層理面強(qiáng)度對(duì)水力裂縫縫網(wǎng)演化影響研究*

韓偉歌 彭皓睿 崔振東 朱正國(guó) 劉 利 張康健

(①石家莊鐵道大學(xué),道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043,中國(guó))(②河北省金屬礦山安全高效開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050043,中國(guó))(③中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029,中國(guó))(④中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國(guó))(⑤中國(guó)科學(xué)院大學(xué),地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049,中國(guó))(⑥中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222,中國(guó))

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展,常規(guī)油氣資源日漸枯竭,全球戰(zhàn)略目光均已向非常規(guī)油氣資源轉(zhuǎn)移。而非常規(guī)油氣儲(chǔ)層滲透率低,想要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采,需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造,產(chǎn)生連通壓裂縫網(wǎng),為致密油氣增加滲流通道,提高儲(chǔ)層滲透率。而致密沉積儲(chǔ)層層理面較為發(fā)育,層理面可以為水力裂縫提供較好地導(dǎo)流通道,層理面也將直接決定水力壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜程度(劉玉章等,2017)。因此,探明水力裂縫與層理面的交互機(jī)制對(duì)揭示復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)的成因機(jī)理至關(guān)重要。

眾多學(xué)者開(kāi)展了室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn),觀察了層理面對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響過(guò)程(侯冰等,2014)。侯振坤等(2016)通過(guò)頁(yè)巖真三軸水力壓裂試驗(yàn)提出軟弱結(jié)構(gòu)面的存在是復(fù)雜縫網(wǎng)形成演化的基礎(chǔ)。李曉等(2019)通過(guò)對(duì)不同層理角度的頁(yè)巖試樣進(jìn)行壓裂試驗(yàn),揭示了層理面傾角對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑、孔壓曲線和起裂壓力的影響規(guī)律。孫可明等(2016)根據(jù)三軸水力壓裂試驗(yàn)結(jié)果,得到層理方向決定了水力裂縫擴(kuò)展方向。Daneshy(1978)通過(guò)理論和試驗(yàn)結(jié)合的方法研究了層理界面對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響。李芷等(2015)采用真三軸水力壓裂試驗(yàn),分析了水力裂縫與層理面交匯機(jī)制,水力裂縫在與層理面接觸后天然層理面開(kāi)始拉張或剪切破裂。衡帥等(2015)采用真三軸水力壓裂試驗(yàn),分析了層理在頁(yè)巖壓裂縫網(wǎng)形成中的重要作用。趙子江等(2019)采用循環(huán)漸進(jìn)升壓的排量控制方式,分析了頁(yè)巖層理面激活溝通過(guò)程。此外,學(xué)者也對(duì)層理面其他特性及斷層尺度和微納觀尺度(Cui et al.,2018; 崔振東等,2018; 馮雪磊等,2021)下的裂縫擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了研究,Guo et al.(2018)研究了層理面密度對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響,并以此建立了3種裂縫擴(kuò)展模型。趙海軍等(2016)利用數(shù)值模擬,分析了不同尺度下的天然結(jié)構(gòu)面對(duì)水力裂縫擴(kuò)展與演化的影響。同時(shí),油氣儲(chǔ)層中的天然裂縫可為油氣提供更多的運(yùn)移通道(霍健等,2021)。Huang et al.(2017)通過(guò)真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)揭示了層理面附近水力壓裂的基本傳播規(guī)律,提出水力裂縫的3種穿透模式。而這3種穿透模式在水力裂縫與天然裂隙相互作用數(shù)值模擬研究中也被眾多學(xué)者認(rèn)可,普遍認(rèn)為水力裂縫與天然裂縫相互作用模式主要為:穿透、截獲和偏轉(zhuǎn)(Zhang et al.,2017; Zhou et al.,2017; 郭靜蕓等,2018; Fu et al.,2019)。而這種模式主要受地應(yīng)力差和水力裂縫與天然裂縫的夾角影響(李勇明等,2015),通常認(rèn)為較低地應(yīng)力差條件或者水力裂縫與天然裂縫呈較小夾角時(shí),水力裂縫容易被天然裂縫捕獲。此外,Zeng et al.(2016)綜合考慮了裂縫間距和天然裂縫對(duì)水力裂縫的影響,探討了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理,得到裂縫間距和應(yīng)力各向異性對(duì)裂縫形態(tài)有顯著影響。Nagel et al.(2013)也根據(jù)水力裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力陰影現(xiàn)象,分析了新生水力裂縫對(duì)原位地應(yīng)力場(chǎng)的影響及其與天然裂縫之間的相互影響,得到水力裂縫引起的應(yīng)力場(chǎng)變化會(huì)顯著影響天然裂縫的狀態(tài),同時(shí)天然裂縫也影響水力壓裂的成功性。目前研究結(jié)果均表明層理面的存在對(duì)裂縫的擴(kuò)展具有重要影響(趙金洲等,2014; 王燚釗等,2018),而層理角度則主要決定巖石的破裂模式(張桂民等,2012; 張樹(shù)文等,2017),直接影響裂縫形態(tài),決定壓裂效果。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要聚焦在層理面角度對(duì)水力裂縫縫網(wǎng)演化的影響,但是層理面參數(shù)不僅僅有層理面角度,對(duì)于不同地區(qū)致密儲(chǔ)層的層理面強(qiáng)度性質(zhì)(膠結(jié)程度)也不相同,而目前對(duì)于層理面膠結(jié)程度對(duì)水力裂縫縫網(wǎng)演化影響的研究還較少。而揭示層理面強(qiáng)度對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響可指導(dǎo)不同地域針對(duì)性地設(shè)置壓裂方案,對(duì)優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì),提高油氣開(kāi)采率具有重要意義。

