工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1523-1533   (4961 KB)    
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  • 收稿日期:2018-10-18
  • 收到修改稿日期:2018-12-03
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    郭静芸
    王宇

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    郭静芸, 王宇. 2018. 水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸的机理研究[J]. 工程地质学报, 26(6): 1523-1533. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-339.
    GUO Jingyun, WANG Yu. 2018. Mechanism of natural fracture reactivation and propagation by hydraulic fracture[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1523-1533. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-339.

    水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸的机理研究
    郭静芸, 王宇    
    ① 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029;
    ② 北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083
    摘要:页岩储层中天然节理、裂缝极为发育,水力压裂产生的水力裂缝可激活天然裂缝,形成复杂的弥散性裂缝缝网,起到增渗、增产的效果;另外,天然裂缝也是页岩气储存的介质,一部分气体以游离态的形式存在于天然裂缝当中。采用数值计算方法研究水力裂缝与天然裂缝的相互作用机理,重点探讨水力裂缝沟通天然裂缝活化延伸形成缝网的机制。计算模型包括单一天然裂缝和3条天然裂缝两种情况,计算变量考虑天然裂缝与水力裂缝的逼近角、主应力差和地层的弹性参数。研究表明:(1)随着逼近角的不同,地层的破裂应力存在一定的差异,逼近角为90°时,地层破裂所需要的临界水压最大,且地层的破裂应力随着主应力差的增大而减小;(2)无论是单一或3条天然裂缝,水力裂缝沟通天然裂缝活化后,分支裂缝的延伸方向基本恢复至与最大水平主应力平行的方向,当逼近角为90°时,裂缝的滑移量最大,激活效果最佳;(3)逼近角为90°时,天然裂缝尖端处容易出现水力裂缝双转向现象,更有利于形成复杂的裂缝网络,并且此时单元破裂数量最大,压裂效果最好;(4)随地层弹性模量的增大或泊松比的减小,激活天然裂缝的临界水压减小,说明储层的弹性属性会影响缝网的形成,在高弹性模量、低泊松比的脆性地层中射孔时会收到较理想的压裂效果。
    关键词水力裂缝(HF)    天然裂缝(NF)    缝网活化    数值模拟    页岩储层    
    MECHANISM OF NATURAL FRACTURE REACTIVATION AND PROPAGATION BY HYDRAULIC FRACTURE
    GUO Jingyun, WANG Yu    
    ① Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ② School of Resources and Civil Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083
    Abstract: Natural fracture in shale formation is very developed. During fracking treatment, the natural fractures can be reactivated to form a complex network. In addition, the natural fracture is the medium for gas storage. Lots of gas exists in natural fractures in the form of free gas. Numerical simulation was used to study the interaction between hydraulic fracture(HF) and natural fracture(NF). The paper mainly focused on the reactivation and extension of NF caused by HF. The model includes three and single NF, respectively, and simulation variables corresponding to different angles of approach, differential stress and elastic parameters of formation. Results show that:(1)Formation breakdown stress is changing with corresponding angles of approach. When angle of approach is 90°, the water pressure for formation breakdown is the largest, and formation breakdown stress increase with increasing of differential stress. (2)Whether single or three natural fracture, after reinstating of natural fractures, the extension direction of branch fracture resume to the maximum horizontal principal stress. When angle of approach is 90°, the reactivated effect is best. (3)The branching HF presented double shift at tip of NF when angle of approach is 90°. It is helpful to form fracture network and large number of element burst in the model. The fracking effect is the best. (4)The critical water pressure for the reactivation of NF decrease with increasing of elastic modulus and deceasing of Poisson's ratio. The elastic properties of gas formation has a great influence on the formation of a fracture network. The fracking effect is good in formation with high elastic modulus and low Poisson's ratio.
    Key words: Hydraulic fracture(HF)    Natural fracture(NF)    Network reinitiating    Numerical simulation    Shale formation    

