梁利喜, 黃 靜, 劉向君, 朱洪林, 朱哲顯

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，成都 610500)

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天然裂縫對頁巖儲層網(wǎng)狀誘導(dǎo)縫的控制作用

梁利喜, 黃 靜, 劉向君, 朱洪林, 朱哲顯

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，成都 610500)

頁巖地層只有借助體積改造技術(shù)形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)，而網(wǎng)狀裂縫形成的必要條件是誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向。借助RFPA2D數(shù)值仿真軟件，從巖石力學(xué)角度出發(fā)開展誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向規(guī)律的機(jī)理研究。結(jié)果表明，天然裂縫的長度、走向等都會影響誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的難易程度，裂縫長度越大、與最大主應(yīng)力夾角越小，發(fā)生轉(zhuǎn)向的可能性越大；其次，誘導(dǎo)縫起裂的角度也會影響其轉(zhuǎn)向，起裂方位與最大主應(yīng)力夾角越大，誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向越容易。文章還分析了復(fù)雜裂縫性地層誘導(dǎo)縫延伸規(guī)律，直觀地再現(xiàn)了誘導(dǎo)縫依次打開天然裂縫并分叉的現(xiàn)象，并證明了只有誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向才可能形成復(fù)雜誘導(dǎo)縫體系。

頁巖；網(wǎng)狀裂縫；天然裂縫；體積改造；數(shù)值模擬

中國天然氣的需求量越來越大，當(dāng)前常規(guī)氣藏開采難度越來越高，頁巖氣是一種非常理想的能源補(bǔ)給方式。國際上針對頁巖氣給予了高度重視，繼美國成功開發(fā)頁巖氣以來，中國、德國等國家相繼加入了頁巖氣勘探開發(fā)行列。然而，中國經(jīng)過近幾年的不斷努力，頁巖氣開發(fā)方面卻不盡人意，一方面是由于鉆長水平井段帶來的嚴(yán)重井壁失穩(wěn)的問題，另一方面是儲層改造過程不能形成理想的復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。導(dǎo)致改造效果不理想的根本原因是對裂縫形態(tài)不能實(shí)現(xiàn)有效控制，即對裂縫形成機(jī)制和延伸規(guī)律本質(zhì)沒有認(rèn)識清楚，因此，對誘導(dǎo)縫延伸的理論研究顯得格外重要。

頁巖地層中發(fā)育大量的天然裂縫，眾多研究表明天然裂縫對誘導(dǎo)縫形成和發(fā)展有影響。唐書恒等人發(fā)現(xiàn)煤巖中高度發(fā)育的天然裂縫影響著水力裂縫的起裂位置和起裂壓力，水力裂縫延伸以及復(fù)雜程度主要受水平地應(yīng)力差的控制[1]。周健等人采用大尺寸真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了多裂縫儲層水力裂縫受天然裂縫干擾后裂縫形態(tài)的分析，逼近角、水平主應(yīng)力差和裂縫面摩擦系數(shù)都會影響裂縫擴(kuò)展，逼近角和水平主應(yīng)力差是主要因素[2]。趙金洲等人基于等效平面裂縫思想建立了裂縫性地層人工裂縫沿天然裂縫非平面轉(zhuǎn)向延伸的數(shù)學(xué)模型，并分析了水平地應(yīng)力差、逼近角、施工排量、壓裂液黏度等因素對縫寬的影響[3]；隨后又提出裂縫性地層射孔井水力裂縫破裂有3種模式：沿孔眼壁面巖石本體破裂、沿天然裂縫剪切破裂與沿天然裂縫張性破裂，考慮到可能發(fā)生的這3種破裂模式，建立了裂縫性地層射孔井破裂壓力計(jì)算模型[4]。H.Gu等人提出了人工裂縫與天然裂縫非正交時，人工裂縫穿過天然裂縫還是沿天然裂縫剪切滑移的判斷準(zhǔn)則，在理論和實(shí)驗(yàn)室物理模擬條件下均證實(shí)了水平主應(yīng)力差和逼近角對延伸模式有很大影響[5]。C.Cipolla等人發(fā)現(xiàn)天然裂縫系統(tǒng)對復(fù)雜裂縫幾何形狀有很重要的影響，天然裂縫間距減小，裂縫復(fù)雜程度增加，得到更小的改造體積，天然裂縫長度會影響改造區(qū)域的寬度，隨著天然裂縫長度變短，裂縫網(wǎng)絡(luò)的寬度大幅度減小[6]。S.R.Roberto等人在實(shí)驗(yàn)室條件下分析了圍壓、逼近角、節(jié)理面粗糙度、流體注入速度對壓裂裂縫延伸、在節(jié)理中傳播距離、裂縫分支等方面的影響，得出粗糙度影響裂縫在節(jié)理中延伸的長度，高的注入速度有利于裂縫分支，接觸角偏向45°增加了沿節(jié)理的延伸長度，但這也不是唯一的影響因素[7]。J.E.Olson等人也開展了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，清楚地觀察到了人工壓裂縫繞過天然裂縫、穿過天然裂縫、沿天然裂縫轉(zhuǎn)向以及綜合的延伸模式，指出裂縫性地層誘導(dǎo)縫延伸受到天然裂縫的影響非常復(fù)雜[8]。

