仝少凱 高德利

1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實驗室；2.油氣資源與工程國家重點(diǎn)實驗室

0 引言

隨著油氣勘探與開發(fā)進(jìn)程的不斷發(fā)展，低滲透、頁巖、致密等難開采油氣資源在勘探開發(fā)中所占比例越來越大，甚至超過了70%。中國低滲透油田分布廣泛，主要分布在長慶、大慶外圍、吐哈、吉林、二連及延長等地區(qū)。最近幾年，在我國新增油氣增量中低滲透油氣藏占70%以上［1］，滲透率為(0.1～10)×10-3μm2的油氣儲量占比約 46%。低滲透油藏巖性以砂巖為主，砂巖油藏約占70%，礫巖油藏約占10%；同時頁巖氣探明儲量快速增長，目前已超過7 643×108m3，形成了涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、延長等四大國家級頁巖氣示范區(qū)，年產(chǎn)能達(dá)到78.82×108m3。其中，中國石化在涪陵頁巖氣田探明地質(zhì)儲量6 008×108m3，中國石油在四川威遠(yuǎn)長寧地區(qū)頁巖氣田累積探明地質(zhì)儲量1 635×108m3。由此可見，中國低滲透油氣和頁巖氣的資源潛力巨大，其高效開發(fā)對保障國家油氣供給具有重要的現(xiàn)實意義。

理論和實踐證明，上述低滲透油氣藏和頁巖氣藏需要進(jìn)行針對性的壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)開發(fā)效益。近年來，不同的水力壓裂工藝在低滲透油氣藏和頁巖氣藏的儲層改造中起到了良好的增產(chǎn)效果，但是每一種水力壓裂工藝都存在一定的局限性，要么不能適用于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，要么不適用于一些復(fù)雜地質(zhì)儲層。因此，必須針對儲層特征及復(fù)雜井型開展針對性的研究，提出與地質(zhì)和工程相適應(yīng)的儲層改造一體化解決方案，才能更好地挖掘儲層的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)潛力。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在水力壓裂工藝、裂縫起裂與擴(kuò)展、壓裂流體、支撐劑等方面的研究取得了重要進(jìn)展，但仍然存在不少問題，如較高的起裂壓力和井口壓力、低黏度攜砂運(yùn)移能力、近井筒裂縫彎曲與轉(zhuǎn)向、多重裂縫、多裂縫應(yīng)力陰影、多裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力干擾、循環(huán)注入方式對裂縫起裂與演化的影響、巖石破裂力學(xué)準(zhǔn)則的適用性等。筆者對國內(nèi)外在上述方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析。

1 水力壓裂新工藝研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的水力壓裂工藝包括限流法分層分段壓裂、投球法分層壓裂、封隔器分層分段壓裂、裸眼滑套分段壓裂、泵送橋塞分段壓裂、固井滑套分段壓裂、連續(xù)管帶底封分段壓裂等，以及在這幾種工藝上改進(jìn)優(yōu)化的其他工藝，如開關(guān)滑套分段壓裂、大通徑免鉆橋塞分段壓裂、可溶橋塞分段壓裂等。這些傳統(tǒng)的壓裂工藝在一定程度上解決了低滲透油氣藏和頁巖氣藏的高效開發(fā)難題，但仍存在一些不足之處，因而研究發(fā)展了一些新的水力壓裂工藝。

1.1 分支井壓裂

分支井(又稱多底井)是指從1個主井眼(母井眼)中鉆出2口或多口進(jìn)入油氣藏的分支井眼或二級井眼分支井，并回接到主井眼上。其中，主井眼可以為直井、定向井或水平井。根據(jù)多分支井(Multilateral Wells)的復(fù)雜性和功能性，從完井角度將分支井分成6大類，即所謂的TAML(Technology Advancement of Multilateral Wells)分級［2-3］。分支井能夠發(fā)揮水平井高效、高產(chǎn)的優(yōu)勢，增加泄油面積，挖掘剩余油潛力，改善油田開發(fā)效果。例如非常規(guī)頁巖氣藏、煤層氣藏和致密砂巖氣藏采用多分支井完井設(shè)計，改善氣層流動剖面，提高采收率［4-7］。分支井可以充分動用儲層，并通過壓裂后最大限度地提高儲層的有效改造體積，減少打常規(guī)直井和水平井的數(shù)量。

分支井壓裂是先后對每個分支水平井眼單獨(dú)進(jìn)行壓裂。多分支井壓裂與單水平井分段壓裂技術(shù)的差異及其關(guān)鍵技術(shù)是射孔組合、壓裂作業(yè)等管柱重入各分支井眼、多井眼的密封封隔、各井眼連接處的密封連接等。針對多分支井，常用的成熟壓裂技術(shù)是橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)，目前已在國外非常規(guī)儲層多分支井壓裂施工中成功應(yīng)用［8］。

1.2 “井工廠”壓裂

“井工廠”的概念最早起源于美國頁巖氣開發(fā)過程，主要包括“井工廠鉆完井”［9-10］和“井工廠壓裂”［11-12］?！熬S壓裂”以單平臺多口井為基礎(chǔ)，集中各種大型壓裂設(shè)備工具下井與壓裂施工流水線交叉作業(yè)和在線配液模式，可實現(xiàn)各工序無縫連接。作為典型的“井工廠壓裂”技術(shù)，拉鏈?zhǔn)綁毫涯茌^大提高施工效率，大幅度縮短作業(yè)時間，在1個井場對2口或2口以上的井依次進(jìn)行壓裂和射孔。同步壓裂也是一種“井工廠壓裂”方式，即有2口或更多的井在1個井場同時壓裂和射孔。同步壓裂對水平井間實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡(luò)裂縫有較大好處，但在地面上需要2套或以上的車組，且壓裂和射孔時間沒得到優(yōu)化，降低了壓裂效率。與拉鏈?zhǔn)綁毫严啾?，同步壓裂機(jī)理主要受誘導(dǎo)應(yīng)力場作用形成遠(yuǎn)井復(fù)雜裂縫。

“井工廠壓裂”的關(guān)鍵技術(shù)是多井壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力模擬、對立布縫設(shè)計和交錯布縫等技術(shù)?！熬S壓裂”技術(shù)在國內(nèi)外頁巖氣田開發(fā)過程中取得了顯著成效。以Parker頁巖氣藏為代表的北美地區(qū)利用“井工廠壓裂”技術(shù)，平均單井產(chǎn)量比單獨(dú)壓裂可類比井提高21%～55%。2014年8月，以涪陵頁巖氣田為代表的國內(nèi)頁巖氣開發(fā)最大規(guī)模的“井工廠壓裂”施工取得成功，提高施工效率50%以上。

1.3 高速通道壓裂

高速通道壓裂(Hiway Channel Fracturing)是指水力壓裂過程中，通過特殊的泵注方式和流體體系的設(shè)計，進(jìn)入水力壓裂裂縫中的支撐劑局部聚集成團(tuán)塊狀，并使得這種團(tuán)塊支撐劑在裂縫內(nèi)部形成不連續(xù)鋪置，最終實現(xiàn)靠該類支撐劑團(tuán)塊支撐裂縫不閉合［13-14］。該工藝下油氣的滲流通道不再是支撐劑顆粒形成的孔隙，而是團(tuán)塊之間無支撐劑支撐的孔道，這類油氣滲流孔道由于無支撐劑的阻礙，理論上導(dǎo)流能力無限大，實際發(fā)現(xiàn)比常規(guī)壓裂裂縫的導(dǎo)流能力高出1～3個數(shù)量級。該工藝的核心是將支撐劑以支撐骨架(支撐劑團(tuán))的形式不連續(xù)地鋪置在壓裂裂縫內(nèi)部形成橋墩形式的支撐方式，如圖1。這種類似單顆粒不連續(xù)的鋪置方式下支撐劑團(tuán)塊內(nèi)部間的空隙(類似傳統(tǒng)鋪置方式)不作為油氣滲流的主要通道，因此支撐劑性能對裂縫導(dǎo)流能力幾乎沒有影響，而支撐劑團(tuán)塊間形成的高速無障礙通道網(wǎng)絡(luò)才是流體通過的主要路徑，從而較傳統(tǒng)鋪置方式能成倍增加裂縫導(dǎo)流能力，極大提高壓裂效果。

