頁(yè)巖紋層結(jié)構(gòu)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響

許丹，胡瑞林，高瑋，夏加國(guó)

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）

頁(yè)巖紋層結(jié)構(gòu)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響

許丹1,2，胡瑞林1，高瑋1，夏加國(guó)1,2

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）

根據(jù)鄂爾多斯盆地延科1井陸相頁(yè)巖巖心特征，制備了巖性相似的混凝土樣品。利用正交實(shí)驗(yàn)法四因素三水平設(shè)計(jì)原理，并采用真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以模擬水平主應(yīng)力差、射孔套管與紋層的夾角、紋層厚度和間距對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的控制作用。結(jié)果表明：當(dāng)水平主應(yīng)力差較小時(shí)，試樣的主破裂面為平行于紋層走向的面，一級(jí)裂縫走向的模式為：穿過(guò)紋層—在紋層層面處發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—沿著紋層層面擴(kuò)展—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層；當(dāng)水平主應(yīng)力差較大時(shí)，試樣的主破裂面為垂直于紋層走向的面，一級(jí)裂縫走向的模式為：穿過(guò)紋層—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層。水平主應(yīng)力差越小，裂縫偏轉(zhuǎn)的角度越大，壓裂效果越好；射孔套管與紋層的夾角越小，致裂性越好；頁(yè)巖紋層的厚度適中時(shí)，分支裂縫多，壓裂效果較好；凝灰?guī)r紋層的厚度較小時(shí)，壓裂效果好。水力壓裂效果對(duì)水平主應(yīng)力差最敏感，射孔套管與紋層的夾角次之。圖10表3參10

頁(yè)巖紋層結(jié)構(gòu)；水力壓裂；裂縫擴(kuò)展規(guī)律；水平主應(yīng)力差；裂縫走向；壓裂效果

0 引言

由于頁(yè)巖儲(chǔ)集層物性致密、滲透率極低，所以絕大多數(shù)頁(yè)巖氣井需采取壓裂等措施來(lái)對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行改造。國(guó)內(nèi)外許多研究者通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集層水力壓裂破壞規(guī)律進(jìn)行了大量研究。Blanton[1]和Beugelsdijk等[2]研究表明，水平主應(yīng)力差是影響水力裂縫擴(kuò)展的重要因素。Warpinski[3]研究發(fā)現(xiàn)，天然裂縫在水力裂縫的影響下容易發(fā)生剪切破壞。周健等[4]進(jìn)行了大尺寸真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了常規(guī)地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力情況下，天然裂縫和地應(yīng)力對(duì)水力裂縫擴(kuò)展及裂縫形態(tài)的影響，給出了天然裂縫破壞準(zhǔn)則。陳勉等[5]開(kāi)展了隨機(jī)天然裂縫地層水力裂縫延伸特性及小型壓裂測(cè)試特性的研究。郭印同等[6]用頁(yè)巖樣做了真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為水力裂縫既可垂直于層理也可平行于層理，并形成裂縫網(wǎng)

絡(luò)。上述研究都是基于天然裂縫對(duì)水力裂縫的影響，鮮見(jiàn)針對(duì)紋層結(jié)構(gòu)對(duì)水力裂縫影響的研究。事實(shí)上，頁(yè)巖結(jié)構(gòu)非常致密，從地下深處取出的頁(yè)巖巖心幾乎沒(méi)有裂縫，卻有明顯的紋層結(jié)構(gòu)[7]。

為此，本文采用大尺寸真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[8]，研究不同紋層結(jié)構(gòu)即紋層傾角、紋層厚度、紋層間距和水平主應(yīng)力差對(duì)水力壓裂破壞的影響（不著重考慮紋層的強(qiáng)度差異），得出不同紋層結(jié)構(gòu)條件下的水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律；利用方差分析和極差分析[9]技術(shù)，對(duì)各種工況的壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析壓裂效果對(duì)不同因素的敏感性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