    0 引言

    由于页岩储层埋藏深、地质构造复杂、高地应力和热相特征复杂, 天然裂缝极为发育, 储层产气效率取决于所激发的天然裂缝的缝网程度(Curtis, 2002; King, 2010; Bai et al., 2013)。闭合天然裂缝的活化和产能效率的提高可通过可压裂区范围的不断扩大来实现。对Barnett页岩储层研究已发现, 最大水平主应力的方向控制着水力裂缝的发展, 天然裂缝网络系统的几何形态控制着有效水力裂缝的形成和压裂方案的设计。随着页岩气开采规模的增大, 页岩区块中的天然裂缝的研究涉及到的两个单独的科学问题必须弄清楚。首先, 天然节理、裂缝的存在对增渗和提高产能有利吗?其次, 天然节理、裂缝是促进还是阻止水力裂缝的压裂?对于第一个问题的回答, 我们认为:即使储层发育大量天然裂缝, 但产能较低, 因为大多数的裂缝是闭合的, 虽然一些大的张裂缝在局部地区可能增加渗透性。据Montgomery et al. (2005)的研究, 天然裂缝的存在可能对储层增产不会产生太大的影响, 甚至会降低天然气的产量, 然而, 通过对Fort Worth盆地的页岩区块进行详细研究可知, 天然裂缝的存在影响产能的原因在于在一些局部地区发育的Viola-Simpson碳酸盐层, 在页岩盖层外有含水层和岩溶的存在, 天然裂缝和他们相连通, 这不但使水平井变得更加复杂, 除此之外, 大的断层充当了导水管道, 因直接与含水层相连, 极不利于压裂和完井。对于第二个问题, 在Fort Worth盆地的其他页岩区块, 天然节理裂缝的存在对增产还是有利的。Fisher et al. (2004)Warpinski et al. (2005)提供了越来越多的关于水力裂缝扩展的微震监测的相关证据, 天然节理裂缝被活化从而提高了储层产能。Warpinski et al. (2005)研究指出, Fort Worth盆地Barnett页岩的完井方法表明水平井钻进时宜采用低支撑剂、高流速、清水压裂液。钻井方向一般与预期的水力裂缝方向垂直(垂直于最大水平主应力方向), 从而达到最大体积压裂的目的。压裂过程中, 天然节理裂缝将被活化, 进一步加大了压裂的体积。因此, 天然裂缝系统发育特征是水力压裂施工设计的最关键因素, 只有在施工设计时, 水力裂缝去激活储层中已存在的天然裂缝, 沟通形成裂缝网络, 才能真正达到增产的目的。水力裂缝沟通天然裂缝的机制的研究意义重大, 主要体现在:①水力裂缝沟通天然裂缝, 形成复杂的弥散性裂缝网, 增渗提高产气量; ②天然裂缝是页岩气储集的介质。据Fort Worth Basin页岩气井数据分析, 约55%的游离气的产出归功于裂缝活化引起的气体释放(Montgomery et al. (2005))。由于页岩气储层的地质、力学特性与常规的油气储层区别较大, 对其压裂造缝机理及压裂影响的因素尚未完全认识清楚, 导致压裂设计、施工缺少定量的科学依据。