高速通道壓裂工藝的核心在于如何形成支撐劑的不連續(xù)柱狀支撐和如何形成符合現(xiàn)場施工條件的施工工藝設(shè)計方法，利用支撐劑段塞注入和伴注纖維等技術(shù)，實現(xiàn)支撐劑在裂縫內(nèi)部的非連續(xù)鋪置，并能保證在生產(chǎn)過程中支撐劑團(tuán)塊長期穩(wěn)定。高速通道壓裂技術(shù)在美國、俄羅斯、南美和北美、中東等超過15個國家和地區(qū)的低滲透、致密氣、頁巖氣等儲層改造中得到了廣泛應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)實施超過10 000(段)次，壓裂施工成功率99.8%，取得了良好增產(chǎn)效果。綜合統(tǒng)計結(jié)果顯示，該技術(shù)的應(yīng)用使得產(chǎn)量平均增加20%，壓裂流體用量減少60%，支撐劑減少 40%［15-18］。

圖1 裂縫內(nèi)支撐劑鋪置對比及油氣流動模式［13］Fig.1 Placement comparison of proppant in fractures and oil/gas flow pattern

1.4 寬帶壓裂

分流暫堵寬帶壓裂增產(chǎn)技術(shù)通過液體轉(zhuǎn)向，將未改造到或者改造不充分的那部分射孔簇充分改造，從而實現(xiàn)井筒最大覆蓋和油氣藏接觸的最大化，增加產(chǎn)量和提高采收率［19-21］?？煦@式橋塞分段射孔加砂壓裂在2個橋塞之間一般有4～6個射孔簇甚至更多，分流暫堵寬帶壓裂時，壓裂流體首先進(jìn)入起裂應(yīng)力較低的簇進(jìn)行改造，當(dāng)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的液量和砂量后，泵入可降解纖維和不同目數(shù)的可降解暫堵球，暫堵縫口和炮眼，迫使工作流體轉(zhuǎn)向至高應(yīng)力射孔簇。這樣保證了整個壓裂段內(nèi)的高、低應(yīng)力區(qū)的所有簇均得到比較充分的改造，擴(kuò)大了井筒覆蓋與接觸面積，形成一條高速的人工裂縫寬帶，進(jìn)而提高油氣井的產(chǎn)量。由于分流暫堵寬帶壓裂技術(shù)與傳統(tǒng)的分段壓裂相比，儲層的改造動用率更充分，所以累積產(chǎn)量和最終采收率得到提高。

寬帶壓裂的關(guān)鍵是暫堵材料的優(yōu)選(包括暫堵球大小、承壓能力及可降解性)和現(xiàn)場實施控制技術(shù)。根據(jù)實際經(jīng)驗，一般每個射孔段轉(zhuǎn)向1～2次就能實現(xiàn)整個射孔段的完全改造。美國Eagle Ford頁巖氣區(qū)塊采用分流暫堵寬帶壓裂工藝實現(xiàn)了12段的壓裂施工，成功完成1個段內(nèi)射孔簇的有效暫堵和流體轉(zhuǎn)向，壓后測試產(chǎn)量提高15%［22］。

1.5 水平井重復(fù)壓裂

隨著開發(fā)時間的推移和生產(chǎn)過程中壓力、溫度等環(huán)境條件的改變，水平井壓后裂縫導(dǎo)流能力降低或失效，或原有裂縫控制的油氣已接近全部采出，必須實施改向重復(fù)壓裂，打開新的油氣流動通道，更大范圍地溝通老裂縫未動用的油氣層，大幅度增加油氣產(chǎn)量，進(jìn)一步提高油氣藏開發(fā)效果［23］。國內(nèi)外重復(fù)壓裂的方法有3種：原有裂縫延伸、層內(nèi)壓出新裂縫和轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂［24-25］。原有裂縫的延伸是目前最常用的重復(fù)壓裂方式，在老井實施重復(fù)壓裂，有效地延伸原有裂縫系統(tǒng)，使裂縫面與更大面積的含油層相接觸，擴(kuò)大泄油面積，增加原有裂縫系統(tǒng)油流通道。厚油氣層在縱向上的非均質(zhì)性或者長水平段分段壓裂間距較大，油層內(nèi)見效程度不同，會導(dǎo)致層內(nèi)矛盾突出而影響開發(fā)效果，因此可以通過采取補(bǔ)射非主力油層、對非均質(zhì)厚油層重復(fù)壓裂或壓裂同井新層等措施改善出油剖面，從而取得很好的效果?；谶@種認(rèn)識開展了層內(nèi)壓出新裂縫重復(fù)壓裂理論研究和實踐。轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)是在壓裂施工過程中適時地向地層加入適量暫堵劑，由于壓裂液流動遵循向阻力最小方向流動的原則，暫堵劑會優(yōu)先進(jìn)入地層天然裂縫或已有人工裂縫，在縫端聚集后產(chǎn)生封堵作用，形成高于裂縫破裂壓力的壓力差值，使后續(xù)壓裂液不能向天然裂縫或已有人工裂縫流動。這必然在一定程度上升高井底壓力，在一定的水平兩向應(yīng)力差條件下，產(chǎn)生二次破裂進(jìn)而改變裂縫未動用的油氣層，從而使產(chǎn)量大幅度增加。

美國Bakken油田部署的17口水平井，初次壓裂后水平段中有相當(dāng)多的產(chǎn)層未有支撐劑鋪置，導(dǎo)致壓后產(chǎn)量不高且穩(wěn)產(chǎn)時間短。通過采用重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行二次增產(chǎn)，除1口井施工無效外，其余全部施工成功。重復(fù)壓裂方案合計為該區(qū)塊增加2×104m3(130×104bbl)的可采儲量［26］。

1.6 水力波動注入壓裂

水力波動注入壓裂是目前提出的顛覆傳統(tǒng)壓裂模式的一項新工藝［27］。該工藝的基本原理是人為快速改變壓裂泵組工作轉(zhuǎn)速(或工作頻率)，實現(xiàn)壓裂泵組“不穩(wěn)定的排量和壓力”輸出，從而增加井筒及裂縫內(nèi)的壓力波動(或壓力振動)，借此提高儲層巖石裂縫的破裂和擴(kuò)展能力，增大井筒供給面積，改善壓裂效果，提高油氣井的產(chǎn)量和采收率。采用該工藝在一定程度上可降低井口壓裂作業(yè)壓力。該工藝的關(guān)鍵技術(shù)是可瞬時快速改變排量和壓力的壓裂泵組(即變頻泵組)、變頻時機(jī)和范圍的選擇、井筒與裂縫內(nèi)壓力波傳播頻率和波速的確定等。目前，由于“變頻泵組”設(shè)計與制造問題，該項工藝還沒有進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，但從理論上已經(jīng)證實其可行性和可靠性。