鄂爾多斯盆地延科1井發(fā)育陸相頁(yè)巖，井深500 m，頁(yè)巖段巖心見(jiàn)頁(yè)巖紋層和凝灰?guī)r紋層交替發(fā)育，頁(yè)巖紋層平均單軸抗壓強(qiáng)度為31.27 MPa，由于凝灰?guī)r紋層厚度太小不便制樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定，采取露頭凝灰?guī)r測(cè)得平均單軸抗壓強(qiáng)度為28.32 MPa。為了制樣方便，本實(shí)驗(yàn)仿照延科1井巖性特征，制備具有類似脆性、剪切膨脹性質(zhì)的人造混凝土試樣，由混凝土層M1、M2交替組成，M1、M2層的力學(xué)參數(shù)分別與頁(yè)巖紋層和凝灰?guī)r紋層的力學(xué)參數(shù)相當(dāng)（見(jiàn)表1）。

表1 混凝土層M1和M2力學(xué)參數(shù)

用帶光面的厚木板制成凈尺寸為30 cm×30 cm×30 cm的立方體模具，將模具傾斜角度θ后固定，先澆筑厚度為B的混凝土層M1（模擬頁(yè)巖紋層），待此層混凝土初凝后，再澆筑厚度為L(zhǎng)的混凝土層M2（模擬凝灰?guī)r紋層），如此分層交替澆筑成邊長(zhǎng)為30 cm的標(biāo)準(zhǔn)立方塊（見(jiàn)圖1）。將特制的射孔套管預(yù)埋在樣品的中心位置，埋深為20 cm，射孔段長(zhǎng)為10 cm，射孔孔眼螺旋式分布，相鄰孔高差為1 cm，角度差為90°（見(jiàn)圖2）。最后將脫模后的試樣放置在溫度為20 ℃左右、濕度大于95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。壓裂實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用2D-SY型電動(dòng)試壓泵向模擬井筒中注入壓裂液，其額定排出壓力63 MPa，流量2 L/min，壓裂時(shí)排量設(shè)為5.0×10?9m3/s，壓裂液中添加紅色示蹤劑，以便觀察水力壓裂裂縫的擴(kuò)展、連通規(guī)律。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 射孔套管結(jié)構(gòu)示意圖

表2 試樣因素組合表

1.2 實(shí)驗(yàn)思路與設(shè)計(jì)

試樣的結(jié)構(gòu)因素和水平主應(yīng)力差設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)因素包括傾角、頁(yè)巖紋層厚度、凝灰?guī)r紋層厚度（頁(yè)巖紋層間距）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中垂向應(yīng)力設(shè)為13 MPa，大致與延科1井埋深500 m處的頁(yè)巖應(yīng)力水平相當(dāng)[10]，水平最小主應(yīng)力σh加載在平行于紋層走向的方向上，設(shè)為5 MPa，水平最大主應(yīng)力σH加載在垂直于紋層走向的方向上，分別設(shè)為6 MPa、7 MPa、8 MPa，垂直應(yīng)力σv的加載方向見(jiàn)圖3。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法，用4因素3水平的正交表對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、

統(tǒng)計(jì)分析，只需9個(gè)樣品就能保證全面實(shí)驗(yàn)所需81個(gè)樣品的要求。實(shí)驗(yàn)前將試樣的各面打磨光滑以消除局部應(yīng)力的影響，并在4個(gè)水平應(yīng)力加載面上鉆一定尺寸的小孔，便于起重機(jī)起吊。

圖3 試樣地應(yīng)力加載方向示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

壓裂模擬實(shí)驗(yàn)使用中國(guó)石油大學(xué)（華東）力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、伺服控制柜、伺服閥、液壓泵組、高壓缸、孔壓伺服電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他輔助裝置組成。高壓缸內(nèi)東西方向加載水平最小主應(yīng)力，南北方向加載水平最大主應(yīng)力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泵壓曲線分析

