煤層壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為分析

張　鵬,吳百烈,韓延飛（.石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司,山東　東營(yíng)　57000;　.中海油研究總院,北京　0007）

煤層壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為分析

張鵬1,吳百烈2,韓延飛1
（1.石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司,山東東營(yíng)257000;2.中海油研究總院,北京100027）

基于實(shí)地挖掘觀察煤巖壓裂后裂縫形態(tài)特征，通過(guò)理論推導(dǎo)方式研究了煤巖壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為。分析了水力裂縫遭遇天然裂縫后的擴(kuò)展過(guò)程，采用巖石力學(xué)、線彈性斷裂力學(xué)理論，推導(dǎo)了水力裂縫遭遇天然裂縫擴(kuò)展行為判定判據(jù)，該準(zhǔn)則可用于煤層壓裂模型中，模擬水力裂縫擴(kuò)展，解釋煤層壓裂復(fù)雜裂縫形成原因。

煤層壓裂；水力裂縫；天然裂縫；裂縫形態(tài)；判據(jù)；復(fù)雜裂縫

研究煤層水力裂縫與天然裂縫相互作用行為，是正確表征壓后裂縫形態(tài)的重要基礎(chǔ)，對(duì)提高煤層壓裂設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性具有重要作用。本文首先分析水力裂縫遭遇到天然裂縫后的擴(kuò)展過(guò)程，隨后基于巖石力學(xué)、線彈性巖石斷裂力學(xué)理論，推導(dǎo)了不同擴(kuò)展行為判別準(zhǔn)則，研究了水力裂縫對(duì)天然裂縫存在狀態(tài)影響。研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)煤層壓裂復(fù)雜裂縫形成機(jī)理具有一定作用。

1　水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程

在水力裂縫與天然裂縫遭遇之前，當(dāng)兩者相距較遠(yuǎn)時(shí)，天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響很小，水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展；而當(dāng)水力裂縫與天然裂縫相距很近甚至遭遇時(shí)，天然裂縫會(huì)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展帶來(lái)影響。概括來(lái)講，遭遇天然裂縫后，水力裂縫可發(fā)生如下情況：

（1）在遭遇天然裂縫前水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。

（2）水力裂縫遭遇到天然裂縫后，在起初一段時(shí)間內(nèi)天然裂縫對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展沒(méi)有影響，水力裂縫徑直穿過(guò)天然裂縫。隨著水力裂縫不斷擴(kuò)展，當(dāng)縫內(nèi)流體壓力達(dá)到某臨界值時(shí)，天然裂縫張開(kāi)。當(dāng)擴(kuò)展的天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展遭遇到其他天然裂縫時(shí)，新的最優(yōu)方位的天然裂縫可能會(huì)開(kāi)啟并擴(kuò)展，水力裂縫穿過(guò)天然裂縫后繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)天然裂縫開(kāi)啟并擴(kuò)展，兩者共同作用即形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2　水力裂縫擴(kuò)展行為判定準(zhǔn)則

天然裂縫與煤層氣儲(chǔ)藏巖石力學(xué)性質(zhì)不同，實(shí)際上它可以看作為一個(gè)弱面，圖1顯示了水力裂縫縫尖端及天然裂縫壁面受力情況。

圖中藍(lán)色代表水力裂縫，紅色代表天然裂縫，遠(yuǎn)場(chǎng)最大地應(yīng)力為，最小水平主應(yīng)力為，規(guī)定拉應(yīng)力為正壓應(yīng)力為負(fù)。天然裂縫方位角（與最大水平地應(yīng)力夾角）為，水力裂縫與天然裂縫交叉點(diǎn)處由于應(yīng)力奇異作用存在微小范圍的應(yīng)力屈服塑性區(qū)，假設(shè)其屈服半徑為。水力裂縫穿過(guò)天然裂縫需要同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：（1）水力裂縫作用下，天然裂縫壁面不發(fā)生剪切滑移或者張性開(kāi)裂；（2）水力裂縫尖端處最大主應(yīng)力達(dá)到巖石本體抗拉強(qiáng)度。

依據(jù)判定方法，利用VisualBasic語(yǔ)言編制計(jì)算程序?qū)λα芽p遭遇天然裂縫后擴(kuò)展行為進(jìn)行分析，研究了天然裂縫方位、壁面摩擦系數(shù)、最大最小水平主應(yīng)力比對(duì)水力裂縫擴(kuò)展行為的影響。對(duì)于特定走向的天然裂縫，水力裂縫擴(kuò)展行為主要受最大最小水平主應(yīng)力比影響，應(yīng)力比越大，水力裂縫越容易穿過(guò)天然裂縫。因此可以看出，在高主應(yīng)力比和高逼近角的情況下，水力裂縫易直接穿過(guò)天然裂縫；在低主應(yīng)力比和低逼近角的情況下，水力裂縫易發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿天然裂縫方向擴(kuò)展。

