趙海軍 馬鳳山 劉 港② 郭 捷 馮雪磊②

ZHAO Haijun① MA Fengshan① LIU Gang①② GUO Jie① FENG Xuelei①②

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不同尺度巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響*

趙海軍①馬鳳山①劉 港①②郭 捷①馮雪磊①②

儲(chǔ)層巖體中的天然結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂縫網(wǎng)改造具有重要的影響。本文采用真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件RFPA2D-Flow，在考慮巖體非均質(zhì)性和巖體滲流-應(yīng)力-損傷破裂特性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同尺度天然結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展與演化行為進(jìn)行了模擬分析和討論，研究結(jié)果表明：(1)當(dāng)水力裂縫遇天然非閉合裂隙時(shí)，在水力裂縫靠近非閉合裂隙區(qū)間形成拉張應(yīng)力區(qū)，水力裂縫與區(qū)間非閉合裂隙間微元體累進(jìn)性張拉破壞是導(dǎo)致水力裂縫與非閉合裂隙貫通的主要機(jī)制； (2)層理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展及縫網(wǎng)形態(tài)影響十分顯著，當(dāng)最大主應(yīng)力方向與層理面走向小角度相交時(shí)，層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力裂隙的擴(kuò)展起主要作用，當(dāng)最大主應(yīng)力方向與層理面走向大角度相交時(shí)，最大主壓應(yīng)力與層理面共同對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，隨著優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的增多和差應(yīng)力的增大，水力壓裂形成的縫網(wǎng)范圍和復(fù)雜性程度隨之增大； (3)儲(chǔ)層水力壓裂是一種局部范圍內(nèi)的短暫動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程，盡管斷層的存在可以極大地影響水力裂縫的擴(kuò)展模式，增大水力裂隙擴(kuò)展高度，但相比于儲(chǔ)層埋深，水力壓裂對(duì)斷層封閉性的破壞范圍和斷層活動(dòng)性的擾動(dòng)程度十分有限。

頁(yè)巖氣 水力壓裂 結(jié)構(gòu)面 斷層 裂縫網(wǎng)絡(luò)

ZHAO Haijun①M(fèi)A Fengshan①LIU Gang①②GUO Jie①FENG Xuelei①②

0 引 言

頁(yè)巖氣是指以吸附、游離或溶解狀態(tài)賦存于泥頁(yè)巖地層中的天然氣，具有自生、自儲(chǔ)、吸附成藏等地質(zhì)特點(diǎn)(Curtis， 2002； 張金川等， 2004)。全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源總量為187.6萬(wàn)億立方米(姜福杰等， 2012)。盡管頁(yè)巖氣資源豐富，但是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度、滲透率極低(一般小于1mD)，儲(chǔ)層內(nèi)的天然節(jié)理、裂隙通常無(wú)法提供經(jīng)濟(jì)開(kāi)采所需的滲流通道，因而需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行人工水力壓裂改造，使巖體開(kāi)裂、節(jié)理裂隙活化貫通形成具有高度水力聯(lián)系的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Cipolla， 2008； 唐穎等， 2011)，以提高儲(chǔ)層巖體的滲透性和頁(yè)巖氣產(chǎn)量(BC Oil and Gas Commission， 2012； Bunger et al.，2013)。

儲(chǔ)層巖體內(nèi)的天然裂縫是水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)(Gale et al.，2007)，水力裂縫遇到天然裂縫時(shí)的止裂、轉(zhuǎn)向、分叉和穿過(guò)等力學(xué)行為是水力壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要機(jī)制(周健等， 2008； 張然等， 2014; 侯振坤等， 2016)。水力壓裂條件下，不同尺度、不同強(qiáng)度的巖體結(jié)構(gòu)面與水力裂縫的相互作用機(jī)制和擴(kuò)展貫通模式往往有著較大的差別。由于巖體天然結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度通常遠(yuǎn)小于巖石基質(zhì)的強(qiáng)度，在水力壓裂引起的差應(yīng)力增高及儲(chǔ)層非均質(zhì)缺陷等因素影響下，儲(chǔ)層巖體內(nèi)通常不僅發(fā)生小尺度裂隙的張-剪破壞，還存在節(jié)理和斷層等大尺度結(jié)構(gòu)面的張拉、剪切、滑移和錯(cuò)斷等復(fù)雜的力學(xué)行為(郭印同等， 2014; 姜滸， 2014; 李芷等， 2015)。

正是由于水力壓裂條件下天然縫網(wǎng)的活化貫通對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂改造效果具有極其重要的影響，因而許多學(xué)者進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)分析(Eshiet et al.，2013; Liu et al.，2014; Zhou et al.，2014)。例如，周健等(2008)、張然等(2014)對(duì)水力裂縫與天然結(jié)構(gòu)面的相互影響和作用機(jī)制進(jìn)行了研究，李芷等(2015)、門曉溪等(2014)對(duì)受層理影響下的水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行物理模擬和數(shù)值模擬分析。然而，以往研究建立的水力裂縫與天然裂隙相互作用準(zhǔn)則及破壞機(jī)制是在一些力學(xué)和數(shù)學(xué)假定條件下提出的，建立的力學(xué)模型和相似模型與實(shí)際情況差別較大，裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的水力耦合破壞過(guò)程難以精確刻畫，提出的相互作用準(zhǔn)則或機(jī)制只適用于特定模型和條件。此外，作為儲(chǔ)層巖體中大尺度的結(jié)構(gòu)面，斷層不僅會(huì)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向及縫網(wǎng)形態(tài)產(chǎn)生重要影響(Alexander et al.，2011; Fisher et al.，2011)，其自身也存在受大規(guī)模壓裂開(kāi)采擾動(dòng)而發(fā)生活化變形和破壞的問(wèn)題(Maxwell et al.，2008; Soltanzadehet al.，2009; De Pater et al.，2011; Warpinski， 2011; Rutqvist et al.，2013)，以及由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題(Gregory et al.，2011; Rozellet al.，2012; Brantley et al.，2014)。受水力壓裂影響，斷層活化導(dǎo)致的封閉性的破壞，會(huì)為地下流體、污染物提供運(yùn)移通道(Osborn et al.，2011; Myers， 2012; Allen et al.，2013; Vidic et al.，2013; Warner et al.，2013)，會(huì)造成壓裂流體泄露和環(huán)境污染問(wèn)題(Kharak et al.，2013； Jackson et al.，2013)，還存在剪斷水平井套管、誘發(fā)地震活動(dòng)等災(zāi)害問(wèn)題(Das et al.，2011; Refunjol et al.，2011; BC Oil and Gas Commission， 2012； Ellsworth， 2013; Warpinski， 2013)。