本文借助RFPA-Flow二維軟件，在已完成的頁巖地層誘導(dǎo)縫起裂研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展天然裂縫的影響下裂縫延伸規(guī)律研究，完善誘導(dǎo)縫形成機(jī)制理論。

1 RFPA數(shù)值計(jì)算原理

東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心致力于巖石破裂過程數(shù)值研究已20余年，成功研發(fā)出一套巖石破裂與失穩(wěn)分析系統(tǒng)(rock failure process analysis,簡稱RFPA)。RFPA軟件引入Weibull分布函數(shù)來描述巖石介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，進(jìn)而建立統(tǒng)計(jì)損傷的本構(gòu)關(guān)系；同時，借用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法處理物理非連續(xù)介質(zhì)問題，最終實(shí)現(xiàn)了各向異性非均質(zhì)巖石介質(zhì)破壞全過程的數(shù)值模擬[9]。本文涉及的RFPA2D-Flow(RFPA二維滲流版軟件)為其中一個版本，該軟件考慮了巖石破壞過程中的滲流與應(yīng)力耦合[10]。

2 數(shù)值計(jì)算基本模型的建立

選用某區(qū)塊硬脆性頁巖在實(shí)驗(yàn)室測得的巖石物性參數(shù)，確定出模型物性參數(shù)(表1)。

接下來是考慮模型邊界效應(yīng)、模擬效果，以及內(nèi)外邊界條件，建立完整井眼且不存在裂縫的二維井眼數(shù)值計(jì)算基本模型，地層中存在弱結(jié)構(gòu)面的情況只需進(jìn)一步添加裂縫即可。模型大小為2 m×2 m，劃分為600×600=360 000個網(wǎng)格，井眼半徑20 mm，垂向有效地應(yīng)力σ2=36.75 MPa，水平有效地應(yīng)力σ1=51.45 MPa，井筒內(nèi)初始液壓p0為60 MPa，井筒內(nèi)壓單步增量為1 MPa，建立的井壁無裂縫的二維數(shù)值模型如圖1所示，模型中顏色深淺代表單元力學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)弱。

表1 數(shù)值模型參數(shù)表

Table 1 Parameters for numerical model

均質(zhì)度：m2彈性模量：E/MPa30800單軸抗壓強(qiáng)度：σc/MPa170內(nèi)摩擦角：φ/(°)40泊松比：μ0．28孔隙度：q/%1．9滲透率：K/10-3μm20．000007

3 誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向規(guī)律研究

目前研究結(jié)果均表明，誘導(dǎo)縫依次打開遇到的天然裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向是形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)的前提[11-12]。

圖1 井壁無裂縫模型受力示意圖Fig.1 Sketch of numerical model showing no fractures in walls

3.1 井周天然裂縫對誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的影響

誘導(dǎo)縫在發(fā)展過程中遇到的天然裂縫性質(zhì)不同，誘導(dǎo)縫沿其轉(zhuǎn)向的難易程度也不同。該部分分別對井周天然裂縫的夾角、長度進(jìn)行分析。

3.1.1 裂縫夾角對誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的影響

在遠(yuǎn)離井眼的一定區(qū)域分布一條長度為4倍井徑的天然裂縫，天然裂縫下端點(diǎn)位于同一位置，裂縫走向與最大主應(yīng)力呈不同夾角，裂縫力學(xué)性質(zhì)按基質(zhì)的1/4折減，圖2為幾個特殊角度下的模型近井放大示意圖。

圖3為井筒內(nèi)液體載荷逐步增加得到的最終誘導(dǎo)縫形態(tài)，從圖中看出井周天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角影響誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向規(guī)律。夾角較大時，誘導(dǎo)縫穿過天然裂縫仍保持沿最大主應(yīng)力方向發(fā)展，夾角減小至75°，誘導(dǎo)縫開始打開天然裂縫沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。在此特定條件下，誘導(dǎo)縫剛好沿井周天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的裂縫臨界夾角為75°。因此，井眼軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到井周裂縫走向，裂縫與最大主應(yīng)力夾角較小的區(qū)域有利于誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向，從而形成復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。

圖2 井周天然裂縫不同夾角近井放大模型Fig.2 Amplificatory model around borehole of natural fractures at different angles

圖3 井周裂縫夾角對誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的影響Fig.3 Effect of angles of natural fractures on extension of induced fractures