    天然裂缝的存在会影响水力裂缝的延伸行为, 有关HF与NF相互作用的机制, 归纳起来主要表现为捕获、穿过和偏移3种行为(Jeffrey et al., 2013)(图 1)。国内外学者对HF(水力裂缝)与NF(天然裂缝)的作用行为通过数值模拟和试验进行了相关的研究, 取得了许多可喜的成果。Blanton(1982)认为, NF与HF之间的逼近角和主应力差是影响HF扩展的主要因素。Warpinski et al. (1987)认为, HF与NF相互作用时, NF容易发生剪切破坏而被激活。Renshaw et al. (1995)认为, HF垂直于非连续体扩展时, 流体首先会沿着界面渗透; 在界面上渗透一定距离后, HF会突破界面沿着原来的方向扩展, 但是笔者认为这种情况与压裂液的漏失和界面材料的性质有关。Beugelsdijk et al. (2000)的研究表明, 除了主应力差的影响之外, 在构造应力场下, HF更容易与NF发生作用。Daneshy(1974)认为, HF沿着受阻最小的方向延伸, 而不是沿着整条路径, 这样易导致分支裂纹的出现。Blanton(1986)研究表明, HF遇到NF时, HF会穿过NF延伸; 在某种情况下, HF可能沿着NF延伸, 当延伸一定距离后, HF分支转向, 朝着有利于HF扩展的方向发展。试验结果证实, 在高应力差和高逼近角的情况下, HF易于穿过已存在的NF; 低应力差和逼近角较小的情况下, NF被HF激活并转移部分孔隙水压力, 从而阻止了HF进一步穿过NF。当由于NF附近的应力场发生改变时, HF在接近NF或HF向NF的尖端延伸时, HF将在NF的端部延伸, 但是延伸宽度要明显小于初始宽度。Rahman et al. (2009)通过耦合有限元法研究了多孔弹性模型孔隙水压力变化和逼近角两种情况下HF与NF的作用机制, 研究发现:低逼近角时, 应力差较小的情况下, 水力裂缝容易被捕获, 然后天然裂缝打开, 转移掉部分压裂流体, 阻止了水力裂缝进一步扩展。中等逼近角时, 天然裂缝被打开、水力裂缝的穿过取决于应力差。低应力差, 仅天然裂缝打开; 高应力差, 水力裂缝穿过天然裂缝扩展。高逼近角时, 不管应力差的大小, 水力裂缝总会穿过天然裂缝。他认为孔隙水压力的改变对HF和NF相互作用的关系并没有直接影响, 它只是加速了水力裂缝穿过天然裂缝时的再次转向应力, 天然裂缝中的水应力分布受到孔隙水压力的影响。然而, Rahman之所以能得出这样的结论, 原因在于计算模型没有涉及到天然裂缝的力学特性, HF穿过或被NF捕获是假定数值模型中NF摩擦系数恒定的情况下进行的。其实, 天然裂缝的力学强度对HF的延伸行为影响很大。Sarmadivaleh(2012)通过PFC2D数值计算认为, 低逼近角和低应力差的情况下, HF易于被NF所捕获, 并且存在一个逼近角阈值, 无论NF的摩擦系数多大, HF都能被NF所捕获。周健等(2008)综合采用理论分析、实验验证和算例分析对裂缝性储层水力压裂过程中天然裂缝张开和剪切破坏机制进行了详细的探讨。同时, 他们采用大尺度真三轴试验系统进行了HF扩展机理的探讨, 对HF与NF干扰后HF延伸的影响因素进行分析, 提出了天然裂缝的破坏准则(Zhou et al., 2008)。

    图 1 水力裂缝与天然裂缝可能的作用形式 Fig. 1 Schematic diagram of possible HF-NF interaction scenarios

    以上文献综合从试验和数值计算两方面对HF与NF相互作用的捕获或贯穿机制进行了探讨, 然而, 水力裂缝沟通天然裂缝后形成复杂的裂缝网络是现场压裂、提高气藏产量的根本目的所在。据前人的研究并结合笔者的认识, HF受NF捕获后形成转向分支裂缝, 裂缝相互沟通才是最理想的压裂效果。因此, 本文研究的重点并不在于探讨NF与HF相互作用的机制(本文的研究也得出了与Rahman等的相似结论), 而是探讨HF沟通NF活化延伸的规律。HF沟通NF活化延伸可能用到的方法有物理模型试验法、岩石断裂动力学和数值计算方法, 本文从数值模拟这一角度对所研究的问题展开探讨。

    1 HF沟通NF缝网形成机理

    页岩储层中发育着极为复杂的天然裂缝(节理、断层、层面等), 这些裂缝一般呈闭合状态, 被胶结物所充填。复杂的水力裂缝几何形态可以提高页岩水力压裂的效果, 达到增渗增产的目的。竖井中多段式裂纹扩展已经在竖井岩芯中得到证实, Barnett页岩压裂的微地震数据已经表明水力裂缝沟通天然裂缝后, 两者的相互作用造成水力裂缝发生了复杂的转向扩展。水力裂缝和已发育的天然裂缝相互作用的力学性质是解释为什么一些储层展现复杂裂纹扩展行为的根源。HF与NF两者的相互作用受逼近角、应力差及压裂液类型及储层物理力学特性的影响。如果水力裂缝与天然裂缝的方向平行, 两者不可能发生作用, 只是在闭合的雁列排列裂缝的重叠部分, 在剪应力的改变区域及天然裂缝尖端可能会被进一步激活; 如果天然裂缝与水力裂缝相垂直, 水力裂缝会穿过大部分的天然裂缝, 在储层中扩展形成复杂的裂纹网络。Barnett页岩缝网活化研究表明, 复杂的多段式水力裂缝在天然裂缝尖端发生转向, 扩展方向恢复与最大水平主应力平行。