本文基于RFPA2D-Flow軟件，從細(xì)觀力學(xué)角度出發(fā)，考慮巖石材料的非均質(zhì)性及裂隙萌生、擴(kuò)展的滲流-應(yīng)力-損傷破壞耦合影響，對(duì)水力裂縫與小尺度天然裂隙相互作用機(jī)理與擴(kuò)展貫通模式進(jìn)行了模擬分析，對(duì)受層理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展演化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，最后對(duì)大尺度斷層結(jié)構(gòu)影響下的水力壓裂裂縫擴(kuò)展進(jìn)行了模擬分析，最后對(duì)不同尺度巖體結(jié)構(gòu)面影響下的水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理及斷層封閉性和活動(dòng)性問(wèn)題進(jìn)行了討論，研究結(jié)果對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力壓裂設(shè)計(jì)和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題的研究具有一定的參考意義。

1 數(shù)值模型與試驗(yàn)方案

儲(chǔ)層水力壓裂是水力耦合作用下的巖體動(dòng)力破壞過(guò)程，數(shù)值模擬方法及模擬試驗(yàn)工具的選擇必須要能體現(xiàn)巖體在水力作用下的破裂、失穩(wěn)過(guò)程?？v觀目前水力壓裂數(shù)值模擬方法和軟件平臺(tái)，RFPA2D-Flow是一個(gè)能夠綜合考慮巖體非均質(zhì)性和裂縫擴(kuò)展?jié)B流-應(yīng)力-損傷破裂的試驗(yàn)工具，可以對(duì)水力作用下的裂縫形成與演化行為進(jìn)行模擬，其原理和計(jì)算結(jié)果的可靠性在許多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹(Tang et al.，2002; 李連崇等， 2003; 楊天鴻等， 2004; 門曉溪等， 2013)，本文不再贅述。本次研究基于該軟件平臺(tái)，對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)進(jìn)行了多方面的模擬分析。

在水力裂縫與天然微裂隙相互作用模型方面，本文考慮了兩個(gè)長(zhǎng)橢圓形裂隙組合的平面應(yīng)變模型。模型的幾何尺寸為1000mm×1000mm，劃分600×600個(gè)單元。水力裂縫與天然裂隙尺寸相同，長(zhǎng)軸100mm，短軸5mmm，水力裂縫中心位于模型中心位置，天然微裂隙中心與水力裂縫中心在同一水平，兩者中心相距100mm，天然微裂縫的傾角分別取0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。模型邊界上水平及豎直方向圍壓分別為12MPa和8MPa。經(jīng)前期多次試算，本研究中水力裂縫內(nèi)壁施加15MPa的初始水壓，單步增量為0.2MPa，直至裂縫擴(kuò)展引起試樣的宏觀破壞。模型材料單元體力學(xué)非均質(zhì)性服從Weibull分布函數(shù)，在模型參數(shù)中以均質(zhì)度表征(Tang et al.，2002)。本項(xiàng)研究是從微觀角度研究水力裂縫擴(kuò)展與閉合裂隙與非閉合微裂隙相互作用規(guī)律，因而均質(zhì)度相比其他模型設(shè)置高一些。以天然微裂隙傾角60°為例給出了該計(jì)算模型示意圖 (圖1)，模型材料力學(xué)輸入?yún)?shù)(表1)。

圖1 水力裂縫與天然微裂隙面模型示意圖

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)

Table1 Values of parameters in the numerical calculation

參數(shù)裂隙/層理斷層巖石基質(zhì)均質(zhì)度223,7彈性模量/GPa151530泊松比0.30.30.25摩擦角/(°)252537抗壓強(qiáng)度/MPa100100200抗拉強(qiáng)度/MPa101020滲透系數(shù)/m·d-10.010.010.001孔隙率0.10.50.1耦合系數(shù)0.10.30.01孔隙壓力系數(shù)110.5

在儲(chǔ)層層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展影響方面，本文考慮了無(wú)結(jié)構(gòu)面影響的對(duì)比模型、單組層理和兩組交切結(jié)構(gòu)面影響的模型這3種情形。

圖2 層理結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂模型示意圖

模型的幾何尺寸和劃分單元數(shù)與上述相同，層理間距20mm，單條層理厚度為一個(gè)單元的大小，水力壓裂孔位于模型中心，圓孔半徑為20mm。在單組層理模型中，層理傾角分別設(shè)置為0°、15°、30°、45°、60°和75°，模型邊界上水平及垂直方向的圍壓分別為12MPa和8MPa。在交切結(jié)構(gòu)面模型中，設(shè)置傾角為0°和30°的兩組節(jié)理。鑒于數(shù)值計(jì)算模型應(yīng)力承載局限，模型邊界上水平及垂直方向的圍壓分別為12MPa和8MPa， 10MPa和10MPa兩種地應(yīng)力條件。在恒定注入率為0.1m3·s-1m-1條件下，模擬水力壓裂過(guò)程，研究交切結(jié)構(gòu)面在水平地應(yīng)力與垂向地應(yīng)力比值σH/σh為1.5倍和1倍情況下水力裂縫的擴(kuò)展情況。在此，以層理傾角30°為例，給出了層理結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂模型示意圖 (圖2)，模型輸入?yún)?shù)(表1)。

在斷層結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展影響方面，本文考慮了壓裂孔位于陡傾斷層上盤和下盤兩種典型情況。模型的幾何尺寸和劃分單元數(shù)與上述相同，本研究中斷層帶傾角設(shè)置為70°，斷層帶厚度設(shè)置為20mm，壓裂孔半徑20mm，壓裂孔中心與斷層邊界水平距離150mm。模型邊界上水平及垂直方向的圍壓分別為10MPa和8MPa，采用較為合理的注入率模擬斷層對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。在此，給出了壓裂孔位于陡傾斷層上盤時(shí)的計(jì)算模型示意圖 (圖3)，模型輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1所示。

圖3 斷層帶影響的水力壓裂模型示意圖

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 水力裂縫與天然微裂隙相互作用

在遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力及注水壓力持續(xù)增大條件下，水力裂縫在其兩端會(huì)出現(xiàn)拉張應(yīng)力區(qū)，在靠近天然裂隙面一側(cè)，天然裂隙的存在會(huì)改變局部應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，在水力裂縫與天然裂隙之間會(huì)產(chǎn)生拉張應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域微元體的張拉破壞會(huì)為水力裂縫的擴(kuò)展提供有利擴(kuò)展條件。圖4 為水力裂縫與不同傾角非閉合微裂隙相互作用的模擬結(jié)果。從圖上可以看出，除直立微裂隙模型外，水力裂縫均與靠近水力裂縫一端天然微裂隙發(fā)生相互“吸引”式的轉(zhuǎn)向擴(kuò)展和貫通破壞，并沒(méi)有出現(xiàn)水力裂縫徑直擴(kuò)展并穿越天然微裂隙的現(xiàn)象。不同產(chǎn)狀微裂隙模擬結(jié)果的細(xì)微不同之處在于：當(dāng)天然微裂隙傾角小于等于60°時(shí) (圖4a～d)，水力裂縫與天然微裂隙產(chǎn)生的張拉破壞沒(méi)有迎面對(duì)接貫通，而是水力裂縫擴(kuò)展破壞區(qū)于天然微裂隙下端三分之一處相貫通； 當(dāng)天然微裂隙傾角達(dá)到75° (圖4e)，水力裂縫擴(kuò)展破壞區(qū)與天然微裂隙近于中部破壞區(qū)對(duì)接貫通； 當(dāng)天然微裂隙直立時(shí) (圖4f)，水力裂縫也并非徑直與天然微裂隙貫通， 此外在圖4 所有的模型中，遠(yuǎn)離水力裂縫一端的天然微裂隙均出現(xiàn)了翼形裂縫擴(kuò)展破壞，并且該破壞區(qū)域范圍隨水力裂縫擴(kuò)展的進(jìn)行逐漸擴(kuò)大。