1.7 縫網(wǎng)壓裂

“縫網(wǎng)”壓裂技術(shù)是針對低滲致密砂巖油氣藏、頁巖油氣藏設(shè)計的壓裂新技術(shù)，主要用于直井壓裂，可以用于水平井的分段壓裂。其目標(biāo)不再是單一裂縫的長縫和高導(dǎo)流能力，而是要結(jié)合儲層特征參數(shù)和配套壓裂工藝及參數(shù)設(shè)計，最大限度地提高主裂縫一次或多次轉(zhuǎn)向的可能性，最終形成主裂縫和多個分支裂縫相互交叉的類似網(wǎng)格狀的裂縫系統(tǒng)［28-29］。“縫網(wǎng)”壓裂技術(shù)就是利用儲層2個水平主應(yīng)力差值與裂縫延伸凈壓力的關(guān)系，一旦實現(xiàn)裂縫延伸凈壓力大于2個水平主應(yīng)力的差值和巖石抗張強(qiáng)度之和(即2次破裂壓裂之差)，則容易產(chǎn)生分叉縫，形成初步的縫網(wǎng)系統(tǒng)。以主裂縫為縫網(wǎng)系統(tǒng)的主干，而分叉縫可能在距離主縫延伸一定長度后，又恢復(fù)到原來的裂縫方位，則最終形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的網(wǎng)狀系統(tǒng)?！翱p網(wǎng)”壓裂的關(guān)鍵技術(shù)是縫高控制、誘導(dǎo)應(yīng)力模擬和縫網(wǎng)壓裂實施技術(shù)。“縫網(wǎng)”壓裂技術(shù)已在長慶油田、二連油田及浙江油田等獲得成功應(yīng)用，并取得了預(yù)期的增產(chǎn)效果［30］。

2 水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展研究進(jìn)展

2.1 理論研究進(jìn)展

2.1.1 水力壓裂裂縫起裂機(jī)理與起裂壓力預(yù)測

不同巖性儲層的水力壓裂實踐表明，壓裂裂縫的形成包括裂縫起裂和擴(kuò)展2個階段。在裂縫起裂研究中，主要解決起裂壓力和起裂方位2個基本問題。通常認(rèn)為影響裂縫起裂的主要因素有原地應(yīng)力、地層孔隙壓力、井筒液柱壓力、井筒與地層壓差作用下流體向多孔地層中的滲流流動、井壁條件、巖石的強(qiáng)度及其他物理力學(xué)性質(zhì)等。

Eaton［31］認(rèn)為地下巖層處于水平應(yīng)力狀態(tài)，且其中充滿著層理和裂縫，流體在壓力作用下將沿著這些薄弱面侵入，使其張開并向巖層延伸，其張開裂縫的流體壓力只需要克服垂直面的地應(yīng)力。同時給出了泊松比隨深度增加的關(guān)系曲線，但沒有考慮井的存在而產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題。Aderson［32］等在Eaton公式的基礎(chǔ)上考慮了應(yīng)力集中問題，確定了地層破裂壓力，但沒有考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。Hoek和Brown［33］基于大量的巖石拋物線型破壞包絡(luò)線(強(qiáng)度曲線)系統(tǒng)研究，提出了巖石破壞的經(jīng)驗準(zhǔn)則，但當(dāng)時并沒有用于起裂的研究中。Soliman［34］討論了水平井破裂壓力的確定，將Hoek-Brown的巖石失效準(zhǔn)則應(yīng)用于水平井壓裂的水平裂縫，并確定了相應(yīng)的起裂壓力。通過室內(nèi)和現(xiàn)場水平井壓裂試驗證明，該失效準(zhǔn)則能較好地解釋高的起裂壓力現(xiàn)象。Hossain［35］等提出了通用的模型來預(yù)測水力裂縫起裂壓力和裂縫的起裂方位及位置，結(jié)果認(rèn)為在正常斷裂應(yīng)力下水平井筒需要的起裂壓力比垂直井筒要小，這表明在給定的地應(yīng)力條件下存在最優(yōu)的井斜角使井筒需要的破裂壓力最小。

Hubbert和Wills［36］拉伸強(qiáng)度理論認(rèn)為當(dāng)井壁圍巖上某一點(diǎn)所受的最大拉應(yīng)力超過了該處巖石的拉伸強(qiáng)度，巖石就會發(fā)生破裂，水力裂縫便會從該處起裂。該理論被廣泛運(yùn)用于垂直井筒的破裂壓力預(yù)測，通常產(chǎn)生的是垂直裂縫。但是Soliman［34］和EI-Rabaa［37］等研究表明，拉伸強(qiáng)度理論對于直井和產(chǎn)生垂向裂縫的水平井的破裂壓力預(yù)測是有效的，而在水平井產(chǎn)生水平裂縫的破裂壓力預(yù)測中，拉伸強(qiáng)度理論低估了巖石的破裂壓力，因此不合適。Draou［38］等提出2種預(yù)測地層孔隙壓力和破裂壓力的新方法：一種根據(jù)壓實原理認(rèn)為孔隙度隨垂向應(yīng)力以指數(shù)的形式變化；另一種孔隙度隨垂向應(yīng)力以冪率的形式變化。與重復(fù)地層壓力測試方法相比，第1種方法的偏差在3%～6%之間變化，第2種方法在1%～3%之間變化。Li［39］等考慮巖石的復(fù)雜特性和各向異性提出頁巖地層孔隙壓力和破裂壓力預(yù)測模型，與常規(guī)方法相比，模型精度有很大提高。此外，在國內(nèi)，黃榮樽［40］系統(tǒng)分析了垂直裂縫和水平裂縫起裂的判據(jù)和影響裂縫延伸的因素，并建立了新的預(yù)測巖石破裂壓力模型，分析認(rèn)為裂縫的形成主要取決于井壁上的應(yīng)力狀態(tài)，裂縫的延伸方向主要取決于地應(yīng)力，不論井壁上初始形成的裂縫方位如何，在遠(yuǎn)離井眼后，裂縫便趨于垂直于最小主地應(yīng)力的方向。金衍［41］等根據(jù)地層應(yīng)力狀態(tài)及天然裂縫的產(chǎn)狀，建立了裂縫性地層斜井水力裂縫3種起裂方式的起裂壓力計算模型，并證明該模型能成功解釋天然裂縫性地層的破裂壓力。

2.1.2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理

在裂縫延伸擴(kuò)展機(jī)理分析中，主要分析原地應(yīng)力條件和壓裂液壓力作用下巖石的三維變形、裂縫擴(kuò)展力學(xué)準(zhǔn)則、裂縫內(nèi)壓裂液的三維流動、支撐劑在裂縫內(nèi)的有效運(yùn)移與鋪置、壓裂液與地層之間的熱交換、壓裂液向地層中的濾失等。

Murphy［42］等研究了節(jié)理性(裂縫性)地層的水力壓裂機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在巖體內(nèi)沿著預(yù)先存在的節(jié)理面剪切滑移失效最容易產(chǎn)生，而且剪切滑移導(dǎo)致了局部應(yīng)力的重新分布，允許裂縫產(chǎn)生分支和樹杈狀。陳治喜［43］等應(yīng)用巖石力學(xué)理論與方法，建立了層狀介質(zhì)中水力裂縫垂向擴(kuò)展的數(shù)值模型，研究表明地應(yīng)力剖面是影響裂縫垂向擴(kuò)展范圍和擴(kuò)展方向的主要因素，巖層斷裂韌性對裂縫的垂向擴(kuò)展有明顯的止裂作用。陳勉［44］等采用多孔彈性理論，推導(dǎo)了斜井井壁周圍的應(yīng)力表達(dá)式，并提出新的斜井水力壓裂起裂判據(jù)。同時從巖石斷裂力學(xué)角度出發(fā)，建立了三維空間中水力裂縫激活和轉(zhuǎn)向控制方程，分析表明水平地應(yīng)力差越大，裂縫轉(zhuǎn)向后寬度越窄。趙海峰［45］等采用巖石斷裂力學(xué)方法，分析了水力裂縫與地層界面相交時水力裂縫沿其高度方向可能發(fā)生的3種擴(kuò)展行為，表明水力裂縫與地層界面相交后停止擴(kuò)展，裂縫存在臨界長度，超過該臨界長度后，裂縫將沿地層轉(zhuǎn)向擴(kuò)展或穿過地層界面進(jìn)入隔層內(nèi)。