圖4為2#試樣壓裂時(shí)間與泵壓關(guān)系曲線，其中OA段為開(kāi)泵階段，A點(diǎn)處低壓腔調(diào)壓閥打開(kāi)；AB段為空行程階段；BC段泵壓迅速增大，初始裂縫開(kāi)始擴(kuò)展萌生；D點(diǎn)處高壓腔調(diào)壓閥打開(kāi)，DE段泵壓平穩(wěn)增長(zhǎng)，裂縫開(kāi)始萌生、擴(kuò)展；E點(diǎn)處泵壓達(dá)到最高值，EF段試樣內(nèi)裂縫貫通，壓裂液迅速濾失到貫通的裂縫中，壓力急劇下降；FG段泵壓較平穩(wěn)，G點(diǎn)處高壓腔調(diào)壓閥關(guān)閉，泵壓陡降；H點(diǎn)處低壓腔調(diào)壓閥關(guān)閉。

2.2 各試樣壓裂后的裂縫統(tǒng)計(jì)

圖5中紅色線為壓裂后2#試樣南面用肉眼能明顯觀察到的裂縫，其中有1條貫穿試樣的一級(jí)裂縫、4條二級(jí)裂縫、5條三級(jí)裂縫（裂縫分級(jí)由派生關(guān)系確定）。裂縫密度為單位長(zhǎng)度或單位面積內(nèi)裂縫的條數(shù)，由于本實(shí)驗(yàn)中試樣的面積一定，而且一級(jí)裂縫都是1條，三級(jí)裂縫跡長(zhǎng)均相差不大，所以要確定試樣壓裂后裂縫密度只需統(tǒng)計(jì)裂縫條數(shù)即可。由圖5可見(jiàn)，一級(jí)裂縫開(kāi)始垂直于紋層擴(kuò)展，在第4個(gè)層面處（從上往下數(shù)）裂縫擴(kuò)展的偏轉(zhuǎn)方向突然變大，斜穿整個(gè)試樣，二級(jí)裂縫擴(kuò)展方向幾乎與一級(jí)裂縫擴(kuò)展方向垂直，三級(jí)裂縫大多數(shù)發(fā)育在單一紋層中。圖6為2#試樣北面裂縫形態(tài)圖，有1條一級(jí)裂縫、3條二級(jí)裂縫和1條三級(jí)裂縫。一級(jí)裂縫豎直向下擴(kuò)展，在第2、第4、第5層面處產(chǎn)生二級(jí)裂縫。試樣從高壓缸取出后，用清水高排量壓裂，壓裂液從南北面流出，東西面沒(méi)有液體流出，說(shuō)明2#試樣?xùn)|西面幾乎沒(méi)有水力裂縫產(chǎn)生。

圖4 2#試樣壓裂時(shí)間與泵壓關(guān)系曲線

圖5 2#試樣壓裂后南面裂縫形態(tài)及示意圖

圖6 2#試樣壓裂后北面裂縫形態(tài)及示意圖

分別統(tǒng)計(jì)9個(gè)試樣?xùn)|西南北4個(gè)水平主應(yīng)力加載面的裂縫總條數(shù)（見(jiàn)圖7），按裂縫數(shù)量由高到底排序依次為：1#、2#、5#、6#、3#（9#）、8#（4#）、7#。

圖7 9個(gè)試樣在水平應(yīng)力加載面上的裂縫條數(shù)

定義試樣中一級(jí)裂縫貫穿的面為主破裂面，主破裂面上的裂縫條數(shù)明顯多于非主破裂面上的裂縫條數(shù)，而2個(gè)主破裂面中總有一個(gè)面的裂縫條數(shù)明顯多于另一個(gè)面。定義裂縫條數(shù)多的主破裂面為壓裂效果面，壓裂效果面上裂縫總條數(shù)由高到低排序?yàn)椋?#、2#（5#）、6#、8#、9#（3#）、7#、4#（見(jiàn)圖8）。每個(gè)試樣壓裂效果面上均有1條一級(jí)裂縫，二級(jí)裂縫數(shù)量由高到低依次為：1#、2#、5#、6#、8#（9#）、7#（3#，4#）。根據(jù)二級(jí)裂縫數(shù)量的排序未能比較出8#、9#和3#、4#、7#裂縫數(shù)量的多少，再根據(jù)三級(jí)裂縫條數(shù)，將其由高到低分別排序?yàn)椋?#、9#，3#、7#、4#。