圖4 不同傾角非閉合微裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

模型微單元體的破壞往往伴隨著顯著的聲發(fā)射活動(dòng)，為了研究水力裂縫與天然微裂隙相互作用的微元體破裂細(xì)觀過(guò)程，圖5 給出了以傾角60°的天然微裂隙為例的聲發(fā)射圖分布圖。從圖中可以看到，在水力裂縫水壓力增加初期，水力裂縫兩尖端最先出現(xiàn)了較為密集的聲發(fā)射事件 (圖5a)，隨著水力裂縫內(nèi)水壓力的不斷增大，水力裂縫與天然微裂隙周圍的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生一定的變化，在水力裂縫與靠近天然微裂隙一端區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了拉張應(yīng)力區(qū)，并且在遠(yuǎn)離水力裂縫的天然微裂隙一端也會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。上述特征，可以在圖6 中的水力裂縫與天然微裂隙相互作用主應(yīng)力跡線分布圖中得到詮釋。從圖6 中可以明顯的看到，在兩裂隙區(qū)間及周圍，主應(yīng)力跡線發(fā)生了顯著偏轉(zhuǎn)，在水力裂縫兩端及天然微裂隙上端靠外側(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘垜?yīng)力區(qū)。隨著水力裂隙與天然微裂隙間單元體拉張破壞和轉(zhuǎn)向擴(kuò)展 (圖5c)，水力裂縫與天然微裂隙擴(kuò)展破壞區(qū)最終貫通 (圖5d)。從裂縫擴(kuò)展貫通過(guò)程可以看出，遠(yuǎn)離水力裂縫一端的天然微裂隙翼形破壞區(qū)并非是水力裂縫貫通后的繼續(xù)擴(kuò)展破壞，而是水力裂縫受注水壓力增大及裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致的天然微裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)所誘發(fā)的漸近式拉張破壞行為。

圖5 水力裂縫與非閉合微裂隙相互作用聲發(fā)射圖

圖6 水力裂縫與非閉合微裂隙相互作用主應(yīng)力跡線分布圖

圖7 不同傾角閉合微裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

閉合微裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響顯著區(qū)別與上述非閉合裂隙。不同傾角閉合微裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響模擬結(jié)果(圖7)。從圖上可以看出，在閉合裂隙傾角小于等于75°時(shí)，水力裂隙與閉合裂隙沿襲了相互“吸引”式破壞的特征。然而，當(dāng)裂隙產(chǎn)狀直立時(shí)，水力裂隙徑直擴(kuò)展，直接穿越閉合裂隙。在閉合裂隙影響模擬的聲發(fā)射特征方面，依然延續(xù)了前述非閉合裂隙的特征，無(wú)論是水力裂隙的擴(kuò)展，還是閉合裂隙牽引式的破壞，均以微元體漸漸式張破壞為主要特征。

圖8 天然微裂隙傾角與模型失穩(wěn)的臨界壓力關(guān)系

水力裂縫與不同傾角天然微裂隙擴(kuò)展同樣存在應(yīng)力累積階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和非穩(wěn)定擴(kuò)展3個(gè)典型階段。不同傾角天然微裂隙影響下的水力裂縫起裂壓力一致，但是存在一定的差異。如圖8 所示，對(duì)于閉合裂隙，水力裂縫貫通失穩(wěn)的臨界壓力在小范圍內(nèi)起伏，規(guī)律不明顯。相比之下，對(duì)于非閉合裂隙，當(dāng)天然微裂隙傾角小于60°時(shí)，模型失穩(wěn)的臨界壓力隨天然微裂隙傾角的增大而增大，尤其是傾角小于30°時(shí)增幅比較明顯， 30°到60°區(qū)間增幅變緩，當(dāng)傾角大于60°時(shí)，模型失穩(wěn)的臨界壓力保持一致，不再發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，水力裂隙與天然微裂隙小角度相交時(shí)，有利于水力裂縫的擴(kuò)展和貫通，而大角度相交時(shí)，天然裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的阻礙作用逐漸增強(qiáng)。

2.2 層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展影響

儲(chǔ)層水力壓裂改造形成具有水力聯(lián)系的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中泥頁(yè)巖天然層理結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展及縫網(wǎng)形態(tài)影響十分顯著。為了對(duì)比研究受層理結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征，首先進(jìn)行了無(wú)結(jié)構(gòu)面的非均質(zhì)巖體水力壓裂模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果如圖9 所示。從圖9 中可以看到，無(wú)結(jié)構(gòu)面影響水力壓裂獲取了在圍繞壓裂井的密集裂縫網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槟Ｐ妥畲笾鲬?yīng)力為水平方向，因而橢圓形裂縫區(qū)域的長(zhǎng)軸方向與水平最大主壓應(yīng)力方向一致，裂縫發(fā)育密集，而縱向方面裂縫發(fā)育程度則較低。此外，水力壓裂施工過(guò)程中的壓裂排量大小對(duì)水力壓裂效果的影響，也在研究中得到充分的體現(xiàn)。對(duì)比圖8a和圖9b中不同排量水力壓裂縫網(wǎng)密度和形態(tài)特征發(fā)現(xiàn)，壓裂排量大小與激發(fā)產(chǎn)生的裂縫數(shù)量和改造區(qū)域大小具有正相關(guān)關(guān)系，后續(xù)的模擬所采用的壓裂排量與圖9b相一致。

圖9 無(wú)結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果

圖10 不同傾角單組層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響(孔隙水壓力分布圖)

圖10為不同傾角單組層理結(jié)構(gòu)面影響下的水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果。從圖上可以看出，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)受層理結(jié)構(gòu)面影響十分顯著，壓裂產(chǎn)生的水力裂縫主干網(wǎng)絡(luò)沿層理結(jié)構(gòu)面展布，尤其在層理結(jié)構(gòu)面傾角小于等于60°時(shí)，這一特征最為顯著。當(dāng)層理結(jié)構(gòu)面傾角大于等于75°時(shí)，遠(yuǎn)離壓裂孔的水力裂縫發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)，其擴(kuò)展方向趨同于水平最大主應(yīng)力方向，該特征在圖10f中75°層理結(jié)構(gòu)面模型中體現(xiàn)的最為明顯。在陡傾產(chǎn)狀條件下(圖10f)，水力壓裂孔左側(cè)一開(kāi)始就出現(xiàn)了穿越層理結(jié)構(gòu)面的水力裂縫，而且此裂縫帶與最大主壓應(yīng)力方向一致。由此可見(jiàn)，在緩傾層理結(jié)構(gòu)面控制的壓裂儲(chǔ)層中，層理結(jié)構(gòu)面的走向?qū)λα严兜臄U(kuò)展起控制作用，而隨著層理結(jié)構(gòu)面傾角由緩變陡的過(guò)程中，最大主壓應(yīng)力在控制水力裂縫發(fā)育主控方向方面逐漸發(fā)揮重要影響。

