頁巖儲層水力壓裂裂縫展布數值模擬研究

摘 要：水平井及水力壓裂技術是當前非常規致密儲層，尤其是頁巖儲層開發的主要手段，然而，天然裂縫發育導致水平井水力壓裂形成復雜裂縫網絡，為合理優化壓裂設計及準確預測頁巖氣產能帶來困難。本文綜合考慮水力壓裂內流體湍流流動及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，建立了致密儲層水力壓裂裂縫網絡預測模型，應用混合有限元法對上述模型進行離散求解。計算研究表明：水力壓裂裂縫內流體湍流影響導致裂縫擴展速度明顯高于常規層流模型；水力壓裂裂縫與天然裂縫的相互作用是造成復雜裂縫網絡的主要原因。

關鍵詞：非常規儲層；水平井；壓裂；裂縫網絡；頁巖氣

頁巖氣是一種重要的非常規天然氣資源，根據美國能源情報署估計，中國的頁巖氣儲量超過其它任何一個國家，可采儲量有1275萬億立方英尺。按當前的消耗水平，這些儲量足夠中國使用300多年。頁巖儲層具有低孔特征和極低的基質滲透率，因此多數頁巖氣井都需要進行壓裂改造，目前美國已發展了水平井與水力壓裂相結合的頁巖氣開采主流技術[1-3]。頁巖氣儲層的壓裂改造不同于常規氣藏，由于頁巖儲層基質向裂縫的供氣能力較差，僅靠單一的壓裂主縫很難取得預期的增產效果，必須進行“體積壓裂”以形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，從而增加改造體積，提高初始產量和最終采收率。因此，精確模擬裂縫網絡分布是頁巖氣開發過程中壓裂方案優化和產能預測的基礎[4-5]。

對于水力壓裂裂縫預測的研究已經有半個世界的歷史，早期學者[6-7]基于均質和各相同性介質假設建立了傳統水力壓裂的雙翼擴展模型，裂縫垂直于最小主應力方向擴展。雙翼模型為常規油藏水力壓裂裂縫的擴展提供了一個簡單有效的預測方法，在石油與天然氣的開采中得到了廣泛的應用。

由于天然裂縫的存在以及巖石的非均質性和各向異性，水力壓裂應用于致密油氣藏、頁巖氣藏時會出現非常復雜的裂縫網絡，微地震數據對其進行了證實[8-9]。有些學者建立了復雜的裂縫網絡模型用來模擬水力裂縫的擴展及其與天然裂縫的相互作用[10-11]。部分學者基于非連續位移法建立了層面和摩擦界面對水力裂縫增長影響的模型，借助離散元法研究了天然裂縫對水力裂縫擴展的影響[12-13]。當前的研究多以裂縫內層流流體流動為基礎，且對于天然裂縫影響考慮過于單一。本文本文綜合考慮水力壓裂內流體湍流流動及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，提出了了致密儲層水力壓裂裂縫網絡預測模型，可以很好的預測致密儲層裂縫展布，對于致密儲層水力壓裂優化及產能預測有重要的理論意義。

1 模型建立

模型綜合考慮了儲層變形和破裂、裂縫內流體流動的影響，應用雙翼模型裂縫縫寬預測模型及擬三維思想，建立了致密儲層裂縫網絡擴展預測模型，具體包括：流體流動方程，裂縫寬度方程、系統流體質量守恒方程、裂縫擴展判別準則及輔助邊界條件等。