圖8 壓裂效果面上分級(jí)裂縫條數(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)集層水力壓裂的目的是在儲(chǔ)集層中形成密集縫網(wǎng)，因此壓裂后裂縫條數(shù)越多、波及范圍越廣，壓裂效果越好。綜上，比較分析可得壓裂效果由好到差的排序?yàn)椋?#、2#、5#、6#、8#、9#、3#、7#、4#。

2.3 水平主應(yīng)力差對(duì)水力裂縫的影響

分析9個(gè)試樣可知：1#、5#、9#這3個(gè)試樣的主破裂面為東西面（即平行于紋層走向的面）；其他試樣的主破裂面為南北面（即垂直于紋層走向的面）。圖9為5#試樣一級(jí)裂縫形態(tài)圖，其中BC段、EF段、GH段沿著紋層層面擴(kuò)展，F(xiàn)G段隆起部分可能是由于試樣內(nèi)部局部效應(yīng)引起的，CE段裂縫穿過(guò)紋層。圖10為4#試樣一級(jí)裂縫形態(tài)圖，主破裂面為南北面，AB段、BC段均穿過(guò)紋層，且在B點(diǎn)擴(kuò)展方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。分析9個(gè)試樣的裂縫擴(kuò)展形態(tài)可知：一級(jí)裂縫擴(kuò)展方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的位置多數(shù)在紋層層面上。

圖9 5#試樣一級(jí)裂縫形態(tài)及示意圖

圖10 4#試樣一級(jí)裂縫形態(tài)及示意圖

分析可得：當(dāng)水平主應(yīng)力差較小時(shí)，試樣的主破裂面為東西面（即平行于紋層走向的面），一級(jí)裂縫擴(kuò)展的模式為：穿過(guò)紋層—在紋層層面處發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—沿著紋層層面擴(kuò)展—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層；當(dāng)水平主應(yīng)力差較大時(shí)，試樣的主破裂面為南北面（即垂直于紋層走向的面），一級(jí)裂縫擴(kuò)展的模式為：穿過(guò)紋層—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層。水平主應(yīng)力差越小裂縫偏轉(zhuǎn)的角度越大。

2.4 射孔套管與紋層的夾角對(duì)水力裂縫的影響

將9個(gè)試樣分為3組。第1組：1#、2#、3#試樣，射孔套管與紋層夾角為20°；第2組：4#、5#、6#試樣，射孔套管與紋層夾角為45°；第3組：7#、8#、9#試樣，射孔套管與紋層夾角為70°。

1#、5#、9#這3個(gè)試樣的主破裂面在東西面上，1#試樣穿過(guò)的紋層數(shù)最多，5#次之，9#最少；1#、5#裂縫偏轉(zhuǎn)拐點(diǎn)均比9#多，說(shuō)明1#、5#的壓裂效果比9#試樣好。

第1組2#、3#，第2組4#、6#，第3組7#、8#的主破裂面在南北面上，第1組試樣的裂縫偏轉(zhuǎn)拐點(diǎn)最多，且裂縫波及的范圍最大；第2組次之，第3組最少。因此，射孔套管與紋層的夾角為20°時(shí)，裂縫穿過(guò)紋層數(shù)量最多并且擴(kuò)展方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)也最多，壓裂效果最好；夾角為45°時(shí)，壓裂效果次之；夾角為70°時(shí)，壓裂效果最差。