本文通過(guò)Python編程對(duì)有限元數(shù)值模型全局嵌入了0厚度Cohesive單元,建立了含軟弱層理面的離散網(wǎng)絡(luò)模型,基于該模型研究了層理面膠結(jié)程度對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響,并進(jìn)一步結(jié)合Matlab程序?qū)baqus有限元軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射(AE)數(shù)值模擬,結(jié)合AE數(shù)值結(jié)果精細(xì)化分析了水力裂縫的擴(kuò)展過(guò)程,揭示了水力裂縫與層理面的交互模式,為縫網(wǎng)形成演化機(jī)理分析提供重要理論支撐。

1 數(shù)值計(jì)算原理

1.1 黏性單元本構(gòu)方程

黏聚力模型(Cohesive zone model)首先由Dugdale(1960)和Barenblatt(1962)提出,該模型可較好地解決裂紋尖端奇異性問(wèn)題,可實(shí)現(xiàn)多種工況的裂紋擴(kuò)展研究(沈珉等,2018)。Cohesive單元采用基于牽引分離規(guī)律的線彈性本構(gòu)模型,在損傷開(kāi)始前,應(yīng)力-應(yīng)變滿(mǎn)足線彈性關(guān)系,即:

(1)

式中:t代表應(yīng)力;ε表示應(yīng)變; 下標(biāo)n表示法向; 下標(biāo)s和t表示兩個(gè)切向方向;K為單元?jiǎng)偠取?/p>

1.2 Cohesive模型流-固耦合原理

1.2.1 應(yīng)力平衡方程

巖石作為多孔介質(zhì)其變形的力學(xué)平衡方程可由虛功原理給出(Han et al.,2020):

(2)

(3)

式中:ρw是液體的密度;g是重力加速度,軟件里假設(shè)它在豎直方向上是恒定的。

(4)

式中:f為不考慮流體重力的單位體積力。

1.2.2 裂縫面內(nèi)流體流動(dòng)模型

假設(shè)裂縫內(nèi)的流體是連續(xù)且不可壓縮的,則流體在裂縫擴(kuò)展面單元中的流動(dòng)可劃分為切向流動(dòng)和法向流動(dòng)。

(1)流體切向流動(dòng)方程:裂縫單元表面的切向流動(dòng)可以用牛頓模型來(lái)模擬。在牛頓流體的情況下,體積流量可由以下表達(dá)式給出(Han et al.,2021):

Q=-ktp

(5)