上述巖石裂縫起裂壓力的模型基本是針對裸眼井筒獲得，而且大多數(shù)采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行推導(dǎo)，沒有考慮巖石內(nèi)天然裂縫的存在、地層孔隙度的變化和套管對破裂壓力的影響。在裂縫擴(kuò)展模型中，僅僅考慮井筒液柱壓力恒定，沒有考慮非穩(wěn)定的流體壓力對裂縫凈壓力的影響。在裂縫支撐劑運(yùn)移方面，考慮了單顆粒在無限大牛頓流體中的沉降與啟動問題，沒有考慮非牛頓流體、多顆粒干擾、裂縫壁面干擾等因素的影響。如何綜合考慮諸多因素的影響(如原地應(yīng)力、孔隙壓力、天然裂縫、完井方式、射孔參數(shù)、壓裂流體性能等)準(zhǔn)確預(yù)測裂縫的破裂壓力和擴(kuò)展行為是未來研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 數(shù)值模擬研究進(jìn)展

2.2.1 循環(huán)注入水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理

水力壓裂裂縫的幾何形態(tài)和擴(kuò)展方位是影響壓裂效果的主要因素之一。經(jīng)濟(jì)有效的壓裂，應(yīng)盡可能地讓裂縫在儲層延伸，并且應(yīng)防止裂縫穿透水層和低壓滲透層。這就要在深刻認(rèn)識裂縫擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上優(yōu)選壓裂作業(yè)參數(shù)，并采取有效措施控制裂縫的擴(kuò)展。由于現(xiàn)場水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫實際形態(tài)和方位難于直接觀察，而且尚無有效的測試方法，目前壓裂設(shè)計工程師們只能借助數(shù)值模擬手段進(jìn)行間接分析。在壓裂施工前，結(jié)合儲層特征、井眼條件和壓裂泵注程序，利用相應(yīng)的壓裂數(shù)值模型對水力裂縫幾何形態(tài)和起裂方位進(jìn)行數(shù)值模擬，準(zhǔn)確地描述儲層中水力壓裂裂縫幾何形態(tài)和擴(kuò)展行為對優(yōu)化改進(jìn)水力壓裂施工設(shè)計程序具有重要的作用。

循環(huán)注入水力壓裂工藝是國外提出的一種新的壓裂模式，并且在其裂縫起裂與擴(kuò)展方面取得了許多新的研究成果。Bai［46］等利用三維水力壓裂數(shù)值模擬軟件研究了循環(huán)泵注下裂縫的閉合和起裂特征，識別不同裂縫的響應(yīng)，用以判斷是原有裂縫起裂，還是從原始裂縫傳播方向不同的方位形成新的裂縫。分析表明循環(huán)泵注可增加裂縫的凈壓力，但是呈現(xiàn)不確定性；以不同的注入速率注入時裂縫的寬度、凈壓力和裂縫體積呈現(xiàn)出明顯的差異，高速注入有利于裂縫的擴(kuò)展和延伸，增加裂縫體積。Yoon［47］等針對流體誘導(dǎo)裂縫傳播過程中裂縫的應(yīng)力陰影，提出天然裂縫儲層2D離散元數(shù)值模型。所謂應(yīng)力陰影是指創(chuàng)建的水力裂縫改變了它周圍的應(yīng)力場，通過應(yīng)力場的改變影響了后續(xù)的裂縫，特別是增加了后續(xù)斷裂面積上的最小主應(yīng)力，從腳趾到腳跟累積了斷裂應(yīng)力演化。結(jié)果表明循環(huán)注入趨于降低裂縫應(yīng)力陰影的影響，而且減輕誘導(dǎo)地震的震級。Zimmermann［48］等針對3種不同的地?zé)岬刭|(zhì)巖石，研究了多級水力壓裂和循環(huán)水力壓裂刺激方法對開發(fā)地?zé)嵯到y(tǒng)和降低地震風(fēng)險的可行性和緩解措施。分析表明與連續(xù)注入方案相比，循環(huán)刺激方案在減少誘發(fā)地震事件方面可降低危害潛力，減少高震級地震事件的數(shù)量；循環(huán)注入方式可降低巖石破裂壓力。Yoon［49］等發(fā)展了流體機(jī)械耦合建模工具，研究了動態(tài)循環(huán)和脈沖流體注入下疲勞水力壓裂的應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與常規(guī)水力壓裂作業(yè)中的恒定速率注入相比，在循環(huán)速率注入過程中，流體壓力在離散元模型運(yùn)行中被降低。這對于完整的天然裂縫結(jié)晶質(zhì)儲層和多重刺激井的裂縫儲層來說是真實的。

Profit［50］等提出了1個地質(zhì)力學(xué)模型模擬夾層和層狀巖石水力裂縫的擴(kuò)展。該方法是基于流動和地質(zhì)力學(xué)耦合的有限離散元方法。分析結(jié)果表明夾層屬性(如彈塑性、滲透系數(shù)、摩擦特性)控制了水力裂縫高度和孔徑的力學(xué)流動行為。Li［51］等在多井壓裂改造(如拉鏈?zhǔn)綁毫?、連續(xù)壓裂和同步壓裂)提高裂縫復(fù)雜性過程中提出了水力裂縫生長的耦合模型，基于該模型采用數(shù)值模擬方法從熱-流體-力學(xué)耦合方面研究了裂縫生長。結(jié)果表明多級水力壓裂中存在最優(yōu)的簇間距。簇間距主要影響應(yīng)力分布，隨后影響新生成裂縫的傳播路徑和穿越行為；多井完井的壓裂順序非常重要，相比于多井連續(xù)和同步壓裂完井方案，拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)能獲得較好的壓裂效果。Samnejad［52］等采用流動和連續(xù)損傷耦合力學(xué)模型模擬了水力壓裂誘導(dǎo)儲層巖石滲透率的增強(qiáng)特性，指出巖石損傷可增強(qiáng)巖石的滲透率。

2.2.2 穩(wěn)定注入水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理

穩(wěn)定注入水力壓裂工藝是目前常用的傳統(tǒng)壓裂模式，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者在該工藝上開展了大量的數(shù)值研究工作，取得了有價值的結(jié)論和認(rèn)識。Johri［53］等研究了水力刺激過程中預(yù)先存在的自然裂縫和斷層誘導(dǎo)的相關(guān)地震滑移對水力壓裂裂縫流動的影響，分析表明在超低滲透巖石上從水力裂縫里獲得的流動貢獻(xiàn)相對較小，在巖石滲透區(qū)，增加流動效率的主要貢獻(xiàn)者除水力裂縫本身外，還包括預(yù)先存在的以剪切形式刺激的滲透裂縫和新形成或新連接的滲透裂縫。Yew［54］和Lee［55］等開展了水力裂縫二維和三維數(shù)值模擬，利用有限元、擴(kuò)展有限元等方法對裂縫的起裂、幾何形態(tài)及延伸擴(kuò)展等進(jìn)行了分析。Renshaw［56］和王濤［57］等基于物模試驗進(jìn)行了人工裂縫與天然裂縫多物理場水力壓裂模擬，分析了頁巖水力壓裂人工裂縫與天然裂縫之間的復(fù)雜規(guī)律，提出了人工裂縫相遇天然裂縫時的簡單準(zhǔn)則。