通常情況下，壓裂儲(chǔ)層內(nèi)可能存在兩組或兩組以上的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，原生結(jié)構(gòu)面的交切組合有利于儲(chǔ)層壓裂形成密集和大區(qū)域的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖11 給出了受傾角0°和30°兩組交切結(jié)構(gòu)面影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果。對(duì)比圖10 可以發(fā)現(xiàn)，受兩組交切結(jié)構(gòu)面影響的儲(chǔ)層壓裂產(chǎn)生的水力裂縫數(shù)量和改造區(qū)域明顯要優(yōu)于單組結(jié)構(gòu)面的情形。此外，在研究過(guò)程中也考慮了壓裂儲(chǔ)層地應(yīng)力環(huán)境對(duì)壓裂縫網(wǎng)形態(tài)的影響。在圖11 中，當(dāng)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值σH/σh為1.5時(shí)(水平應(yīng)力12MPa，垂直應(yīng)力8MPa)(圖10a)，水力激發(fā)的裂縫網(wǎng)絡(luò)呈長(zhǎng)橢圓形，長(zhǎng)軸基本上與水平最大主應(yīng)力一致。當(dāng)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值σH/σh為1時(shí)(水平應(yīng)力12MPa，垂直應(yīng)力12MPa)(圖11b)，同等計(jì)算時(shí)步條件下(可表征為水力壓裂持續(xù)時(shí)間)，水力激發(fā)的裂縫網(wǎng)絡(luò)大小要遜于前者，在裂縫數(shù)量減小的同時(shí)，裂縫網(wǎng)絡(luò)區(qū)域形態(tài)趨近圓形。

圖11 不同地應(yīng)力環(huán)境下兩組結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響(孔隙水壓力分布圖)(相同壓裂持續(xù)時(shí)間)

2.3 斷層結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展影響

如前所述，斷層構(gòu)造在儲(chǔ)層封閉性和壓裂開(kāi)采的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題方面都有重要影響。圖12 給出了受斷層帶影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果，壓裂孔分別位于斷層上盤和下盤兩種情況時(shí)，受斷層帶影響的水力壓裂縫網(wǎng)形態(tài)有著明顯的差別。如圖12a所示，當(dāng)壓裂孔位于斷層上盤時(shí)，水力裂縫進(jìn)入斷層帶后會(huì)沿?cái)鄬訋蛏蠑U(kuò)展，極大地提高了水力裂縫的發(fā)育高度。此外，受水平最大主壓應(yīng)力影響，部分裂縫穿越斷層帶沿水平方向擴(kuò)展。當(dāng)壓裂孔位于斷層下盤時(shí)，從圖12b中可以看到，斷層帶的存在對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向產(chǎn)生了明顯影響，水力裂縫沿?cái)鄬訋蛳驴v深擴(kuò)展，同樣受水平最大主壓應(yīng)力影響，部分水力裂縫直接穿越斷層向外擴(kuò)展。相比而言，壓裂孔位于斷層上盤時(shí)，斷層帶對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)和水力改造范圍影響更為顯著。

圖12 斷層帶影響的水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果

為研究斷層帶影響下的水力壓裂破壞滲流過(guò)程，以壓裂孔位于斷層上盤為例，圖13 給出了受斷層帶影響的水力壓裂滲流矢量場(chǎng)。由于本研究模型中預(yù)置的斷層帶滲透性較壓裂儲(chǔ)層滲透性高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而在壓裂初始階段 (圖13a)，沿?cái)鄬訋Х较驖B流矢量表現(xiàn)的比較明顯。隨著壓裂過(guò)程的持續(xù)，壓裂產(chǎn)生的水力裂縫沿?cái)鄬訋нM(jìn)行擴(kuò)展的同時(shí)，產(chǎn)生了穿越斷層破壞帶的滲流矢量分布 (圖13b)。在水力壓裂后期，從圖13c，圖13d中可以看到，壓裂過(guò)程中的水力耦合作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：激發(fā)遠(yuǎn)離斷層一側(cè)的水力破壞，誘發(fā)沿?cái)鄬訋У乃ζ茐暮痛┰綌鄬訋У乃ζ茐摹?/p>

如前所述，水力壓裂施加的排量大小對(duì)儲(chǔ)層縫網(wǎng)的改造范圍具有顯著影響，同樣，壓裂過(guò)程中的排量大小對(duì)斷層的擾動(dòng)方式和擾動(dòng)程度也有一定差異。當(dāng)排量較小時(shí) (圖13a)，壓裂產(chǎn)生的水力裂縫進(jìn)入斷層帶并沿?cái)鄬訋Ф叹嚯x擴(kuò)展后，隨即發(fā)生轉(zhuǎn)向穿越斷層沿水平最大主壓應(yīng)力方向擴(kuò)展。相比之下，當(dāng)排量增大到本文正常采用的排量時(shí) (圖13b)，壓裂產(chǎn)生的水力裂縫沿?cái)鄬訋蛏蠑U(kuò)展的優(yōu)勢(shì)十分明顯。由此可見(jiàn)，在斷層影響區(qū)，低排量壓裂對(duì)于保持?jǐn)鄬臃忾]性，減輕斷層活化范圍和活化程度是比較有效的措施。

圖13 斷層帶影響的水力壓裂滲流矢量場(chǎng)

圖14 低排量壓裂時(shí)水力裂縫與斷層相互作用(最小主應(yīng)力分布云圖)

3 討 論

3.1 天然微裂隙對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

在水力裂縫與天然裂隙相互作用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究，并提出了不同的判別方法。Daneshy(2003， 2004)研究指出天然裂縫的尺寸對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響較大，小尺度的天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響很小，但大尺度的天然裂縫可顯著改變水力裂縫擴(kuò)展的方向。Norman et al.(1963)通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為天然裂縫的方位、強(qiáng)度及主應(yīng)力差是影響水力裂縫與天然裂縫交互行為的主要因素。Blanton(1986)指出水力裂縫與天然裂縫間的差應(yīng)力大小和相交角度是影響水力裂縫擴(kuò)展方向的主要因素。Warpinski et al.(1987)研究指出水力裂縫遇天然裂縫時(shí)，水力裂縫進(jìn)入天然裂縫后，天然裂縫發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致水力裂縫沿其繼續(xù)擴(kuò)展。Renshaw et al.(1995)研究表明，水力裂縫垂直于界面拓展時(shí)，流體會(huì)沿著界面滲透一段距離后突破界面并沿原方向延伸，但只建立了逼近角為90°時(shí)的穿過(guò)判斷準(zhǔn)則。周健等(2008)通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，水力裂縫與天然裂縫間的巖石力學(xué)性質(zhì)、主應(yīng)力差、裂縫面摩擦系數(shù)及兩者逼近角度是決定天然裂縫是否發(fā)生剪切滑移的主要因素。張然等(2014)基于彈性力學(xué)理論建立了水力裂縫穿越天然裂縫的判斷準(zhǔn)則，并給出了給定逼近角情況下水力裂縫穿越天然裂縫的主應(yīng)力比值范圍。程萬(wàn)等(2014)通過(guò)對(duì)三維空間下水力裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)以及天然裂縫面應(yīng)力場(chǎng)分析，建立了水力裂縫穿過(guò)天然裂縫的判別準(zhǔn)則，并采用大尺寸真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了不同產(chǎn)狀天然裂縫、地應(yīng)力對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響。