    Gale et al. (2007)对Barnett页岩HF和NF相互作用关系的研究, 水力裂缝在井筒附近沿最大水平地应力SHmax方向延伸, 在遇到天然裂缝后形成左右两个一级分支裂缝, 分支裂缝扩展到天然裂缝的端部时会发生转向, 恢复与最大应力方向平行, 再继续向前扩展; 当再次遇到天然裂缝后会形成两个二级分支裂缝(图 2)。以此类推, 水力裂缝与天然裂缝相互交错沟通, 最终会形成高密度的网状裂缝系统。天然闭合裂缝能够被激活是因为HF延伸过程中改变了NF剪应力场分布, 使得裂缝面上的剪应力得以释放而使得裂缝面发生滑移。若压裂液排量比较小(或者井眼内泵入的水压较小), HF沟通NF后, 压裂液体转入NF中, 消耗掉部分能量, 不足以提供HF发生转向滑移所需要的压力; 随着压裂液的持续增压才有可能造成裂缝在两侧发生转向, 而只有裂缝两侧双转向时才有可能形成复杂的缝网形态。受压裂液的类型、主应力差和逼近角等因素的影响, 沟通天然裂缝活化后, 水力裂缝转向与以上因素关系的探讨是形成复杂缝网的关键。赵海峰等(2012)借助断裂动力学的方法对这一过程进行了探讨。

    图 2 页岩缝网形成机制与微震监测结果(Barnett页岩为例(据Gale et al., 2007修改)) Fig. 2 Diagrammatic representation of hydraulic fracture growth in Barnett shale and microseismic data from Gale et al., 2007

    2 数值模型与试验方案的确定

    岩石是一种由不同矿物组成的非均质材料, 包含许多天然裂缝, 在水压力作用下, 这些裂缝很容易导致裂缝的增生, 进而改变岩石的结构特性和岩石中液体的流动性。一些学者通过试验已经认识到:岩石材料的破坏和渗流是一个与细观损伤演化和宏观裂纹产生密切相关的过程, 建立细观数值模型更能够深入地解释水力压裂过程的破裂与渗流相互耦合的性质。本文的计算采用RFPA2D-Flow系统进行分析, 程序的可靠性已经得到了验证(李连崇等, 2004; 郭保华, 2010; Li et al., 2012), 它综合考虑了岩石破裂过程中的渗流-应力-损伤特性, 软件开发基于Biot固结理论和Terzaghi有效应力原理, 可以对渗透和不均质岩石的水力破裂过程中裂纹的萌生、延伸、崩溃的过程进行分析。在每一步加载过程中, 对于一个已知的水力压力, 通过有限元技术求解应力分布, 并用强度准则对单元的剪应力或拉应力进行损伤判断, 损伤的单元仍然具有残余强度, 它的弹性模量会损伤弱化, 渗透率则会突跳增加, 水力压力就可以传递给损伤单元四周的非损伤单元。然后重新进行应力的求解计算, 导致压力的再重新分配, 直到一个新的应力平衡。由于在远离裂缝端部高压力集中区的地方可能存在低强度单元, 所以可能在破裂区域的临近部位出现微裂缝, 而且存在水压力作用, 这对非均质材料完全是可能的, 这些与主贯通裂纹隔离的裂纹的扩展要影响贯通破裂的路径(冷雪峰等, 2002)。

    设计如图 3所示的二维平面应变模型, 模型的几何尺寸为400 mm×400 mm, 划分的单元数为200×200=40 000个。模型中部设置压裂井眼, 井眼直径为20 mm, 在两侧中部预留长度为3 mm的引导裂纹用来模拟水平井射孔。一级天然裂缝的中点距离井眼中心距离50 mm, 天然裂缝的长度为80 mm。θ为逼近角, σHσh分别为最大和最小水平主应力。设计两种计算方案, 一种是单一天然裂缝的情况, 逼近角分别为30°、60°、90°; 另一种是含有3条天然裂缝的情形, 一级天然裂缝长度为80 mm, 二级为40 mm, 一级天然裂缝和二级天然裂缝的平行间距为30 mm, 逼近角同样为30°、60°、90°, 如图 4所示。模型的四周为常水压边界(0 MPa), 在井眼内施加不断升高的水压力P, 每计算时步的水压增加量为50 kPa, 模型的输入参数参考Barnett页岩的宏观强度参数(Gale et al., 2008), 见表 1