張汝生［58］等考慮流體在裂縫面橫向、縱向流動，采用有限元ABAQUS軟件模擬了水力壓裂三維裂縫的幾何形態(tài)及其周圍應(yīng)力場、滲流場的變化規(guī)律，其模擬結(jié)果能直觀地給出縫長、縫寬及縫高動態(tài)效果及相互關(guān)系。張平［59］等在國內(nèi)外已有裂縫三維延伸模型的基礎(chǔ)上，建立了1套新的水力壓裂裂縫三維延伸模型，模型主要考慮了產(chǎn)層、蓋層和底層之間的應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、斷裂韌性)變化的影響。結(jié)果表明該模型能較好地模擬各種應(yīng)力分布模式以及裂縫穿層前后的延伸情況。連志龍［60］等以臨界應(yīng)力作為裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則并采用流固耦合模型模擬了水力壓裂擴(kuò)展問題，推導(dǎo)出裂縫面內(nèi)的壓降方程表達(dá)式。結(jié)果表明該模型能夠模擬地應(yīng)力、巖石力學(xué)特性、壓裂液流體特性等各種復(fù)雜因素對水力壓裂擴(kuò)展的影響。陸沛青［61］等利用線性滑移模型、有限差分及交錯網(wǎng)格技術(shù)研究了脈動水力壓裂過程中應(yīng)力在含裂縫性地層中的傳播與分布規(guī)律，分析不同縫間距和震源頻率下裂縫充填物對脈動水力壓裂擾動效果的影響機(jī)制。研究得出脈動水力壓裂可利用裂縫的非均質(zhì)性促進(jìn)壓裂效果，縫間距為初始人造裂縫長度的2～3倍時可獲得較好的壓裂效果。盛茂和李根生［62］建立了基于擴(kuò)展有限元法的水力壓裂數(shù)值模擬方法，模擬了單條水力裂縫在恒定水壓力作用下非平面擴(kuò)展。結(jié)果表明該數(shù)值方法是可行和準(zhǔn)確的。張然［63］等建立了砂泥巖相間的二維平面滲流-應(yīng)力-損傷耦合有限元模型，模擬了水力壓裂多裂縫交錯延伸的裂縫形態(tài)，揭示了復(fù)雜多裂縫交錯擴(kuò)展干擾機(jī)理。

上述研究表明，通過數(shù)值模擬方法可有效模擬裂縫在儲層中的幾何形態(tài)變化及擴(kuò)展行為，且可形成一定的規(guī)律性認(rèn)識，為優(yōu)化施工參數(shù)、指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂施工和提高壓裂效果提供了重要的參考依據(jù)。此外還看出，目前國外在水力壓裂數(shù)值模擬方面已從穩(wěn)定注入模式轉(zhuǎn)向循環(huán)注入方式，有效模擬了循環(huán)注入對裂縫起裂、裂縫幾何形態(tài)變化及裂縫擴(kuò)展行為的影響。模擬結(jié)果得出普遍認(rèn)識：與穩(wěn)定注入水力壓裂相比，循環(huán)注入水力壓裂在降低起裂壓力、促進(jìn)裂縫生長、增強(qiáng)裂縫滲透率、降低誘導(dǎo)地震風(fēng)險方面具有較大優(yōu)勢，這對于最終提高壓裂效果和油氣井的產(chǎn)量具有顯著作用。然而，國內(nèi)大多數(shù)水力壓裂數(shù)值模擬研究仍然以穩(wěn)態(tài)注入方式進(jìn)行模擬，取得的新結(jié)論和認(rèn)識較少。因此，建議國內(nèi)專家學(xué)者在循環(huán)注入水力壓裂方面深入開展基礎(chǔ)研究工作，為該新工藝的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2.3 物理模擬試驗研究進(jìn)展

2.3.1 循環(huán)注入水力壓裂裂縫起裂試驗

常規(guī)三軸試驗是長期以來研究巖石力學(xué)性質(zhì)及指標(biāo)的主要試驗手段，但只能對巖體施加2個方向的主應(yīng)力，使巖體處于軸對稱的應(yīng)力狀態(tài)，只能反映軸對稱應(yīng)力狀態(tài)下巖石的強(qiáng)度和變形規(guī)律，而忽略了中間主應(yīng)力的影響，不能代表巖體在實際三維復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能。為此，國內(nèi)外發(fā)展了真三軸試驗。真三軸試驗?zāi)塥?dú)立施加3個主應(yīng)力，可分析不同主應(yīng)力對巖體強(qiáng)度和變形的影響，因而能更準(zhǔn)確地模擬巖體實際受力狀態(tài)，有利于研究巖體三維強(qiáng)度及三維本構(gòu)關(guān)系。大型全尺寸水力壓裂物理模擬試驗(簡稱大物模)是目前水力壓裂理論研究和論證的一種重要和直接的手段，可模擬復(fù)雜地層條件下水力壓裂試驗，同時利用聲發(fā)射設(shè)備對裂縫的起裂和延伸過程進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，能夠獲得較為準(zhǔn)確的裂縫擴(kuò)展試驗結(jié)果和客觀的規(guī)律性認(rèn)識。

國外在開展水力壓裂物理模擬試驗研究方面起步較早，很多學(xué)者對循環(huán)注入水力壓裂裂縫的起裂控制機(jī)理進(jìn)行了深入研究。Patel［64］等研究了室內(nèi)水力壓裂模擬試驗分級循環(huán)泵注下起裂壓力和聲發(fā)射特征，并采用聲發(fā)射、裂縫滲透率和裂縫表面電子掃描顯微成像方法比較了常規(guī)和循環(huán)泵注水力壓裂條件下儲層的改造體積，表明分級循環(huán)泵注可有效降低起裂壓力，并有效增大儲層改造體積(SRV)。Stoeckhert［65］等利用水力壓裂試驗設(shè)備和專制的砂巖與頁巖試樣研究了高度各向異性巖石在循環(huán)泵注條件下裂縫的起裂壓力、裂縫傳播規(guī)律以及裂縫應(yīng)變、聲發(fā)射特征，證明2種巖性裂縫延伸和閉合階段裂縫破裂類型不同，頁巖主要以剪切縫為主；多次循環(huán)注入有利于裂縫的起裂和延伸。Falser［66］等采用理論和實驗相結(jié)合方法研究了平面射孔和循環(huán)壓力對地層起裂壓力和裂縫斷裂的影響。分析認(rèn)為平面射孔或循環(huán)壓力增加可顯著降低破裂壓力；裸眼和常規(guī)橋塞射孔完井導(dǎo)致近井筒更多的裂縫斷裂，同時橫向裂縫從平面射孔幾何孔眼內(nèi)產(chǎn)生。Hofmann［67］等在不同試驗規(guī)模下對比分析了循環(huán)和恒定流體注入方式對花崗巖石破裂壓力的影響，表明動態(tài)脈沖結(jié)合漸進(jìn)循環(huán)增壓方式能降低細(xì)粒度花崗巖石破裂壓力10%～20%。Zhuang［68］等利用實驗方法評價了循環(huán)水力壓裂對減少誘發(fā)地震事件和提高巖石滲透率的影響，認(rèn)為以單調(diào)破裂壓力的80%進(jìn)行循環(huán)注入可引起巖石失效，這意味著通過循環(huán)注入可減小20%的破裂壓力。