式中:Q為排量;kt為切向滲透率;p為沿著破裂面的壓力梯度。

切向滲透率可根據(jù)雷諾方程來(lái)定義:

(6)

式中:d為破裂單元裂縫面的張開(kāi)位移;μ為壓裂液黏度。

(2)流體法向流動(dòng)方程:流體在破裂單元表面的法向流動(dòng)可解釋為流體流進(jìn)模擬區(qū)域單元上的體積速率,對(duì)應(yīng)于工程中的濾失現(xiàn)象。

流體在破裂單元上、下表面法向流計(jì)算公式(Han et al.,2021):

(7)

式中:qt、qb分別為流體進(jìn)入破裂單元上下裂縫表面的體積流速;pt、pb對(duì)應(yīng)上下表面孔隙壓力;pi為破裂單元邊上虛擬節(jié)點(diǎn)的流體壓力;ct和cb分別對(duì)應(yīng)上下表面濾失系數(shù),其定義為單位面積、單位壓差、單位時(shí)間的濾失體積。

1.3 裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則

1.3.1 損傷起始準(zhǔn)則

本文采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則作為裂縫起裂準(zhǔn)則:

(8)

(9)

即cohesive單元在純壓縮狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生起始損傷。

1.3.2 損傷演化準(zhǔn)則

損傷演化規(guī)律用于描述材料剛度退化的速率,定義損傷變量D來(lái)代表材料的總體損傷,D在損傷過(guò)程中從0演化到1。損傷變量對(duì)應(yīng)力分量的影響可由下式給出:

(10)

(11)

損傷變量D本文采用基于有效位移的線性軟化形式來(lái)表示:

(12)

(13)

1.4 聲發(fā)射數(shù)值模擬方法

聲發(fā)射(AE)技術(shù)作為檢測(cè)裂縫擴(kuò)展的有效手段,可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展,在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(He et al.,2010; 韓偉歌等,2017)。為了深入分析裂縫擴(kuò)展過(guò)程,本文基于聲發(fā)射方法的基本思想,采用Python編程語(yǔ)言對(duì)ABAQUS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),結(jié)合MATLAB編程處理模擬數(shù)據(jù)在有限元里實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射數(shù)值模擬技術(shù),準(zhǔn)確獲取了AE定位圖和AE特征參數(shù)。其基本思想如下(韓偉歌等,2019):

首先,提取所有損傷單元及開(kāi)始損傷時(shí)間,統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間下的損傷單元數(shù),以此作為聲發(fā)射事件數(shù); 其次,獲取損傷單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和耗散能,從而計(jì)算聲發(fā)射事件點(diǎn)定位坐標(biāo)及聲發(fā)射能量; 最后,得到損傷單元參數(shù)MMIXDME以此判斷裂縫破裂類(lèi)型。MMIXDME參數(shù)定義如下:

(14)

式中:Gn、Gs、Gt分別表示3種破裂類(lèi)型的斷裂能。MMIXDME數(shù)值為0時(shí)表示純拉破裂,為1時(shí)為純剪破裂,兩者之間則表示為拉剪混合破裂(韓偉歌等,2021)。

2 數(shù)值模型

巖石作為礦物集合體,由各種礦物顆粒組成,具有礦物非均質(zhì)性,而頁(yè)巖層理面又極為發(fā)育,需同時(shí)考慮頁(yè)巖礦物非均質(zhì)性及層理各項(xiàng)異性。

首先,建立尺寸為50m×50m的二維數(shù)值模型,在模型中心預(yù)制與最大主應(yīng)力方向平行的初始裂縫作為射孔,射孔長(zhǎng)度設(shè)為1m。同時(shí),采用0厚度cohesive單元構(gòu)建與最大主應(yīng)力方向呈30°的層理面。為了實(shí)現(xiàn)裂縫擴(kuò)展的隨機(jī)性,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)對(duì)模型全局嵌入0厚度cohesive單元(圖1),并分別對(duì)層理面處cohesive單元和實(shí)體單元間cohesive單元賦予不同材料屬性,從而突出層理面軟弱特征。