    图 3 水力裂缝与天然裂缝相互作用的计算模型 Fig. 3 Model of HF interaction with NF

    图 4 水力裂缝沟通天然裂缝的数值计算方案 Fig. 4 Scenarios of hydraulic fracture interacting with natural fracture

    表 1 模型输入参数 Table 1 Input parameters of the model

    3 计算结果及分析
    3.1 裂缝渐进延伸过程描述

    采用上文的计算模型和参数, 模拟分析HF沟通NF活化扩展的渐进变化过程。HF延伸过程中主要分析的参数有:①地层破裂应力, 指井筒内水压不断升高, 使岩石发生破裂的临界压力; ②天然裂缝开启应力:在剪切应力作用下闭合的天然裂缝再次被激活所需要的水压, 分为一级裂缝开启应力和二级裂缝开启应力(一级天然裂缝指长度80 mm的裂缝, 二级天然裂缝指长度为40 mm的两条裂缝); ③裂缝转向应力, 指水力裂缝在天然裂缝尖端发生转向时所需要的压力。HF沟通NF渐进延伸的过程见表 2

    表 2 水力裂缝沟通天然裂缝渐进延伸过程描述 Table 2 Description of hydraulic fracture interacts with natural fracture

    以上模拟结果的围压条件为σH=20 MPa, σh=10 MPa。受天然裂缝和水力裂缝逼近角的影响, 地层的破裂应力、裂缝开启应力及分支裂纹的转向应力有所不同, 天然裂缝活化转向时, 尖端均有大量微裂缝出现。综合分析, 当逼近角较小为30°时, 由于计算时天然裂缝的力学参数较小, 在剪切应力的作用下最先发生激活, 接着地层出现破裂, 水力裂缝不断延伸沟通天然裂缝。低逼近角时, 地层发生破裂的水压较小。逼近角增大为60°, 地层破裂应力有所增加, 且无论是1条或是3条天然裂缝, 都是天然裂缝在剪应力作用下首先发生剪胀激活。逼近角为90°, 这时导致地层破裂的水压达到最大, 地层首先发生破坏, 而后导致天然裂缝的活化。

    对比分析两种情况下天然裂缝的分支转向行为, 逼近角为30°和60°时, 水力裂缝都是单转向, 只有当天然裂缝和水力裂缝夹角接近90°的情况下, 才会发生双转向, 也说明当两者间的夹角接近垂直时, 水力裂缝越容易发生转向。这也暗示了, 实际压裂施工操作中, 水平井沿最小水平主应力方向钻进时, 射孔方向与天然裂缝逼近角接近90°时, 此时最容易形成缝网结构, 压裂效果最好。Barnett页岩成功的经验也印证了这一点, Barnett页岩区块主导性天然裂缝的走向为W-NW方向, 裂缝倾角陡(75°), 狭窄的裂缝呈闭合状态, 尺度近乎服从幂函数分布, 最大水平主应力的方向为SW-NE方向, 沿着最大水平主应力方向射孔时, 水力裂缝与天然裂缝大角度相交, 近乎垂直。

    数值计算结果显示, 由于在远离裂缝端部高压力集中区的地方可能存在低强度单元, 所以可能在破裂区域的临近部位出现微裂缝, 而且存在水压力作用, 这对非均质材料完全是可能的, 这些与主贯通裂纹隔离的裂纹的扩展要影响贯通破裂的路径。由于岩石非均质性的存在, 水力裂缝的扩展形态并不是平直的, 这和室内物理模型试验的结果相似(Li et al., 2012)。当裂纹在天然裂缝尖端产生分支时, 产生增韧效应, 韧性的增加源于裂缝在延伸过程中会消耗掉外界强加给系统的裂缝驱动水压, 水压力较小时, 裂缝尖端能量不能降低, 向前扩展的动力减小, 而越来越粗, 从而也导致大量分支微裂缝的出现。