Erarslan［69］等研究了斷裂模式和拉伸加載方式對巖石疲勞損傷的影響，表明拉伸循環(huán)載荷測試下巖石靜態(tài)斷裂韌性(KIC)最大降低了46%，說明采用循環(huán)加載方式可提高巖石的斷裂能力。此外，在循壞載荷開始階段，45° 和70°傾角切口裂縫容易張開失效。Erarslan［70］等研究了循環(huán)載荷對巖石間接拉伸強(qiáng)度的影響，分析指出循環(huán)載荷下巖石斷裂從硬晶粒和弱基質(zhì)接觸點(diǎn)開始，在晶粒邊界的接觸點(diǎn)是應(yīng)力集中區(qū)域，表明隨載荷循環(huán)數(shù)增加，巖石間接拉伸強(qiáng)度降低。Sakhaee-Pour［71］等基于線彈性斷裂力學(xué)提出了1個修正的Paris定律去預(yù)測了循環(huán)壓裂過程中破裂壓力和破裂循環(huán)數(shù)，驗證了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性并得出循環(huán)水力壓裂可以降低破裂壓力，但是不同的循環(huán)數(shù)對應(yīng)于不同的破裂壓力。

Medlin和Mass［72］研究了水力壓裂裂縫起裂壓力和起裂方位，發(fā)現(xiàn)裂縫的起裂方位主要取決于應(yīng)力場的分布和井眼的尺寸。在試驗中還發(fā)現(xiàn)，巖石的各向異性對于裂縫的起裂壓力和方位影響不大。Marabgos［73］研究了流體濾失對裂縫起裂的影響，發(fā)現(xiàn)在有天然裂縫存在的條件下，水力壓裂中泵壓比濾失對起裂的影響要小。流體濾失對裂縫起裂的影響，尤其是對天然裂縫地層的影響特別大，在這種情況下，有少量的壓裂液會先于壓裂液的主體進(jìn)入天然裂縫，并且導(dǎo)致較低的起裂壓力。David和Rasmus［74］從水力脈沖的角度，自主設(shè)計了1套壓力脈沖試驗裝置，可通過壓力脈沖方法研究裂縫起裂的動態(tài)過程。試驗發(fā)現(xiàn)裂縫起裂過程中從產(chǎn)生水力壓裂裂縫模式到產(chǎn)生多裂縫模式的臨界增壓速率，其大小與巖石的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，即巖石的強(qiáng)度越高，則其對應(yīng)的產(chǎn)生多裂縫的臨界增壓速率越大。Lhomme［75］等研究了砂巖的水力裂縫起裂機(jī)理，試驗采用牛頓流體的壓裂液對干性砂巖進(jìn)行壓裂，通過改變流體的黏度和流體的泵注速率來研究砂巖起裂過程中的濾失效應(yīng)。結(jié)果表明高黏度壓裂液和低泵注速率與低黏度壓裂液和高泵注速率試驗結(jié)果相同。

2.3.2 循環(huán)注入水力壓裂裂縫擴(kuò)展試驗

針對循環(huán)注入水力壓裂裂縫的延伸機(jī)制，國外學(xué)者利用真三軸物理模擬試驗進(jìn)行了大量研究。Zang［76］等通過室內(nèi)花崗巖樣的三軸壓頭測試表明，持續(xù)加載導(dǎo)致1個寬的斷裂韌帶，而采用頻繁啟停的循環(huán)疲勞加載巖石則會產(chǎn)生小的損傷體積和更持久的裂縫增長(微裂縫增長)。Branagan［77］等針對Wattenberg油田的2口測試氣井Miller#1和Sprague#1進(jìn)行了循環(huán)注干氣試驗，證明氣井采氣階段通過循環(huán)注干氣可顯著增強(qiáng)儲層的滲透率和提高生產(chǎn)效率。Zhuang［78］等通過室內(nèi)試驗和CT成像方法開展了Pocheon花崗巖樣本的循環(huán)水力壓裂研究，表明與單調(diào)連續(xù)注入相比，采用循環(huán)注入壓力超過單調(diào)連續(xù)注入破裂壓力的82%時，有效的循環(huán)水力壓裂的循環(huán)數(shù)閾限值是幾十個循環(huán)周期。連續(xù)注入時巖石產(chǎn)生的裂縫更像是個平面單裂縫，很少有分支裂縫，然而以較大的循環(huán)數(shù)進(jìn)行循環(huán)注入時巖石內(nèi)部出現(xiàn)了許多分支裂縫(微裂縫)，斷裂模式更像是多種失效，如圖 2。Zimmermann［79］和 Yoon［80］等針對疲勞水力壓裂概念進(jìn)行了室內(nèi)試驗驗證，但在提高地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)開發(fā)的現(xiàn)場試驗上還沒有得到證實。疲勞水力壓裂就是通過循環(huán)注入使斷裂的巖石達(dá)到疲勞失效。疲勞失效一般的認(rèn)識是循環(huán)加載階段巖石損傷累積，從而引起強(qiáng)度降低，然而巖石疲勞失效的機(jī)理目前還沒有完全理解。更為重要的是，機(jī)械加載過程中的疲勞循環(huán)過程與疲勞水力壓裂過程不同，后者涉及在裂縫尖端高的增壓流體的循環(huán)刺激。

圖2 連續(xù)與循環(huán)注入水力壓裂下花崗巖試樣斷面CT掃描圖像與裂縫擴(kuò)展圖［78］Fig.2 CT scanning image and fracture propagation map of the section of the granite sample subjected to continuous and cyclic injection hydraulic fracturing

Zang［81］等討論了疲勞水力壓裂的概念以及在地?zé)犷I(lǐng)域的應(yīng)用，表明當(dāng)采用若干階段降壓模擬疲勞處理的漸進(jìn)流體注入時，巖石斷裂破裂壓力呈現(xiàn)降低趨勢，且流體誘導(dǎo)地震事件的數(shù)量減少，認(rèn)為這是由動態(tài)、疲勞處理階段破裂的巖石產(chǎn)生了較大的斷裂過程所致。Zou［82］等針對頁巖氣儲層采用CT掃描技術(shù)進(jìn)行了立方體頁巖試樣的水力裂縫網(wǎng)絡(luò)傳播試驗研究，結(jié)果表明在水力壓裂條件下，頁巖部分開啟的層理面有利于增加裂縫的復(fù)雜程度，但是它們趨向于控制裂縫的斷裂形式，減少了垂直裂縫數(shù)量，導(dǎo)致了最小的改造體積(SRV)。He［83］等研究了水力壓裂下砂巖巖心水力裂縫的生成、傳播、閉合和形態(tài)，采用顯微鏡、X射線CT掃描儀觀察了砂巖試樣表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫形態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在砂巖試樣注入孔周圍產(chǎn)生了一些微觀裂縫，泵壓的變化揭示了水力裂縫的演化，在破裂壓力下生成裂縫，然后在短時間內(nèi)傳播，由于遠(yuǎn)場地應(yīng)力裂縫閉合，最后使裂縫保持在穩(wěn)定水平上。Maxwell［84］等研究了室內(nèi)水力壓裂的聲發(fā)射地質(zhì)力學(xué)行為，采用CT掃描技術(shù)確定了水力裂縫幾何圖形。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較高水平的差應(yīng)力下容易創(chuàng)建更多的平面裂縫幾何圖形。Li［85］等針對分層頁巖地層研究了水力裂縫生長特性。結(jié)果表明，根據(jù)注入壓力曲線和聲發(fā)射響應(yīng)可以明顯區(qū)分不同的水力裂縫幾何圖形。當(dāng)垂直延伸的水力裂縫連接和張開更多巖石斷層時，裂縫的復(fù)雜性可以顯著增加。復(fù)雜裂縫性地層通?？梢杂勺⑷雺毫η€的頻繁波動、強(qiáng)烈的聲發(fā)射活動以及三維分布的聲發(fā)射事件來描述。Sakhaee-Pour［86］等將聲發(fā)射集成到滲流理論中預(yù)測巖石滲透率的增強(qiáng)，研究表明在水力壓裂刺激作業(yè)中，每單位體積砂巖巖心中聲發(fā)射事件數(shù)量的增加，可提高巖心的滲透率和改造體積，這說明大量聲發(fā)射事件的產(chǎn)生暗示著巖石裂縫開啟數(shù)量的增加。