圖1 嵌入cohesive單元示意圖

此外,根據(jù)頁(yè)巖XRD礦物成分分析結(jié)果,確定頁(yè)巖所含礦物種類(lèi)及占比(Cui et al.,2022)(表1),通過(guò)Python編程對(duì)ABAQUS模擬軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),以網(wǎng)格單元來(lái)表征礦物顆粒,通過(guò)將相同類(lèi)型礦物單元建立成集合,并對(duì)不同集合進(jìn)行賦值,實(shí)現(xiàn)不同礦物間的材料差異性,從而實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖礦物的非均質(zhì)性。通過(guò)上述手段實(shí)現(xiàn)了礦物非均質(zhì)性及層理面各向異性模型的建立(圖2)。

表1 礦物成分及參數(shù)

圖2 礦物非均質(zhì)性模型

為了模擬不同層理面強(qiáng)度對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響,引入無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)F:

(15)

式中:Tb為層理面cohesive單元的抗拉強(qiáng)度;Tr為實(shí)體單元間cohesive單元的抗拉強(qiáng)度。

通過(guò)將層理面處的cohesive單元設(shè)置為不同的強(qiáng)度參數(shù),進(jìn)行4種無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)下的數(shù)值模擬試驗(yàn),具體參數(shù)如表2所示。

表2 Cohesive單元參數(shù)

基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置儲(chǔ)層參數(shù),水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為13MPa和7MPa,最大主應(yīng)力沿Y軸方向。滲透系數(shù)為10-7m·s-1、濾失系數(shù)為10-14m·(Pa·s)-1、壓裂液黏度為0.001Pa·s、最大排量為0.01m2·s-1(Han et al.,2020)。模型網(wǎng)格單元數(shù)為68,806個(gè),其中實(shí)體單元采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔隙流體/應(yīng)力單元(CPE4P),單元總數(shù)為22983個(gè); cohesive單元采用四節(jié)點(diǎn)黏性孔隙流體/應(yīng)力單元(COH2D4P),單元總數(shù)為45,823個(gè)。設(shè)置Geostatic與Soils分析步,采用瞬態(tài)固結(jié)分析,總分析步時(shí)間為60s。

3 模擬結(jié)果

提取不同層理面強(qiáng)度參數(shù)影響下的數(shù)值模擬結(jié)果,根據(jù)二次開(kāi)發(fā)聲發(fā)射模擬方法獲取聲發(fā)射模擬數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與聲發(fā)射數(shù)據(jù),得到層理面強(qiáng)度參數(shù)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響,研討了層理面強(qiáng)度參數(shù)對(duì)水力裂縫縫網(wǎng)形成演化的影響。

3.1 裂縫路徑和長(zhǎng)度

首先提取了不同層理面強(qiáng)度下的裂縫擴(kuò)展路徑(圖3)。根據(jù)裂縫路徑圖可知,裂縫從射孔處起裂后,主裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。而層理面會(huì)阻礙裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展,由于層理面強(qiáng)度較弱,導(dǎo)致裂縫沿層理面順層滑移,層理效應(yīng)明顯。層理面較弱時(shí),水力裂縫擴(kuò)展路徑由層理面主導(dǎo),裂縫直接沿著層理面滑移貫通。隨著無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)的增大,裂縫擴(kuò)展由層理面主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷永砻婧偷貞?yīng)力共同作用,破裂方式也由順層破裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫槍雍痛悠屏呀换グl(fā)生的復(fù)合破裂類(lèi)型。當(dāng)無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為1時(shí),層理面對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑將不起任何作用。此外,順層破裂裂縫寬度要小于穿層破裂,低縫寬的順層破裂不利于支撐劑的運(yùn)移填充。根據(jù)裂縫路徑可知,當(dāng)無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為0.5時(shí),裂縫擴(kuò)展路徑最復(fù)雜,越易產(chǎn)生高縫寬的復(fù)雜交錯(cuò)裂縫網(wǎng)絡(luò),有利于支撐劑的運(yùn)移,可實(shí)現(xiàn)高效油氣開(kāi)采。