以往關(guān)于水力裂縫與天然裂縫相互作用研究模型有3個(gè)鮮明特點(diǎn)：(1)在天然裂隙模型方面，幾乎在所有的理論模型和物理模型中，天然裂隙都被假定為閉合裂縫或制作成一定厚度的充填裂縫； (2)在水力裂隙與天然裂縫間距離方面，無(wú)限逼近角的存在實(shí)際上已經(jīng)假定水力裂縫尖端與天然裂縫邊緣處于無(wú)限接近狀態(tài)； (3)在水力裂縫擴(kuò)展接近和進(jìn)入天然裂縫內(nèi)的過(guò)程方面，理論模型中都假定水力裂隙沿遠(yuǎn)場(chǎng)水平最大主應(yīng)力方向直線擴(kuò)展?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，以往研究趨同于認(rèn)為，水力裂縫遭遇天然裂縫時(shí)存在兩類情況：一種是水力裂縫直接穿過(guò)天然裂隙擴(kuò)展，另一種是水力裂縫首先進(jìn)入天然裂隙，裂縫內(nèi)孔隙水壓力增大導(dǎo)致其剪切破壞，然后水力裂隙沿其擴(kuò)展并在其端部轉(zhuǎn)為翼形擴(kuò)展。因此，逼近角度、水平應(yīng)力差往往被視為水力裂縫穿越天然裂縫或?qū)е绿烊涣严都羟衅茐牡年P(guān)鍵因素，并以此確定臨界逼近角或臨界水平應(yīng)力差。

圖15 水力裂縫擴(kuò)展與閉合裂隙和非閉合裂隙相互作用貫通示意圖

然而，通過(guò)大量模擬試驗(yàn)研究表明，天然裂縫的長(zhǎng)度、閉合性，以及與水力裂縫間的距離這些因素，都會(huì)顯著改變兩裂縫間巖體及裂縫周圍應(yīng)力場(chǎng)的分布，繼而產(chǎn)生與以往研究不同的裂縫相互作用機(jī)理和貫通模式。本研究將尺寸較大的結(jié)構(gòu)面歸為層理和斷層結(jié)構(gòu)面影響，此處的天然微裂隙與水力裂縫尺寸相同，從兩者相互作用模型的幾何尺寸來(lái)講，與以往模型是相似的。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，受水力裂隙擴(kuò)展尖端應(yīng)力場(chǎng)重分布及非閉合裂隙對(duì)局部應(yīng)力場(chǎng)的影響，當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展靠近有限尺寸非閉合裂隙時(shí)，水力裂縫擴(kuò)展尖端與非閉合裂隙間的主應(yīng)力跡線會(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn) (圖6b)。在水力裂縫靠近非閉合裂隙一端，最大主應(yīng)力趨同于兩裂縫尖端連線的方向，而且最小主應(yīng)力也由此前的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉張應(yīng)力。從圖5 中可以看出，正是由于水力裂縫尖端密集張破壞與非閉合裂隙間微元體累進(jìn)性的張破裂的發(fā)展，才最后導(dǎo)致了水力裂縫與天然非閉合裂隙的貫通，而且這一規(guī)律體現(xiàn)在多種典型的邊界應(yīng)力環(huán)境下。此外，正如聲發(fā)射過(guò)程圖5 和應(yīng)力場(chǎng)圖6 所示，在遠(yuǎn)離水力裂縫的非閉合裂隙一端，由于受非閉合裂隙周圍應(yīng)力場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)影響，最小主應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉張應(yīng)力。在水力裂隙與非閉合裂隙未貫通前，遠(yuǎn)離水力裂縫的非閉合裂隙一端就已經(jīng)逐漸產(chǎn)生了拉張破壞區(qū)，并非是水力裂縫與天然裂隙貫通后的水力裂隙擴(kuò)展所致。

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的概化，可建立水力裂隙與天然微裂隙相互作用貫通模式簡(jiǎn)易示意圖 (圖15)。除直立裂隙外，無(wú)論是閉合還是非閉合微裂隙，水力裂隙與微裂隙相互作用和貫通模式相近，不同之處在于閉合裂隙貫通后容易出現(xiàn)沿著天然裂隙的分叉擴(kuò)展行為。對(duì)于直立裂隙來(lái)講，只有閉合裂隙才存在水力裂隙徑直穿過(guò)的情況，非閉合直立裂隙依然沿襲陡傾非閉合裂隙貫通擴(kuò)展模式?？偠灾?，圖15 歸納出了水力裂隙與天然裂隙相互作用的3個(gè)典型破壞區(qū)：(1)貫通區(qū)-水力裂縫與微裂隙間累進(jìn)性張破壞區(qū)； (2)微裂隙尖端擴(kuò)展區(qū)-裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)所誘發(fā)的漸近式張破壞區(qū)； (3)分叉擴(kuò)展區(qū)-水力裂縫貫通閉合裂隙后，沿微裂隙繼續(xù)擴(kuò)展過(guò)程中流體壓力大于小主應(yīng)力與巖石抗拉強(qiáng)度之和出現(xiàn)的穿出破壞區(qū)。

3.2 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)水力破壞與壓裂縫網(wǎng)形態(tài)的影響

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的層理、天然裂縫等非連續(xù)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的存在是儲(chǔ)層水力壓裂改造形成復(fù)雜水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的前提。由于天然結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于巖石基質(zhì)的強(qiáng)度，因而在高水壓力作用下，天然結(jié)構(gòu)面的法向拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)面會(huì)優(yōu)先發(fā)生張拉破壞。高壓流體進(jìn)入天然結(jié)構(gòu)面后，存在繼續(xù)以張拉破壞為機(jī)制的水力擴(kuò)展行為，也存在主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)、儲(chǔ)層非均質(zhì)缺陷等因素影響下的剪切破壞或轉(zhuǎn)向、分叉等復(fù)雜力學(xué)行為。