2.3.3 循環(huán)注入水力壓裂誘導(dǎo)微地震試驗

Dinske［87-88］等研究美國 Carthage氣田CottonValley氣藏微地震監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)在循環(huán)加載流體注入條件下水力裂縫重新開啟的過程中誘導(dǎo)的地震活動違背Kaiser效應(yīng)，相反地，停泵后水力裂縫閉合所涉及的地震活動受Kaiser效應(yīng)控制，將該現(xiàn)象歸因為緩慢裂縫閉合具有類地震特征，而快速裂縫重新開啟過程中會有摩擦和孔隙壓力擴(kuò)散。Zang［76］等為了增強(qiáng)儲層的水力性能以及減少誘發(fā)地震活動，提出了水力循環(huán)注入刺激方案，同時利用實驗方法研究了通過循環(huán)儲層處理的疲勞水力壓裂對降低誘發(fā)地震能量和增強(qiáng)巖石滲透率的影響。分析表明相對于傳統(tǒng)水力壓裂刺激，循環(huán)儲層處理可減少誘發(fā)地震事件數(shù)量和降低最大振幅地震事件的發(fā)生。Chitrala［89］等利用聲發(fā)射(AE)監(jiān)測方法研究了不同加載應(yīng)力條件下致密砂巖的水力裂縫傳播，分析了地震事件發(fā)生的頻率以及地震機(jī)理。結(jié)果表明相比于拉伸失效，反映在震源機(jī)理上的剪切破壞較為普遍；裂縫的方位和發(fā)展受加載應(yīng)力方向和幅度控制。

2.3.4 國內(nèi)水力壓裂起裂與擴(kuò)展試驗

在國外循環(huán)注入水力壓裂試驗研究成果的基礎(chǔ)上，國內(nèi)少數(shù)學(xué)者針對循環(huán)注入水力壓裂進(jìn)行了初步試驗探索，但多集中在穩(wěn)定注入水力壓裂物理試驗方面。梁天成［90］等利用全三維大尺度水力壓裂物理模擬試驗系統(tǒng)研究了水泥樣品在循環(huán)和常規(guī)2種泵注條件下的起裂擴(kuò)展和聲發(fā)射規(guī)律。試驗得出相對于普通泵注，采用循環(huán)泵注方式進(jìn)行水力壓裂可有效降低起裂壓力，類似于單軸和三軸循環(huán)加載下巖石力學(xué)行為，都是由于循壞載荷引起疲勞損傷。柳占立［91］等建立了頁巖本構(gòu)模型和斷裂力學(xué)理論，開展了頁巖人工裂縫擴(kuò)展的大型物理模型試驗。陳勉［92］等采用大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)模擬地層條件，對天然巖樣和人造巖樣進(jìn)行了水力壓裂裂縫擴(kuò)展試驗，并實現(xiàn)對裂縫擴(kuò)展的實際物理過程進(jìn)行監(jiān)測。賈長貴［93］等通過真三軸模擬試驗，研究了井斜角、井眼方位角、射孔方式對斜井壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及延伸規(guī)律的影響，得出射孔方位對壓裂影響較大，決定了裂縫起裂的方向；斜井水力壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展與井眼周圍的應(yīng)力分布和原始地應(yīng)力密切相關(guān)，無論裂縫從何處起裂，裂縫總沿最大主應(yīng)力方向延伸；射孔孔眼的存在改變了井眼周圍的應(yīng)力分布，影響近井地帶水力裂縫的起裂與擴(kuò)展；裂縫易于在射孔孔眼根部起裂，之后發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終轉(zhuǎn)到最大主應(yīng)力方向；孔眼在最大主應(yīng)力方向易產(chǎn)生平整大裂縫，且破裂壓力最低。張旭［94］等建立了一套頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗方法，利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測了頁巖壓裂裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展演化過程，觀察了水力壓裂裂縫形態(tài)，并探討了壓裂液黏度、地應(yīng)力差異系數(shù)、泵注排量等因素對水力裂縫形態(tài)及其擴(kuò)展的影響，表明隨壓裂液黏度降低、地應(yīng)力差異系數(shù)減少，水力裂縫沿天然裂縫方向延伸，將原有天然裂縫溝通并形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。李芷［95］等采用真三軸水力壓裂試驗對含天然層理弱面頁巖水力裂縫的起裂、擴(kuò)展及層理面的擴(kuò)展進(jìn)行了研究。結(jié)果表明起裂方向由初始角度轉(zhuǎn)至最大水平主應(yīng)力方向；垂向應(yīng)力與水平最大主應(yīng)力相差極小時，各方向起裂壓力相差極小，裂縫很快轉(zhuǎn)向最大水平主應(yīng)力方向；可形成由層理面與主裂縫構(gòu)成的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。

通過大型物理模擬試驗進(jìn)行水力壓裂裂縫起裂、擴(kuò)展及其水力裂縫與天然裂縫相互交錯擴(kuò)展研究是直觀認(rèn)識裂縫動態(tài)擴(kuò)展行為和完善現(xiàn)有水力壓裂理論的重要手段，可獲得較為客觀準(zhǔn)確的規(guī)律性認(rèn)識。值得注意的是，國外利用物理模擬試驗進(jìn)行了大量循環(huán)注入水力壓裂模擬，且在頁巖儲層和地?zé)犷I(lǐng)域率先開展了循環(huán)水力壓裂和疲勞水力壓裂的現(xiàn)場應(yīng)用，取得了一定的效果，但仍然存在諸多機(jī)理性的問題有待解決。國內(nèi)少數(shù)學(xué)者在國外研究成果的基礎(chǔ)上，初步進(jìn)行了循環(huán)水力壓裂物理試驗，但也都是一些重復(fù)性的工作，沒有新的認(rèn)識。因此，建議國內(nèi)專家學(xué)者在循環(huán)水力壓裂和疲勞水力壓裂方面深入開展基礎(chǔ)理論研究，通過真三軸物理模擬試驗探索機(jī)械循環(huán)加載與循環(huán)注入流體加載對巖石疲勞破壞的影響機(jī)理，并且根據(jù)試驗結(jié)果建立更實際的巖石破壞理論模型，真正從理論上解釋循環(huán)注入方式在降低巖石起裂壓力、增強(qiáng)巖石滲透率、增加微裂縫條數(shù)、提高油氣井產(chǎn)量、有效溝通巖石天然裂縫與斷層等方面所貢獻(xiàn)的作用。