圖3 裂縫路徑,其中裂縫寬度由顏色表征,從藍(lán)色到紅色裂縫寬度逐漸增大

此外,提取了不同層理面強(qiáng)度系數(shù)下的總裂紋長(zhǎng)度及順層、穿層裂紋長(zhǎng)度(圖4),隨著強(qiáng)度系數(shù)的增大,順層裂縫長(zhǎng)度越來(lái)越小,直到強(qiáng)度系數(shù)為1時(shí)達(dá)到0,表明層理面強(qiáng)度越弱,裂縫受層理面的影響越大,裂縫順層滑移長(zhǎng)度越大?？偭芽p長(zhǎng)度與穿層裂縫長(zhǎng)度越來(lái)越大,在強(qiáng)度系數(shù)為0.75時(shí)到達(dá)峰值,之后降低。表明層理面的存在有利于裂縫長(zhǎng)度的增長(zhǎng),有利于增大裂縫面積,增加油氣滲流通道,但是層理面強(qiáng)度參數(shù)對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展影響并非絕對(duì)的,當(dāng)無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為0.5時(shí),可以得到復(fù)雜的壓裂縫網(wǎng),當(dāng)強(qiáng)度系數(shù)為0.75時(shí),可得到最大的裂縫長(zhǎng)度,而當(dāng)強(qiáng)度系數(shù)再增大到1時(shí),裂縫復(fù)雜程度和裂縫長(zhǎng)度均劣化。

圖4 裂縫長(zhǎng)度

3.2 聲發(fā)射定位圖和聲發(fā)射事件數(shù)

利用Python編程獲取聲發(fā)射參數(shù),結(jié)合Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了AE定位圖繪制(圖5)。

圖5 聲發(fā)射定位圖

其中:AE能量和破裂類(lèi)型分別由AE事件點(diǎn)大小和顏色來(lái)表示,紅色表示為純拉破裂,紫色為純剪破裂,兩者之間為拉剪混合破裂。根據(jù)聲發(fā)射定位圖可知,整個(gè)水力裂縫的擴(kuò)展過(guò)程是拉張破裂和剪切破裂同時(shí)作用的結(jié)果,順層滑移破裂總是表現(xiàn)為剪切破裂類(lèi)型,穿層破裂則為拉張破裂類(lèi)型。拉張破裂類(lèi)型的能量要大于剪切破裂類(lèi)型,并且裂縫在貫通模型邊界時(shí),存在大能量聲發(fā)射事件點(diǎn)。無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為0.25時(shí),在射孔下部產(chǎn)生剪切破裂,由于層理面強(qiáng)度較弱,并且在礦物非均質(zhì)性的影響下,裂縫還沒(méi)有克服射孔下部強(qiáng)礦物的影響,裂縫就已經(jīng)沿著層理面滑移貫通,因此在射孔下方?jīng)]有聲發(fā)射事件發(fā)生。

此外,認(rèn)定參數(shù)MMIXDME值小于0.5時(shí)拉張破裂占主導(dǎo),0.5～1之間為剪切占主導(dǎo),基于此利用Matlab提取了不同破裂類(lèi)型的AE事件數(shù)(圖6)。4種工況下拉張破裂類(lèi)型AE事件數(shù)要明顯大于剪切破裂類(lèi)型AE事件數(shù),拉張破裂占主導(dǎo)地位。隨著無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)的增大,總AE事件數(shù)、拉張破裂AE事件數(shù)、剪切破裂AE事件數(shù)均呈先增大后減小的趨勢(shì),即隨著層理面強(qiáng)度的增大,破裂事件數(shù)逐漸增大,但強(qiáng)度增大到某一值時(shí),則聲發(fā)射事件數(shù)開(kāi)始減小。強(qiáng)度系數(shù)為0.5時(shí)的剪切破裂事件數(shù)最多,強(qiáng)度系數(shù)為0.75的拉張破裂事件數(shù)最多。因此,層理面強(qiáng)度太強(qiáng)或太弱,都不利于水力裂縫縫網(wǎng)的產(chǎn)生。

圖6 聲發(fā)射事件數(shù)