    3.2 主应力差对裂缝扩展的影响

    研究最大和最小水平应力差对裂缝扩展的影响, 为了便于说明, 只考虑模型中存在1条天然裂缝的情形(表 2)。

    计算过程中保持最大主应力σH=20 MPa不变, 不断变化σh。当σh分别取5 MPa, 10 MPa, 15 MPa时, 地层破裂应力与逼近角的关系见图 5。随着主应力差的增大, 地层破裂应力不断减小, 且此时裂纹的形态较为平直, 平行于最大主应力方向, 裂缝尖端处裂纹的分支情况不明显。主压力差较小时, 在静水压力条件下, 岩石中的晶体和缺陷的随机分布起主导作用, 模型中远离裂缝的地方破裂情况比较突出, 裂纹形态较曲折。

    图 5 地层破裂应力与逼近角的关系 Fig. 5 Relationship between formation breakdown pressure and approach angle

    图 6是不同逼近角情况下, NF开启应力与主应力差的关系。图中可以看出, 随着主应力差的增大, 一级天然裂缝被激活时所需要的水压力不断减小。当主应力差一定时, 逼近角为90°时, 开启天然裂缝所需要的水压达最大, 造成这一结果的原因主要是井眼附近孔隙水压力漏失区在30°, 60°的情况下影响剧烈; 另外, 主应力作用在裂缝面法向上的应力分量大, 从而受到的剪应力比较大, 所以更容易发生滑移破坏。

    图 6 天然裂缝的开启应力与主应力差的关系 Fig. 6 Relationship between NF reinitiating pressure and differential stress

    这一模拟结果也从另一个角度反映出井眼压力对裂缝相互作用的机制。假定在相同的井眼水压力(压裂液排量)时:逼近角较小, 应力差较小时水力裂缝容易被捕获, 导致天然裂缝活化, 漏失掉部分压裂液(水压), 阻止了水力裂缝的进一步扩展, 如果水力裂缝要继续延伸, 在天然裂缝尖端形成分支裂缝, 则要加大井眼中的水压力才能实现; 逼近角越大(接近90°时), 天然裂缝能否被激活、水力裂缝是否穿过天然裂缝, 取决于主应力差, 低应力差时, 仅天然裂缝被激活, 高应力差时, 水力裂缝则有可能穿过天然裂缝延伸。

    3.3 地层弹性特性对裂缝扩展的影响

    弹性模量和泊松比作为表征岩石受荷条件下抵抗变形能力的重要指标, 和岩石的强度及脆性具有强烈的相关性。本文尝试对它们在水力压裂过程中裂缝沟通形成缝网的影响进行探讨。一般来讲弹性模量越大, 泊松比越小, 沉积岩中弹性模型的非均性较高(何鹏等, 2011), Barnett页岩的弹性模量在30~60 GPa之间, 由于页岩中天然裂缝较发育, 弱面的存在实际上降低了均质岩块的弹性模量值, 也暗示出了计算模拟的时候, 数值模型的弹性模量并不是均匀分布的。本文采用RFPA-Flow程序, 不但考虑了岩石强度的非均匀性, 同时也考虑了弹性模量的非均匀性, 对于非均匀孔隙压力作用下裂缝的激活与延伸与实际情形更符。

    图 7是地层弹性模量与井眼水压力的关系曲线。随着地层弹性模量的增大, 激活裂缝所需要的临界水压力却降低了, 这也定量地解释了在页岩这种高弹性、高脆性的储层中射孔压裂时, 压裂效果要比低弹性、高韧性的地层中射孔压裂效果好。同时, 随着逼近角的增加, 激活裂缝所需要的水压也增大, 当逼近角为90°时达到最大值。图 8为泊松比对天然开启时井眼内水压力的影响, 当泊松比较小时, 在水压力较小时便可以使天然裂缝激活, 并且随着逼近角的增加, 激活天然裂缝所需要的水压也不断增大。实际上, 弹性模量较高的地层通常情况下泊松比较小, 所以弹性模量和泊松比对裂缝激活水压所产生的影响是一致的。