3 啟示與建議

3.1 啟示

(1)工程與地質(zhì)的匹配性是水力壓裂作業(yè)的基礎(chǔ)。任何一種水力壓裂工藝在油氣井增儲上產(chǎn)方面能否成功實施主要取決于2個條件：一是對儲層地質(zhì)特征、水力裂縫動態(tài)擴(kuò)展機(jī)制及裂縫擴(kuò)展影響因素的規(guī)律性認(rèn)識；二是基于水力裂縫規(guī)律性認(rèn)識所設(shè)計的提高儲層有效改造體積和確保壓裂井筒(含管柱)安全的最優(yōu)壓裂泵注程序和施工規(guī)范。這2個條件歸結(jié)起來就是工程與地質(zhì)的匹配性，工程應(yīng)服從地質(zhì)，否則就有可能出現(xiàn)壓裂作業(yè)失敗、施工效果欠佳或油氣層壓力體系破壞等不良局面。

(2)穩(wěn)定注入與循環(huán)注入(或波動注入)方式是水力壓裂作業(yè)的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)水力壓裂工藝在施工過程中主要采用穩(wěn)定排量和壓力的注入方式。在正常壓裂階段地面壓裂泵組的泵注壓力和排量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。循環(huán)注入方式改變了傳統(tǒng)壓裂模式，依靠注入流體的壓力循環(huán)變化進(jìn)行壓裂，在一定程度上比傳統(tǒng)壓裂模式效果好。但是，在實際壓裂作業(yè)中，究竟選擇何種壓裂模式還需要進(jìn)行相關(guān)研究，如巖石性質(zhì)、儲層地應(yīng)力分布等對穩(wěn)定注入和循環(huán)注入方式的敏感性差異等，需進(jìn)行評估和優(yōu)選。

(3)與實際水力壓裂作業(yè)相似的水力壓裂物理模擬試驗，是實現(xiàn)壓裂新工藝先導(dǎo)性現(xiàn)場試驗的保障。水力壓裂是十分復(fù)雜的物理過程，在尚無有效測試方法實時監(jiān)測水力裂縫起裂與擴(kuò)展行為的前提下，采用室內(nèi)大型物理模擬試驗可以對水力裂縫起裂與延伸機(jī)制進(jìn)行監(jiān)測和觀察，但需要考慮其相似性，否則會降低模擬試驗的可信度。

3.2 建議

循環(huán)注入水力壓裂或水力波動注入壓裂目前在國內(nèi)處于起步階段，除了獲得一些初步的結(jié)論和認(rèn)識之外，仍面臨著不少技術(shù)挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步深入開展以下基礎(chǔ)研究與技術(shù)攻關(guān)。

(1)注入流體壓力和排量循環(huán)變化的形成機(jī)制研究。究竟通過何種方式才能產(chǎn)生不穩(wěn)定的注入壓力或排量是未來研究的首要問題，能否成功解決這一問題決定著循環(huán)注入或水力波動注入壓裂工藝的應(yīng)用前景。目前，水力壓裂室內(nèi)物理模擬試驗采用頻繁啟停泵來產(chǎn)生循環(huán)注入壓力，研究循環(huán)注入方式對水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的影響，然而在實際壓裂作業(yè)中不可能通過這種方式實現(xiàn)循環(huán)注入壓力。為此，提出2種可供參考的“地面和井下”解決方案：一是研發(fā)快速改變工作轉(zhuǎn)速(或工作頻率)的壓裂泵組，稱之為“變頻壓裂泵組”，其技術(shù)原理是直接通過變頻壓裂泵組形成不穩(wěn)定的壓力或排量［27］；二是研制井下壓力循環(huán)轉(zhuǎn)換裝置，其技術(shù)思路是通過井下壓力循環(huán)轉(zhuǎn)換裝置將常規(guī)壓裂泵組輸出的穩(wěn)定壓力或排量間接轉(zhuǎn)換成循環(huán)壓力。

(2)循環(huán)注入或水力波動注入壓裂條件下井筒壓力波動行為研究。根據(jù)循環(huán)注入壓力或排量的形成機(jī)制，系統(tǒng)開展壓裂過程中井筒壓力波動行為以及壓力波傳播特性研究，探討循環(huán)注入壓力或排量對井筒壓力波動和裂縫內(nèi)壓力的影響規(guī)律，研究壓裂過程中循環(huán)注入或水力波動注入的時機(jī)和范圍，以提高壓裂改造效果。

(3)循環(huán)注入或水力波動注入壓裂條件下儲層巖石起裂與擴(kuò)展機(jī)理研究。綜合考慮諸多因素的影響(如原地應(yīng)力、孔隙壓力、天然裂縫、完井方式、射孔參數(shù)、壓裂流體性能等)，系統(tǒng)開展循環(huán)注入或水力波動注入壓裂作業(yè)過程中巖石裂縫起裂壓力的預(yù)測研究，分析循環(huán)注入壓力或排量對裂縫延伸壓力和裂縫內(nèi)壓力波傳播特性的影響，分析循環(huán)注入或波動注入方式對裂縫內(nèi)支撐劑啟動與運(yùn)移的影響，以及循環(huán)注入或波動注入方式對巖石破裂壓力、裂縫滲透率、天然裂縫與微裂縫及產(chǎn)量的影響，從理論上解釋循環(huán)注入或水力波動注入方式對水力壓裂改造效果的積極作用。

(4)循環(huán)注入或水力波動注入壓裂物理模擬試驗基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場試驗。通過真三軸物理模擬試驗，研究循環(huán)注入或水力波動注入方式對巖石疲勞破壞的影響機(jī)理，特別是模擬復(fù)雜地層條件下循環(huán)注入或水力波動注入水力壓裂試驗，并且根據(jù)試驗結(jié)果建立更實際的巖石破壞理論模型和裂縫擴(kuò)展模型，以提高水力壓裂理論的預(yù)測能力，避免每口壓裂井的重復(fù)試驗。同時，結(jié)合水力壓裂室內(nèi)物理模擬試驗，系統(tǒng)開展循環(huán)注入或水力波動注入水力壓裂現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗研究，以建立循環(huán)注入壓力或排量、壓裂規(guī)模(砂量和液量)、壓裂流體組合方式與比例等施工參數(shù)與儲層巖石特征相適應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)庫，為大規(guī)模推廣應(yīng)用新工藝提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支撐。

(5)循環(huán)注入或水力波動注入壓裂條件下井下管柱動力學(xué)理論及控制技術(shù)研究?？紤]到循環(huán)注入或水力波動注入涉及的外界激勵載荷，應(yīng)系統(tǒng)研究壓裂過程中井下管柱的動力響應(yīng)和穩(wěn)定性，分析循環(huán)注入或水力波動注入?yún)?shù)對井下管柱響應(yīng)位移、固有頻率和穩(wěn)定性的影響；研究壓裂過程中井下管柱的動力特性，分析循環(huán)注入或水力波動注入?yún)?shù)對井下管柱應(yīng)力、強(qiáng)度的影響規(guī)律，以提出井下管柱安全控制技術(shù)措施和施工工藝參數(shù)設(shè)計控制準(zhǔn)則。

(6)加強(qiáng)循環(huán)注入水力壓裂和水力波動注入壓裂基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，盡快形成適合低滲透油氣藏和頁巖氣藏的非穩(wěn)態(tài)水力壓裂工藝基礎(chǔ)理論與配套技術(shù)。同時，建議相關(guān)裝備制造者盡快著手設(shè)計制造大型“變頻壓裂泵組”和“井下壓力循環(huán)轉(zhuǎn)換裝置”及其配套設(shè)備，以滿足低滲透油氣藏和頁巖氣藏的高效開發(fā)重大需求。

致謝

在論文寫作過程中得到了中國石油集團(tuán)川慶鉆探長慶井下技術(shù)作業(yè)公司王祖文教授級高級工程師的幫助和指導(dǎo)，在此表示感謝。