3.3 孔隙水壓力曲線和聲發(fā)射能量

進(jìn)一步提取了不同層理面強(qiáng)度的孔隙水壓力曲線及整個(gè)壓裂過(guò)程中的聲發(fā)射能量如圖7所示。不同層理面強(qiáng)度下,聲發(fā)射能量與孔壓曲線均表現(xiàn)出相似變化趨勢(shì)。達(dá)到起裂壓力后裂縫起裂,開(kāi)始產(chǎn)生聲發(fā)射能量,隨著壓裂的進(jìn)行,孔壓不斷增大,裂縫持續(xù)擴(kuò)展,聲發(fā)射能量分布在整個(gè)壓裂階段,直到裂縫貫通,孔壓驟降,壓裂完成。根據(jù)孔壓降出現(xiàn)的時(shí)間,可以判斷層理面強(qiáng)度越弱,裂縫越容易順著層理破裂貫通,越早出現(xiàn)孔壓降。無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為0.25時(shí),在壓裂初始階段,存在高能量聲發(fā)射事件,之后聲發(fā)射能量趨于平穩(wěn),結(jié)合圖3裂縫路徑可以發(fā)現(xiàn),裂縫起裂后主要順著層理面滑移破裂,所以有較為平穩(wěn)的聲發(fā)射能量。強(qiáng)度系數(shù)為0.5時(shí),聲發(fā)射能量在整個(gè)壓裂過(guò)程中分布參差不齊,根據(jù)圖5聲發(fā)射定位圖可知,穿層破裂聲發(fā)射能量要大于順層破裂,因此,高低聲發(fā)射事件能量的交錯(cuò)分布表明了穿層破裂與順層破裂的交替發(fā)生。在裂縫貫通模型邊界時(shí),出現(xiàn)孔壓降,同時(shí)有高聲發(fā)射能量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。

圖7 孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線和聲發(fā)射能量隨時(shí)間分布圖

4 討 論

4.1 礦物非均質(zhì)性對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響

由上述研究?jī)?nèi)容可知在F=0.25時(shí),水力裂縫在射孔上部沿著層理面滑移貫通,射孔下方儲(chǔ)層并未開(kāi)裂。由于本文考慮了巖石的礦物非均質(zhì)性,因此,認(rèn)為這種現(xiàn)象是礦物非均質(zhì)性導(dǎo)致的。為驗(yàn)證這種假設(shè),提取F=0.25時(shí),不同注入時(shí)間下流體有效速度矢量云圖(圖8)。

圖8 不同時(shí)間下流體有效速度矢量云圖

由圖8可以發(fā)現(xiàn),云圖分布存在明顯的非均質(zhì)性。在裂縫開(kāi)始擴(kuò)展前,流體有效速度主要集中在射孔上方,促使射孔上部?jī)?chǔ)層開(kāi)裂; 上部裂縫擴(kuò)展至層理面后,流速主要沿著層理面分布,而此時(shí)流體在層理面內(nèi)流動(dòng)更加通暢,導(dǎo)致射孔下部的壓力持續(xù)減小,更難以開(kāi)裂。結(jié)合圖2礦物非均質(zhì)模型可以發(fā)現(xiàn),在射孔下部存在堅(jiān)硬石英聚合體,從而導(dǎo)致了該位置儲(chǔ)層在一定壓力下難以開(kāi)裂,而隨著上部?jī)?chǔ)層的開(kāi)裂擴(kuò)展,流體持續(xù)向上部匯聚,使得射孔下部更難以達(dá)到起裂應(yīng)力,從而導(dǎo)致了裂縫的非同步性擴(kuò)展。

4.2 排量對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響

針對(duì)礦物非均質(zhì)性引起的水力裂縫非同步擴(kuò)展問(wèn)題,考慮不同排量大小對(duì)水力裂縫影響。在F=0.25時(shí),增加最大排量為0.1m2·s-1時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果(圖9)。

圖9 F為0.25時(shí)不同排量下裂縫擴(kuò)展路徑

對(duì)比兩種排量下的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),大排量在一定程度上可以減小礦物非均質(zhì)性的影響,射孔上下儲(chǔ)層均開(kāi)裂,最終沿著層理面滑移貫通破壞。排量為0.1m2·s-1時(shí),提供了更多的能量可抵抗射孔下部石英聚合體的影響,水力裂縫穿透聚合體,擴(kuò)展至層理面,從而被層理面捕獲。此外,排量越大裂縫寬度越大,越有利于支撐劑的運(yùn)移。