盡管目前針對(duì)水力裂縫與天然裂縫相互作用機(jī)制的研究較多，但都集中于單一水力裂縫與一條天然裂縫相互作用的研究。針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層層理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響研究不多，例如，李芷等(2015)依據(jù)Chuprakov et al.(2010)認(rèn)為的層理面非對(duì)稱性張開(kāi)模型，建立了層理面張-剪破壞的理論模型，定義了量綱化的張開(kāi)區(qū)長(zhǎng)度和剪切區(qū)長(zhǎng)度，并認(rèn)為層理剪切區(qū)為流體提供主要導(dǎo)流通道，然而該研究只是基于理論模型，缺乏關(guān)于水力裂縫與層理面相互作用的張破壞和剪破壞區(qū)實(shí)證。孫可明等(2016)基于擴(kuò)展有限元法對(duì)層理結(jié)構(gòu)面影響下的水力壓裂進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)層理法向與最小地應(yīng)力方向夾角增加時(shí)，形成的裂紋面積減小，但該研究?jī)H是對(duì)單個(gè)層理面的擴(kuò)展研究，沒(méi)有考慮成組節(jié)理面的協(xié)同效應(yīng)和差應(yīng)力對(duì)層理擴(kuò)展的影響。許丹等(2015)針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中具有一定厚度的紋層結(jié)構(gòu)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響進(jìn)行了研究，紋層結(jié)構(gòu)較薄時(shí)可視為儲(chǔ)層巖體層理結(jié)構(gòu)面，但其試驗(yàn)激發(fā)的主裂縫空間展布并非緊密圍繞壓裂井，弱紋層結(jié)構(gòu)面也未成為主水力裂縫通道。衡帥等(2015)研究了受頁(yè)巖層理影響的斷裂韌性各向異性研究，并進(jìn)行了頁(yè)巖水力壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了層理結(jié)構(gòu)面在壓裂縫網(wǎng)形成中的誘導(dǎo)和控制作用。從上述研究可以看出，以往關(guān)于層理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響主要集中在物理模擬方面，相比于小尺度樣品壓裂，甚至是相似材料壓裂試驗(yàn)，真三軸大尺度頁(yè)巖水力壓裂試驗(yàn)在反映層理結(jié)構(gòu)面對(duì)壓裂縫網(wǎng)形成過(guò)程中的影響和控制作用更為顯著和真實(shí)。此外，在數(shù)值模擬方面，由于水力壓裂裂縫擴(kuò)展是一種非穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)展(Daneshy， 2004)，目前具備模擬多結(jié)構(gòu)面影響下的水力壓裂破壞的模擬方法和軟件十分稀少。門曉溪等(2013)采用RFPA軟件研究了頁(yè)巖層理面對(duì)水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的影響和控制作用，該研究采用緩慢的水頭加載方法模擬壓裂過(guò)程，相對(duì)而言是一種靜態(tài)加載壓裂過(guò)程，與真實(shí)的大排量快速動(dòng)態(tài)水力壓裂破裂機(jī)制有別。本研究是基于排量法模擬真實(shí)壓裂過(guò)程，并建立了多組層理結(jié)構(gòu)面模型，從模擬結(jié)果圖10 和圖11 來(lái)看，它反映的層理結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的控制作用更為顯著。

圖16 單組層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響

圖17 頁(yè)巖氣水力壓裂造成的巖體破壞、斷層活動(dòng)和(微)地震來(lái)源(a)，北美頁(yè)巖氣產(chǎn)量與頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂誘發(fā)地震次數(shù)關(guān)系圖(b)

由于儲(chǔ)層中弱結(jié)構(gòu)面的抗張、抗剪強(qiáng)度都往往要低于巖石基質(zhì)的抗張、抗剪強(qiáng)度，因而在水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，天然弱結(jié)構(gòu)面更易于優(yōu)先破壞，導(dǎo)致水力裂縫順其擴(kuò)展而溝通更遠(yuǎn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)面。在巖石破壞中，張破壞機(jī)制發(fā)揮著重要作用。高水壓力作用下，壓裂巖體局部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大改變，當(dāng)空隙水壓力超過(guò)最小主應(yīng)力σ3與巖石的抗拉強(qiáng)度之和時(shí)，在垂直于σ3方向，裂縫起裂形成張開(kāi)型裂縫，非均質(zhì)巖石單元體微觀張破壞累積和貫通往往會(huì)導(dǎo)致巖石最終的宏觀剪切破壞。正如圖16 所示，在水力裂縫沿層理結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展過(guò)程中，水力裂縫擴(kuò)展尖(前)端最小主應(yīng)力均為拉張應(yīng)力，而且其對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射圖上可以看出，水力裂縫沿層理面擴(kuò)展過(guò)程中，層理面的破壞以張破壞為主，剪破壞僅零星分布(見(jiàn)圖16b右上白色圈點(diǎn)分布)。然而，在實(shí)際壓裂過(guò)程中，巖石裂隙結(jié)構(gòu)的張-剪混合型破裂是十分普遍的。在局部應(yīng)力場(chǎng)中，水力裂縫很有可能在空隙水壓力未達(dá)到σ3時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了剪破壞。水力壓裂形成的裂縫開(kāi)度方面，張破壞形成的水力裂縫往往會(huì)因壓力的消散而發(fā)生不同程度的閉合，而剪切破壞形成的水力裂縫其開(kāi)度會(huì)得以較好的保持，因此，水力壓裂過(guò)程中剪切破壞為主導(dǎo)的裂隙網(wǎng)絡(luò)則是最有利于頁(yè)巖氣的滲流和產(chǎn)出的水力縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Colleen Barton， 2009; Ellsworth， 2013)。此外，從圖8 所反映的不同傾角單組層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響來(lái)看，水力裂縫在起裂擴(kuò)展初期都是沿著層理弱結(jié)構(gòu)面起裂的。本文模型中的最大主壓應(yīng)力為水平方向，層理結(jié)構(gòu)面傾角較小時(shí)，主水力裂縫沿層理結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展，反映出了層理面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的重要影響和控制作用。隨著層理面傾角的增大，水力裂縫擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)方向受層理走向控制逐步減弱，受水平最大主壓應(yīng)力影響逐步增強(qiáng)，裂縫開(kāi)始貫穿層理結(jié)構(gòu)面，發(fā)生轉(zhuǎn)向、分叉等形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)壓裂儲(chǔ)層受兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面影響時(shí)，如圖11 所示，總體上壓裂形成的主水力縫網(wǎng)仍沿原有的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面張開(kāi)而擴(kuò)展，而且較高的差應(yīng)力環(huán)境有利于壓裂裂縫的形成和改造區(qū)域的擴(kuò)大。

3.3 水力壓裂對(duì)斷層活動(dòng)性和封閉性的影響

儲(chǔ)層壓裂區(qū)斷層的存在會(huì)對(duì)水力壓裂縫網(wǎng)形態(tài)和壓裂效率產(chǎn)生不利影響，而且水力壓裂也會(huì)對(duì)斷層局部的封閉性產(chǎn)生一定影響。如圖17 所示，斷層帶作為一種大尺度的結(jié)構(gòu)面，由于其內(nèi)部物質(zhì)抗拉、抗壓強(qiáng)度均小于儲(chǔ)層巖石基質(zhì)，因而當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展進(jìn)入斷層帶后，容易引發(fā)斷層結(jié)構(gòu)的水力破壞，極大提高裂縫的發(fā)育高度的同時(shí)，可能會(huì)造成大尺度斷裂結(jié)構(gòu)活化和誘發(fā)地震等問(wèn)題(BC Oil and Gas Commission， 2012)，導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)局部封閉性失效(Ellsworth， 2013)，為油氣和壓裂液向上運(yùn)移提供通道(Myers， 2012)，繼而可能威脅淺表地下水和生態(tài)環(huán)境(Vidic et al.，2013； Brantley et al.，2014)。