3　水力裂縫對(duì)天然裂縫存在狀態(tài)影響

在原始條件下，受?chē)鷫鹤饔锰烊涣芽p處于閉合狀態(tài)，水力裂縫的存在會(huì)使天然裂縫壁面受力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致天然裂縫結(jié)構(gòu)破壞。具體表現(xiàn)：

（1）在遭遇天然裂縫時(shí)，水力裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致天然裂縫結(jié)構(gòu)破壞，可以通過(guò)水力裂縫擴(kuò)展行為判定準(zhǔn)則表征；

（2）在水力裂縫遭遇天然裂縫之前，天然裂縫保持完好，在穿過(guò)之后，由于水力裂縫縫內(nèi)壓力作用導(dǎo)致天然裂縫壁面有效應(yīng)力大幅減小，原來(lái)處于閉合狀態(tài)的天然裂縫可能會(huì)張開(kāi)。壓裂施工過(guò)程中當(dāng)水力裂縫縫內(nèi)壓力達(dá)到時(shí)，與水力裂縫相交的天然裂縫將會(huì)破壞并開(kāi)啟。煤層壓裂中由于煤粉堵塞、裂縫轉(zhuǎn)向等原因，很容易達(dá)到上述條件，天然裂縫開(kāi)啟后將大大增加裂縫形態(tài)復(fù)雜度。

1）天然裂縫方位影響。這里所說(shuō)的方位是指天然裂縫走向與最大水平地應(yīng)力之間的夾角。

2）應(yīng)力狀態(tài)影響。天然裂縫開(kāi)啟壓力受應(yīng)力差影響很小，但受絕對(duì)應(yīng)力水平控制顯著。天然裂縫開(kāi)啟所需的凈壓力很?。ㄩ_(kāi)啟壓力與最小水平地應(yīng)力之差），實(shí)際壓裂由于煤粉阻塞憋壓，很容易滿(mǎn)足凈壓力要求，造成大量天然裂縫開(kāi)啟，導(dǎo)致煤巖壓裂濾失嚴(yán)重。

3）壁面摩擦系數(shù)影響.壁面摩擦系數(shù)越大，所需的開(kāi)啟壓力越大。采用低排量施工，降低井底施工壓力有利于天然裂縫的穩(wěn)定，減小濾失量，提高壓裂液效率。

4　結(jié)論

（1）水力裂縫遭遇到天然裂縫后可能發(fā)生以下行為：1）徑直穿過(guò)天然裂縫，隨后天然裂縫開(kāi)啟，開(kāi)啟后的天然裂縫會(huì)在某個(gè)弱面處突破；2）水力裂縫沿著天然裂縫擴(kuò)展，隨后在與天然裂縫相交的某個(gè)弱面處突破并繼續(xù)擴(kuò)展。

（2）提出了擴(kuò)展準(zhǔn)則。利用線彈性斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)理論，推導(dǎo)了水力裂縫遭遇天然裂縫后擴(kuò)展行為判據(jù)。判據(jù)顯示：高水平主應(yīng)力差和高逼近角條件，有利于水力裂縫直接穿過(guò)天然裂縫，低水平主應(yīng)力差和低逼近角條件，有利于水力裂縫沿著天然裂縫方向擴(kuò)展。

（3）研究了水力裂縫對(duì)天然裂縫開(kāi)啟的影響，提出了水力裂縫穿過(guò)天然裂縫后，天然裂縫開(kāi)啟判定準(zhǔn)則，指出天然裂縫開(kāi)啟受本身方位、應(yīng)力條件、壁面摩擦系數(shù)影響：在0到90°之間，存在一個(gè)最優(yōu)方位使得天然裂縫最容易開(kāi)啟；應(yīng)力條件越高所需開(kāi)啟壓力越大；壁面摩擦系數(shù)越高所需開(kāi)啟壓力越大，理論判據(jù)可用于預(yù)測(cè)復(fù)雜裂縫的形成。

[1]任東梅,張烈輝,陳軍,張明.煤層氣藏于常規(guī)天然天然氣藏地質(zhì)及開(kāi)采特征比較[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2001,23(05):29-32.