針對(duì)上述F=0.75時(shí)的工況,由于此時(shí)層理面強(qiáng)度較強(qiáng),層理面效應(yīng)較弱,層理作用下的位錯(cuò)縫網(wǎng)較少,考慮從排量控制方式上增加層理面的積極作用。因此,開(kāi)展兩種排量控制方式下的模擬研究,排量控制方式如圖10所示。

圖10 不同注入速率控制方式

一種為直接加載,另一種為循環(huán)加載,即加載至最大排量后,再卸載一定時(shí)間,如此往復(fù)循環(huán)。最終提取兩種加載方式下的裂縫路徑(圖11)。

圖11 不同注入速率控制方式下裂縫路徑

圖11中藍(lán)色為穿層破裂,紅色為順層破裂?？梢园l(fā)現(xiàn),直接加載方式下,由于層理面的軟弱性,共有14處層理面被激活起裂,但水力裂縫并沒(méi)有繼續(xù)沿著層理面滑移破壞,位錯(cuò)式裂紋只有2處,不利于產(chǎn)生壓裂縫網(wǎng)。而在循環(huán)加載方式下,共有16處層理面被激活,其中7處小位錯(cuò)滑移裂紋,層理面位錯(cuò)滑移式裂紋的產(chǎn)生充分發(fā)揮了層理面的積極效應(yīng),有利于產(chǎn)生壓裂縫網(wǎng)。此外,循環(huán)加載方式下,在主裂縫附近存在更多的次級(jí)裂縫,增加了裂縫面積,為油氣提供了更多運(yùn)移通道。

5 結(jié) 論

本節(jié)采用全局嵌入0厚度cohesive單元的方法,研究了不同層理面強(qiáng)度對(duì)水力裂縫縫網(wǎng)演化的影響,結(jié)合聲發(fā)射數(shù)值模擬結(jié)果,分析了不同層理面強(qiáng)度下的水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程,得到以下結(jié)論:

(1)最大主應(yīng)力和層理面均是裂縫擴(kuò)展的控制因素,最大主應(yīng)力宏觀上決定水力裂縫整體走勢(shì),而層理面則會(huì)在局部捕獲水力裂縫,干擾裂縫擴(kuò)展方向。并且,層理面越弱,對(duì)水力裂縫的捕獲能力則越強(qiáng),裂縫越容易順層滑移破裂。

(2)礦物非均質(zhì)性可引起應(yīng)力非均勻分布,導(dǎo)致水力裂縫非同步擴(kuò)展,間接增加水力裂縫的復(fù)雜程度。

(3)孔隙水壓力及聲發(fā)射能量變化特征可間接表征裂縫擴(kuò)展情況,聲發(fā)射能量分布越交錯(cuò)復(fù)雜,孔隙水壓力曲線越波動(dòng),則裂縫路徑越復(fù)雜。

(4)層理面強(qiáng)度太強(qiáng)或太弱均不利于壓裂縫網(wǎng)的產(chǎn)生,層理面強(qiáng)度參數(shù)存在最優(yōu)值,本文中無(wú)因次層理面強(qiáng)度系數(shù)為0.5時(shí),裂縫擴(kuò)展路徑最復(fù)雜,易產(chǎn)生復(fù)雜交錯(cuò)裂縫網(wǎng)絡(luò),有利于致密油氣開(kāi)采。

(5)根據(jù)不同層理面強(qiáng)度破裂特征可針對(duì)性的設(shè)計(jì)壓裂方案。對(duì)于弱層理面油氣儲(chǔ)層可適當(dāng)增大排量以減弱層理面的不利影響。而針對(duì)高強(qiáng)度層理面儲(chǔ)層可采用循環(huán)加壓、憋壓等方式充分激活天然層理面,增大裂縫網(wǎng)絡(luò)面積,實(shí)現(xiàn)油氣高效開(kāi)采。