斷層封閉性是指斷層對(duì)油氣的封閉能力(呂延防等， 2005)，以往對(duì)斷層封閉性的研究主要集中在斷層結(jié)構(gòu)和物性方面(俞凌杰等， 2011)，是一種靜態(tài)條件下的斷層原始封閉性的研究(黃學(xué)等， 2008)。傳統(tǒng)油氣開(kāi)發(fā)中，泥頁(yè)巖作為油氣封閉蓋層，在頁(yè)巖氣中泥頁(yè)巖作為儲(chǔ)層時(shí)，封閉機(jī)制發(fā)生改變。從工程地質(zhì)力學(xué)研究的角度，頁(yè)巖儲(chǔ)層中的斷層封閉性主要是以斷層垂向滲透性為主要研究對(duì)象。在本文中，如圖12 和圖13 所示，受水力壓裂影響，在水力壓裂影響范圍內(nèi)，水力裂縫沿?cái)鄬訋U(kuò)展，斷層垂向滲透性增強(qiáng)，成為快速滲流的通道。

由于儲(chǔ)層壓裂區(qū)域地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造條件和壓裂參數(shù)的差異，高壓流體時(shí)常會(huì)誘發(fā)尺寸較大斷層結(jié)構(gòu)的剪切活化，導(dǎo)致斷層封閉性失效。大尺度斷層結(jié)構(gòu)的活化不僅會(huì)影響水力裂隙的擴(kuò)展方向和范圍，還會(huì)誘發(fā)能級(jí)較高的地震活動(dòng)。如圖17 所示，近年來(lái)，北美頁(yè)巖氣產(chǎn)量與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的地震次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中，有幾例與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力壓裂活動(dòng)有關(guān)聯(lián)的、地震震級(jí)高于常規(guī)壓裂微地震震級(jí)的地震事件，例如， 2011年英國(guó)Blackpool附近的Preese Hall頁(yè)巖氣井區(qū)相繼發(fā)生了兩起顯著的地震活動(dòng)事件，震級(jí)分別為1.5和2.3級(jí)，Depater et al.(2011)通過(guò)場(chǎng)地調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，壓裂范圍內(nèi)存在一個(gè)先前未曾探明的隱伏斷層，壓裂流體進(jìn)入到該隱伏斷層誘發(fā)了斷層活化； 在2011年1月，位于美國(guó)俄克拉荷馬州的Eola field頁(yè)巖氣井區(qū)，在壓裂作業(yè)后的24h內(nèi)發(fā)生了43起震級(jí)1.0～2.8級(jí)的地震活動(dòng)，震中分布在壓裂井周圍5km內(nèi)，俄克州地調(diào)局通過(guò)場(chǎng)地調(diào)查和室內(nèi)壓力擴(kuò)散物理模型研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在發(fā)震時(shí)間上還是在空間上，該地震活動(dòng)都與水力壓裂作業(yè)有著密切的聯(lián)系(Holland， 2011)； 賓夕法尼亞州的Marcellus頁(yè)巖是美國(guó)最主要的頁(yè)巖氣田之一，該頁(yè)巖氣田所在區(qū)域的天然地震活動(dòng)屬于較低水平，但自2005壓裂作業(yè)以來(lái)，密集發(fā)生了6起2.0級(jí)以上的顯著地震事件，最大震級(jí)2.3級(jí)(Ellsworth， 2013)，地震活動(dòng)的位置和時(shí)間都顯示出了與壓裂作業(yè)的高度相關(guān)性(Kim， 2013)； 此外， 2009年加拿大西部Hom River Basin頁(yè)巖氣田也發(fā)生了一系列顯著的地震事件，最大震級(jí)3.6級(jí)(BC Oil and Gas Commission， 2012)； BC油氣委員會(huì)研究發(fā)現(xiàn)(BC Oil and Gas Commission， 2012)，在壓裂井附近發(fā)育多條斷層，水力壓裂過(guò)程中高壓流體侵入斷層帶，處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層發(fā)生活化破裂產(chǎn)生了地震活動(dòng)。

在流體壓力作用下的斷層活化破裂的力學(xué)機(jī)理上，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂工程與其他傳統(tǒng)注入工程觸發(fā)的地震活動(dòng)是相似的，都可以從有效應(yīng)力模型中得到解釋。傳統(tǒng)深部注入工程曾經(jīng)誘發(fā)的地震活動(dòng)相對(duì)較為強(qiáng)烈，例如美國(guó)Rock Mountain Arsenal污水回注誘發(fā)的地震活動(dòng)最高震級(jí)達(dá)4.8級(jí)(1967.8)(Ellsworth， 2013)，美國(guó)Paradox Valley咸水回注誘發(fā)的地震活動(dòng)最高震級(jí)達(dá)4.3級(jí)(2005.5)(Ellsworth， 2013)，這些誘發(fā)地震都已經(jīng)達(dá)到了破壞性地震的標(biāo)準(zhǔn)(Gutenberg et al.，2010)。但是，相比于傳統(tǒng)深部注入工程，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂具有如下幾個(gè)主要方面的特點(diǎn)：(1)盡管壓裂流體注入率高，但分段壓裂過(guò)程短，通常持續(xù)2個(gè)小時(shí)左右(DOE， 2013; Rutqvist， 2013)； (2)由于壓裂持續(xù)時(shí)間很短而且是局部的，因此在低滲透性巖層中，流體壓力擴(kuò)散僅在離水力裂縫很近的區(qū)域(Smith et al.，2000)； (3)相比于傳統(tǒng)深部注入工程，水力壓裂向地層中注入的流體體積很小，而且還有一部分壓裂液返排至地表(DOE， 2013)，因此，地層內(nèi)總體凈注入體積??； (4)大部分具備工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣(Curtis， 2002; Bowker， 2007)儲(chǔ)層厚度多在數(shù)十米范圍內(nèi)，儲(chǔ)層厚度小埋深大，壓裂對(duì)地層應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)限制在局部范圍； (5)考慮到具備工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的保存條件(聶海寬等， 2012)，目標(biāo)壓裂區(qū)存在處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的深大斷層的可能性極??； (6)由地震震級(jí)能量關(guān)系知，相鄰兩個(gè)地震震級(jí)間能量約為32倍(Hanks et al.，1979; Gutenberg et al.，2010)，激發(fā)處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層發(fā)生更高能級(jí)的地震活動(dòng)需要穩(wěn)定和持續(xù)的高壓注入支撐。簡(jiǎn)言之，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力壓裂雖然會(huì)誘發(fā)小尺度斷層結(jié)構(gòu)的活化破裂和微地震活動(dòng)，但是壓裂作業(yè)區(qū)很難兼?zhèn)溆|發(fā)破壞性地震的地質(zhì)條件和能量支撐條件。目前數(shù)起與頁(yè)巖氣水力壓裂有關(guān)地震震級(jí)都較小，震級(jí)在2.0級(jí)左右，最大為3.6級(jí)，未產(chǎn)生破壞或?qū)ιa(chǎn)設(shè)施等構(gòu)成威脅。相比于全球每年1.3×105次3.0～3.9級(jí)，及1.3×106次2.0～2.9級(jí)(US Geological Survey， 2015)的天然地震，頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂引起的斷裂活化和觸發(fā)地震影響是很小的。