3.1.2 裂縫長度對誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的影響

建立井周天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角成70°，裂縫長度分別為井徑的2倍、3倍、4倍與5倍的系列模型，如圖4所示。根據(jù)圖5得到的模擬結(jié)果，裂縫相同夾角下，長度越大，誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向的程度越高；反之，裂縫長度越短，其轉(zhuǎn)向程度越低。

3.2 起裂方位對誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的影響

除去井周裂縫性質(zhì)會影響誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向，當(dāng)誘導(dǎo)縫沿井壁裂縫起裂時，起裂方位也會影響誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向發(fā)生的難易程度。

圖4 井周裂縫不同長度系列模型Fig.4 Natural fracture models in different length

圖5 不同裂縫長度模擬結(jié)果Fig.5 Simulation of natural fracture model in different length

3.2.1 沿井壁0°裂縫起裂

井筒最大主應(yīng)力方向分布長度為井徑2倍的天然裂縫，同時在離裂縫尖端一定距離處存在另一天然裂縫，該天然裂縫與最大主應(yīng)力方向成不同角度。部分模型近井局部放大圖見圖6。

模擬結(jié)果(圖7)可以清楚看出，誘導(dǎo)縫沿井壁最大主應(yīng)力方向裂縫起裂，井周天然裂縫被打開也存在一個臨界角度。在該地應(yīng)力、裂縫分布規(guī)律以及模型參數(shù)的前提下，臨界夾角為69°，裂縫與最大主應(yīng)力夾角大于該臨界角度，誘導(dǎo)縫傾向于穿過天然裂縫；裂縫夾角小于該角度時，誘導(dǎo)縫打開天然裂縫沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。

3.2.2 沿井壁45°裂縫起裂

前一部分的大量模擬顯示，誘導(dǎo)縫在井壁裂縫尖端將偏向最大主應(yīng)力方向發(fā)展，故在井壁裂縫尖端沿最大主應(yīng)力方向預(yù)制一條不同夾角天然裂縫。部分模型近井局部放大圖見圖8。

在誘導(dǎo)縫沿井壁45°裂縫起裂的前提下(圖9)，除去井周裂縫夾角為90°的情況，其他夾角下均呈現(xiàn)誘導(dǎo)縫不同程度打開天然裂縫、沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的結(jié)果，此時誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的臨界夾角為89°。與沿井壁0°裂縫起裂對比，沿井壁45°裂縫起裂的誘導(dǎo)縫能沿更大角度范圍的天然裂縫轉(zhuǎn)向，進(jìn)一步形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)的可能性也較大。

經(jīng)過以上分析得出，井周天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角較小、裂縫長度較長更容易實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)縫打開天然裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向，從形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)出發(fā)，井眼軌跡設(shè)計(jì)則應(yīng)該盡量沿主裂縫夾角較小、裂縫長度較長的區(qū)域。另外，誘導(dǎo)縫沿井壁裂縫起裂的角度也是影響誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向的重要因素，起裂方位越偏離最大主應(yīng)力方向，相對更容易發(fā)生沿井周裂縫轉(zhuǎn)向，因此，保證沿井壁較大角度起裂也能有效增加復(fù)雜裂縫系統(tǒng)產(chǎn)生的可能性。

圖6 部分模型近井局部放大圖Fig.6 Amplificatory diagrams around borehole for part of the model

圖7 井壁0°裂縫起裂下裂縫夾角對誘導(dǎo)縫的影響Fig.7 Effect of the angle of natural fracture on extension of induced fracture when initiates along 0° angle fracture

圖8 部分模型近井局部放大圖Fig.8 Amplificatory diagrams around borehole for part of the model

圖9 井壁45°裂縫起裂下裂縫夾角對誘導(dǎo)縫的影響Fig.9 Effect of the angle of natural fracture on extension of induced fracture when initiates along 45° angle fracture

4 復(fù)雜裂縫性地層誘導(dǎo)縫延伸規(guī)律

由于頁巖氣儲層巖石通常呈硬脆性，在構(gòu)造活動作用下很容易形成構(gòu)造裂縫，其發(fā)育規(guī)律、形態(tài)、空間分布主要受控于構(gòu)造應(yīng)力場強(qiáng)度、活動方式和巖石物理性質(zhì)，且一次構(gòu)造運(yùn)動中往往形成某一個方向的天然裂縫組[13]。

考慮地層中主要存在某一次構(gòu)造運(yùn)動形成的一組天然裂縫系統(tǒng)，裂縫長度相同，天然裂縫與最大主應(yīng)力方向夾角分別為15°與90°，天然裂縫均勻地分布在井周地區(qū)，需要進(jìn)一步開展誘導(dǎo)縫起裂及延伸規(guī)律研究。