2.5 頁(yè)巖層厚度（紋層厚度）對(duì)水力裂縫的影響

根據(jù)試樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將頁(yè)巖紋層厚度分為3組。第1組：1#、4#、7#試樣，厚度為3 cm；第2組：2#、5#、8#試樣，厚度為4 cm；第3組：3#、6#、9#試樣，紋層厚度為6 cm。同樣先比較1#、5#、9#這3個(gè)試樣，一級(jí)裂縫都主要在頁(yè)巖紋層中擴(kuò)展，如5#試樣中DH段（見(jiàn)圖9），且該段裂縫的跡長(zhǎng)最長(zhǎng)，頁(yè)巖紋層中的二級(jí)、三級(jí)裂縫明顯比凝灰?guī)r紋層中多。

綜合分析其他試樣發(fā)現(xiàn)，第2組試樣一級(jí)裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)最多。因此當(dāng)頁(yè)巖紋層厚度為4 cm時(shí)，裂縫波及的范圍最大，對(duì)壓裂效果影響最大。

2.6 凝灰?guī)r紋層厚度（頁(yè)巖紋層間距）對(duì)水力裂縫的影響

同樣將9個(gè)試樣分為3組。第1組：1#、6#、8#試樣，凝灰?guī)r紋層厚度均為3 cm；第2組：2#、4#、9#試樣，凝灰?guī)r紋層厚度均為4 cm；第3組：3#、5#、7#試樣，凝灰?guī)r紋層厚度為6 cm。

分析可得：當(dāng)凝灰?guī)r紋層厚度為3 cm時(shí)，一級(jí)裂縫擴(kuò)展時(shí)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)數(shù)最多，壓裂效果最好。

3 壓裂效果對(duì)各影響因素敏感性評(píng)價(jià)

3.1 均值分析

結(jié)合表2正交實(shí)驗(yàn)4因素3水平實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)裂縫發(fā)育數(shù)量進(jìn)行均值分析，并列入表3，因素水平Ⅰ—Ⅲ代表各因素由低到高3個(gè)取值。由表3可見(jiàn)，IⅠA>IⅡA> IⅢA，說(shuō)明射孔套管與紋層的夾角越小，壓裂效果越好；IⅡB>IⅠB>IⅢB，說(shuō)明具有紋層結(jié)構(gòu)的頁(yè)巖儲(chǔ)集層中頁(yè)巖紋層厚度適中時(shí)，壓裂效果最好；IⅠC>IⅢC>IⅡC，說(shuō)明凝灰?guī)r層厚度較小時(shí)對(duì)壓裂效果有利；IⅠD>IⅡD>IⅢD，說(shuō)明水平主應(yīng)力差越小，壓裂效果越好。這與前文的分析規(guī)律吻合。

表3 不同影響因素下裂縫數(shù)量均值及極差分析表

3.2 極差分析

對(duì)表3中裂縫條數(shù)均值分析數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，以確定壓裂效果對(duì)各因素的敏感性。T為每個(gè)因素3個(gè)取值水平下裂縫數(shù)量平均值的極差，即最大值與最小值之差，由表可知：TD>TA>TB>TC，說(shuō)明壓裂效果對(duì)水平主應(yīng)力差最敏感，射孔套筒與紋層的夾角次之。

4 結(jié)論

根據(jù)鄂爾多斯盆地延科1井埋深500 m處陸相頁(yè)巖的巖心結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力狀況，制備了不同結(jié)構(gòu)的人造混凝土試樣。利用正交實(shí)驗(yàn)法四因素三水平設(shè)計(jì)原理，分別對(duì)試樣進(jìn)行真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、均值分析、極差分析等研究得到以下結(jié)論。

統(tǒng)計(jì)每個(gè)試樣壓裂后各個(gè)水平主應(yīng)力加載面上的裂縫總條數(shù)，壓裂效果面上裂縫總條數(shù)、二級(jí)裂縫條數(shù)、三級(jí)裂縫條數(shù)，綜合分析得出壓裂效果由好到差的排序?yàn)椋?#、2#、5#、6#、8#、9#、3#、7#、4#。