當(dāng)壓裂區(qū)內(nèi)斷層帶發(fā)生活化時(shí)，水力裂縫沿?cái)鄬訋У陌l(fā)育高度可作為斷層活化范圍的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖18 所示，目前研究表明，與斷層發(fā)生活化有關(guān)的水力裂隙發(fā)育高度可達(dá)正常高度的1～2倍，其中大于350m的約占1%(Davies et al.，2012)。在本文的研究中，對(duì)比圖8b和圖11a可以發(fā)現(xiàn)，水力裂縫沿?cái)鄬訋蛏蠑U(kuò)展，受斷層影響的水力裂縫發(fā)育高度基本為正常值的2倍，與以往文獻(xiàn)研究高度一致。另外，根據(jù)(Warpinski et al.，2012)提供的地震震級(jí)、能量及滑動(dòng)面積、滑動(dòng)半徑及位移量關(guān)系可以的出，水力壓裂激發(fā)小尺度節(jié)理裂隙縫網(wǎng)活化產(chǎn)生的微地震(震級(jí)<-1.0)，剪切活化半徑在11m以內(nèi)甚至更小尺度內(nèi)，而由斷層活化觸發(fā)較高能級(jí)地震活動(dòng)時(shí)，剪切活化區(qū)域僅在僅在百米左右，相比2000～3000m的儲(chǔ)層埋深，斷層活化范圍也只是局部性的。由此可見(jiàn)，盡管壓裂誘發(fā)的斷層活化可以增大水力裂隙縱向擴(kuò)展的高度，但其縱向活化破壞的范圍還是十分有限的。

圖18 斷層影響下的水力裂隙發(fā)育高度影響模型、實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果及模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

本文對(duì)不同尺度巖體結(jié)構(gòu)面影響下的水力壓裂裂縫擴(kuò)展行為及規(guī)律進(jìn)行了模擬分析和討論，得出以下主要結(jié)論：

(1)儲(chǔ)層巖體中的天然裂隙是水力壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，水力裂縫與一定距離范圍內(nèi)的非閉合裂隙相互作用機(jī)制和貫通模式有別于天然閉合裂隙。受水力裂隙擴(kuò)展尖端應(yīng)力場(chǎng)重分布及非閉合裂隙對(duì)局部應(yīng)力場(chǎng)的影響作用，在水力裂縫靠近非閉合裂隙區(qū)域，主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成拉張應(yīng)力區(qū)，水力裂縫與非閉合裂隙間微元體的累進(jìn)性張拉破壞，最終導(dǎo)致了水力裂縫與天然非閉合裂隙的貫通。此外，遠(yuǎn)離水力裂縫一端的非閉合裂隙翼形破壞區(qū)并非水力裂縫貫通后的繼續(xù)擴(kuò)展破壞，而是孔隙水壓力增大及水力裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致的天然裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)所誘發(fā)的漸漸式拉張破壞行為。

(2)層理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制及縫網(wǎng)形態(tài)影響十分顯著，當(dāng)水平地應(yīng)力為最大主壓應(yīng)力時(shí)，緩傾層理結(jié)構(gòu)面對(duì)水力裂隙的擴(kuò)展起主要作用，隨著層理結(jié)構(gòu)面傾角的增大，最大主壓應(yīng)力在水力裂縫擴(kuò)展方向方面逐漸發(fā)揮重要影響，水力裂縫逐漸出現(xiàn)貫穿層理結(jié)構(gòu)面、轉(zhuǎn)向、分叉等行為，形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)壓裂儲(chǔ)層受多組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面影響時(shí)，主水力縫網(wǎng)仍以優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面張開(kāi)擴(kuò)展為主，較高的差應(yīng)力環(huán)境有利于縫網(wǎng)的形成和儲(chǔ)層改造區(qū)域的增大。

(3)作為大尺度的軟弱結(jié)構(gòu)面，斷層結(jié)構(gòu)對(duì)水力壓裂縫網(wǎng)形態(tài)和壓裂開(kāi)采的環(huán)境效應(yīng)方面都有重要影響，然而相比于傳統(tǒng)深部流體注入工程而言，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力壓裂是一種局部范圍內(nèi)的短暫動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程，盡管斷層的存在可以影響水力裂縫的擴(kuò)展模式，增大水力裂隙縱向擴(kuò)展的高度，但是相比于儲(chǔ)層埋深，水力壓裂對(duì)斷層封閉性的破壞范圍和斷層活動(dòng)性的影響程度是十分有限的。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 1008- 08

INFLUENCE OF DIFFERENT SCALES OF STRUCTURAL PLANES ON PROPAGATION MECHANISM OF HYDRAULIC FRACTURING

In shale gas reservoirs， natural rock mass structural planes usually have significant influences on hydraulic fracturing treatment. This study uses the RFPA2D-Flow program. It considers the coupling seepage-stress-failure process of crack initiation， propagation， and damage. It simulates hydraulic fracturing process of rock mass in heterogeneous rock mass with different scales of natural structural planes. Though numerical simulation and discussion， the main conclusions can be drawn as follows：(1)When a hydraulic fracture encounters a natural unclosed crack， the principal stress trajectories would be deflected and a tensile stress zone would be created between the hydraulic fracture and the natural crack due to the increased pore pressure and propagation of the hydraulic fracture. Thus， the emergence and coalescence of tensile failure of the micro-units eventually causes the connection between the hydraulic fracture and the natural crack.(2)Bedding planes have pronounced effects on hydraulic fracturing. When the strikes of the maximum principal stress and the bedding planes intersect at a small angle， the bedding planes control the propagation of the hydraulic fractures. Otherwise， both the maximum principal stress and the bedding planes dominate the expansion of the fracture network. In addition， with the increase in structural planes and differential stresses， the scope and complexity of the stimulated fracture network increase simultaneously.(3)Hydraulic fracturing treatment is a short dynamic damage process. Although the existing of a fault structure can greatly affect the propagation model of the hydraulic fracturing and enhance the growth height of the hydraulic fracture， the damage to fault sealing capacity and activity caused by hydraulic fracturing is still limited compared with the depth of the reservoir.

Shale gas， Hydraulic fracturing， Structural plane， Fault， Fracture network

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.031

2016-06-06;

2016-07-27.

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)(XDB10030602)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372325， 41372323， 41402280)資助.

趙海軍(1981-)，男，博士，副研究員，從事工程地質(zhì)與巖石力學(xué)方面的研究. Email: zhaohaijun@mail.iggcas.ac.cn

TE371

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