    图 7 弹性模量对裂缝活化的影响 Fig. 7 Influence of elasticity modulus on fracture reinitiating

    图 8 泊松比对裂缝活化的影响 Fig. 8 Influence of Poisson's ratio on fracture reinitiating

    3.4 讨论

    为什么天然裂缝可以被激活?天然裂缝的活化对增渗增产是否具有决定性的作用?以气藏产量大, 研究较多的Barnett页岩储层为例, 水力裂缝在遇到天然裂缝之前, 沿最大水平主应力方向扩展。在遇到天然裂缝后, 在天然裂缝尖端产生分支裂缝, 裂缝沟通形成复杂的网络系统。微震监测结果已经表明水力裂缝将活化天然节理裂缝, 使天然裂缝活化, 并形成复杂的裂缝网络(图 2)。Warpinskia et al. (1987)认为在很多储层中, 当水力裂缝遇到天然裂缝的时候, 可能会阻止水力裂缝的进一步传播, 但是在Barnett页岩中却并非如此。虽然观察到的Barnett页岩中的天然裂缝大部分呈闭合状态, 它们的张开度服从幂函数分布, 一些大的裂缝呈张开状态。同时, Barnett页岩具有高的亚临界裂纹指数, 表明页岩中的裂缝呈簇发育(Gale et al., 2008)。在Fort Worth盆地中, 至少同时发育两组天然裂缝, 一组形成较晚为N-S走向, 另一组是占主导地位且形成时代较新的裂缝, 走向NW-SE。裂缝中的胶结物没有发生成岩作用附着在基质上, 裂缝充当弱面, 比较容易被再次激活。分析表明Barnett页岩天然裂缝对水力裂缝的扩展并没有起到阻碍作用, 裂缝中的方解石充填物和页岩结构面壁的抗拉强度很低, 是因为裂缝中的方解石并没有出现连续的颗粒结晶化现象, 岩石基质和方解石胶结物不存在晶体胶结、黏结, 这和致密砂岩气藏的石英胶结物形成明显的对比(Gale et al., 2007)。Barnett页岩裂缝-母岩界面很弱, 因为裂缝中的充填物通常被基质所分割, 虽然充填物和母岩界面在取芯时会受到损伤, 认为地下岩石受到不断增大的水压作用时, 水力压裂将同样会引起类似的损伤。因此, 当天然裂缝遇到水力裂缝时, 流体在裂缝中流动时将它们激活, 形成与井眼相连接的裂缝网络。在这种情况下, 天然裂缝对于压裂增产是有利的。

    4 结论与建议

    页岩压裂过程中天然闭合裂缝的活化和产能效率的提高可通过增大体积压裂的规模来实现。压裂过程中, 天然裂缝不断活化, 导致大规模的分支裂缝的形成, 这是决定大规模裂缝网络形成的关键, 天然裂缝的几何形态控制着有效水压裂缝的形成和压裂方案的设计。本文通过数值计算方法探讨了水力裂缝沟通天然裂缝活化扩展的规律, 得出以下结论:

    (1) 页岩压裂只有在井压较大(排量大)的情况下才容易沟通天然裂缝形成复杂的裂缝网络。闭合的天然裂缝活化与逼近角、主应力差等因素有关。当逼近角较大(接近于90°时), 地层破裂和开启天然裂缝所需要的井压力较大, 但容易形成分开裂缝, 对于缝网的形成是有利的。逼近角越小, 天然裂缝活化需要的井压力越小, 但这时水力裂缝在天然裂缝的一端进行转向, 不利于形成缝网。

    (2) 水力裂缝在天然裂缝两端发生双转向有利于缝网的形成。计算结果表明, 无论是1条还是3条天然裂缝, 当逼近角接近90°时, 均能发生裂缝双转向分支。因此, 实际压裂作业, 应当查明天然裂缝的发育特征, 分析主导裂缝的走向, 尽可能沿与天然裂缝大角度相交的方向射孔, 这样水力裂缝更容易沟通天然裂缝形成网络结构。当然, 天然应力场的测量也很重要, 以优化压裂工作。

    (3) 天然裂缝的活化受应力场的影响较大, 通过对不同主应力差模型的数值计算, 发现随着主应力差的增大, 裂缝被激活时所需要的井眼水压不断减小。同时, 储层自身的弹性特性对于压裂的影响也较大, 随着弹性模量的增加, 激活天然裂缝所需要的水压力逐渐减小, 且泊松比越小, 天然裂缝活化需要的水压力越小。

    参考文献
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