圖10的模擬結(jié)果顯示，誘導(dǎo)縫沿井壁裂縫起裂，且延伸過程不斷打開天然裂縫，最終形成了2條主裂縫，左支誘導(dǎo)縫沿天然裂縫發(fā)生了分叉，若模型足夠大從理論出發(fā)則能形成復(fù)雜裂縫體系。圖11中誘導(dǎo)縫并沒有沿井壁裂縫起裂，且?guī)缀跤^察不到誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，誘導(dǎo)縫仍然保持在最大主應(yīng)力方向起裂和延伸。對比2種結(jié)果，井周天然裂縫體系夾角越大，誘導(dǎo)縫沿井壁天然裂縫起裂越難，往往只能沿井壁最大主應(yīng)力方向起裂，導(dǎo)致誘導(dǎo)縫沿裂縫轉(zhuǎn)向難度增加；另外，裂縫與最大主應(yīng)力夾角較大本身也不利于誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向。2種因素共同作用下，最終誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向程度較低，不利于復(fù)雜裂縫的形成。因此，天然裂縫分布規(guī)律對于能否實(shí)現(xiàn)體積改造有很重要的影響，主裂縫夾角較小，有利于形成復(fù)雜誘導(dǎo)縫體系，井眼軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮裂縫的分布規(guī)律。

圖10 15°單組裂縫性地層Fig.10 Fractural formation at 15°(A)復(fù)雜裂縫性地層數(shù)值模型; (B)誘導(dǎo)縫形態(tài)仿真結(jié)果

圖11 90°單組裂縫性地層Fig.11 Fractural formation at 90°(A)復(fù)雜裂縫性地層數(shù)值模型; (B)誘導(dǎo)縫形態(tài)仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

通過對非均質(zhì)頁巖地層中誘導(dǎo)縫轉(zhuǎn)向各種影響因素的數(shù)值仿真模擬，得到以下認(rèn)識：

a.天然裂縫的長度與走向是影響誘導(dǎo)縫能否沿其發(fā)生轉(zhuǎn)向的重要因素，裂縫長度越長、與最大主應(yīng)力夾角越小，發(fā)生轉(zhuǎn)向的可能性越大；反之，轉(zhuǎn)向越困難。

b.誘導(dǎo)縫起裂的方位會影響其發(fā)育形態(tài)，起裂方位偏離最大主應(yīng)力方向，使得其延伸發(fā)展受地應(yīng)力控制減弱，故更容易沿天然裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。

c.復(fù)雜裂縫性地層中，天然裂縫體系與最大主應(yīng)力夾角較小，能實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向，從而使得網(wǎng)狀誘導(dǎo)縫體系成為可能；若天然裂縫體系與最大主應(yīng)力夾角較大，誘導(dǎo)縫不能依次打開天然裂縫，則不利于網(wǎng)狀誘導(dǎo)縫體系的形成。

d.頁巖儲層中天然裂縫的存在使得誘導(dǎo)縫形成擴(kuò)展非常復(fù)雜，只有保證誘導(dǎo)縫能打開天然裂縫并沿天然裂縫轉(zhuǎn)向才可能形成網(wǎng)狀裂縫體系。因此，井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮與地層中發(fā)育的微裂縫系統(tǒng)的關(guān)系，才能成功實(shí)現(xiàn)體積改造，改善儲層物性。

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Formation and controlling effect of natural fractures on network induced fractures in shale reservoir

LIANG Li-xi, HUANG Jing, LIU Xiang-jun, ZHU Hong-lin, ZHU Zhe-xian

StateKeyLaboratoryofOil-GasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China

The formation of network fracture system based on the volume transformation technique enhances the effective development of shale gas reservoir and the requisite condition for the formation of network induced fractures is the diversion of induced fractures along natural fractures. Mechanism of diversion regularity of induced fractures is studied through the application of RFPA2D numerical simulation software and in view of the rock mechanics. It shows that the length and orientation affect the difficult level of induced fracture diversion. In fact, the longer the fracture is and the smaller the angle between the fracture and principal stress is, the more likely the diversion of fracture occurs. Meanwhile, the initiating angle of induced fractures also affects the diversion of fractures. The diversion of induced fractures along natural fractures becomes easier when the angle between initiating direction and principal stress becomes larger. The extending regularity of induced fractures in strata with complicated fractures is discussed and the phenomenon of open of natural fractures by induced fractures in forking shape is observed. It proves that the diversion of induced fracture along natural fractures leads to the formation of complex induced fracture system.

shale; network fracture; natural fracture; stimulated reservoir volume; numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.08

1671-9727(2016)06-0696-07

2015-04-19。 [基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金石油化工聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1262209)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274172)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JY0092)。

梁利喜(1976-),男,博士,講師,從事石油工程的教學(xué)與科研工作, E-mail:liangzby@163.com。

TE122.23; P584

A