當(dāng)水平主應(yīng)力差較小時(shí)，試樣的主破裂面為平行于紋層走向的面，一級(jí)裂縫走向的模式為：穿過(guò)紋層—在紋層層面處發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—沿著紋層層面擴(kuò)展—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層；當(dāng)水平主應(yīng)力差較大時(shí)，試樣的主破裂面為垂直于紋層走向的面，一級(jí)裂縫走向的模式為：穿過(guò)紋層—發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)—穿過(guò)紋層，水平主應(yīng)力差越小，裂縫偏轉(zhuǎn)的角度越大。

射孔套管與紋層的夾角為20°時(shí)，裂縫穿過(guò)紋層數(shù)量最多并且擴(kuò)展方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)也最多，壓裂效果最好；夾角為45°時(shí)，壓裂效果次之；夾角為70°時(shí)，壓裂效果最差。

當(dāng)頁(yè)巖紋層厚度為4 cm時(shí)，裂縫波及的范圍最大，對(duì)壓裂效果影響最大。凝灰?guī)r層厚度為3 cm時(shí)，一級(jí)裂縫擴(kuò)展時(shí)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的拐點(diǎn)數(shù)最多，壓裂效果最好。

通過(guò)均值分析可得：射孔套管與紋層的夾角越小，壓裂效果越好；具有紋層結(jié)構(gòu)的頁(yè)巖儲(chǔ)集層中頁(yè)巖紋層厚度適中時(shí)，壓裂效果最好；凝灰?guī)r紋層厚度較小時(shí)，對(duì)壓裂效果有利；水平主應(yīng)力差越小，壓裂效果越好。

通過(guò)極差分析可得：壓裂效果對(duì)水平主應(yīng)力差最敏感，射孔套筒與紋層的夾角次之。

衷心感謝中國(guó)石油大學(xué)（華東）薛世峰老師、朱秀星博士、賈鵬博士對(duì)實(shí)驗(yàn)的大力支持與幫助!

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（編輯 郭海莉）

Effects of laminated structure on hydraulic fracture propagation in shale

Xu Dan1,2,Hu Ruilin1,Gao Wei1,Xia Jiaguo1,2
(1.Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Concrete samples with properties similar to the continental shale core of Well Yanke 1 in the Ordos Basin in the Shaanxi province,China,were made.The control effects of horizontal principal stress difference,the angle between perforated casing and lamina,the lamina thickness and space on hydraulic fracture propagation were modeled on a real tri-axial hydraulic fracturing experiment system,based on the design principle of four factors-three levels of orthogonal experiment.When the horizontal principal stress difference is small,the main fracture surface is parallel to the laminae strike,and the primary fractures will propagate as follows: propagate through the laminae,then deflect significantly at the surface of the laminae,continue along the laminae surface and finally change direction and propagate again through the laminae.When the horizontal principal stress difference is big,the main fracture surface is perpendicular to the laminae strike and the primary fractures will propagate as follows: run through the laminae,change their propagation direction dramatically on the laminar surface,and then run through the laminae.The smaller the difference of the horizontal principal stress,the bigger the angle of fracture deflection,and the better the fracturing result will be; the smaller the angle between perforated casing and laminae,the better the fracturing result will be; when the thickness of shale laminae is moderate,there will be more branching fractures and the fracturing result is better; tuff layers with smaller lamina thickness have better hydraulic fracturing effect.The hydraulic fracturing effect is most sensitive to horizontal principal stress difference,followed by the angle between perforated well casing and laminae.

shale laminated structure; hydraulic fracturing; fracture propagation; horizontal principal stress difference; fracture strike; fracturing result

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）課題“儲(chǔ)層非均質(zhì)性與可壓裂性”（XDB10030100）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“工程活動(dòng)影響下土石混合體滑坡形成演化的結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究”（41330643）

TE357.1

A

1000-0747(2015)04-0523-06

10.11698/PED.2015.04.16

許丹（1987-），男，湖北荊州人，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在讀博士研究生，主要從事頁(yè)巖儲(chǔ)集層可壓裂性評(píng)價(jià)與指標(biāo)、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)工程方面的研究。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)北土城西路19號(hào)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新樓，郵政編碼：100029。E-mail: 359035962@qq.com

2014-12-16

2015-06-05