于叠加原理，提出了一种耦合矩阵-裂缝流动模型。更具体地说，开发了板片源函数来描述从基质到裂缝的瞬态流体流动行为，同时推导出数值解来描述复杂裂缝网络中的流体流动行为。然后，应用半解析方法通过将水力压裂离散为小段来求解这种耦合模型。此外，生成类型曲线以检查分形裂缝网络的影响。已经对一些主要参数（例如，迭代次数、偏差角和分支数）进行了敏感性分析，以研究它们对瞬态压力响应的影响。研究发现，分形裂缝网络会极大地影响瞬态压力行为。压力导数曲线与传统双翼裂缝情况的偏差可以用来量化裂缝网络的复杂性和导流能力，而复杂裂缝网络的存在将大大提高中间时间的井效时期。

图1  (a) 通过数值模拟获得的分形裂缝模式；(b) 具有分形裂缝的致密砂岩 CT 图像；(c) 微地震事件（红点）和分形裂缝网络（蓝线）在 MSE 约束下生成；(d) 分形裂缝网络示意图