煤層壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為分析

張　鵬,吳百烈,韓延飛（.石化勝利石油工程有限公司井下作業公司,山東　東營　57000;　.中海油研究總院,北京　0007）

煤層壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為分析

張鵬1,吳百烈2,韓延飛1
（1.石化勝利石油工程有限公司井下作業公司,山東東營257000;2.中海油研究總院,北京100027）

基于實地挖掘觀察煤巖壓裂后裂縫形態特征，通過理論推導方式研究了煤巖壓裂水力裂縫與天然裂縫相互作用行為。分析了水力裂縫遭遇天然裂縫后的擴展過程，采用巖石力學、線彈性斷裂力學理論，推導了水力裂縫遭遇天然裂縫擴展行為判定判據，該準則可用于煤層壓裂模型中，模擬水力裂縫擴展，解釋煤層壓裂復雜裂縫形成原因。

煤層壓裂；水力裂縫；天然裂縫；裂縫形態；判據；復雜裂縫

研究煤層水力裂縫與天然裂縫相互作用行為，是正確表征壓后裂縫形態的重要基礎，對提高煤層壓裂設計的準確性具有重要作用。本文首先分析水力裂縫遭遇到天然裂縫后的擴展過程，隨后基于巖石力學、線彈性巖石斷裂力學理論，推導了不同擴展行為判別準則，研究了水力裂縫對天然裂縫存在狀態影響。研究成果對于認識煤層壓裂復雜裂縫形成機理具有一定作用。

1　水力裂縫擴展過程

在水力裂縫與天然裂縫遭遇之前，當兩者相距較遠時，天然裂縫對水力裂縫擴展的影響很小，水力裂縫沿最大主應力方向擴展；而當水力裂縫與天然裂縫相距很近甚至遭遇時，天然裂縫會對水力裂縫擴展帶來影響。概括來講，遭遇天然裂縫后，水力裂縫可發生如下情況：

（1）在遭遇天然裂縫前水力裂縫沿最大主應力方向擴展。

（2）水力裂縫遭遇到天然裂縫后，在起初一段時間內天然裂縫對水力裂縫的擴展沒有影響，水力裂縫徑直穿過天然裂縫。隨著水力裂縫不斷擴展，當縫內流體壓力達到某臨界值時，天然裂縫張開。當擴展的天然裂縫繼續擴展遭遇到其他天然裂縫時，新的最優方位的天然裂縫可能會開啟并擴展，水力裂縫穿過天然裂縫后繼續擴展，同時天然裂縫開啟并擴展，兩者共同作用即形成復雜裂縫網絡系統。

2　水力裂縫擴展行為判定準則

天然裂縫與煤層氣儲藏巖石力學性質不同，實際上它可以看作為一個弱面，圖1顯示了水力裂縫縫尖端及天然裂縫壁面受力情況。

圖中藍色代表水力裂縫，紅色代表天然裂縫，遠場最大地應力為，最小水平主應力為，規定拉應力為正壓應力為負。天然裂縫方位角（與最大水平地應力夾角）為，水力裂縫與天然裂縫交叉點處由于應力奇異作用存在微小范圍的應力屈服塑性區，假設其屈服半徑為。水力裂縫穿過天然裂縫需要同時滿足以下兩個條件：（1）水力裂縫作用下，天然裂縫壁面不發生剪切滑移或者張性開裂；（2）水力裂縫尖端處最大主應力達到巖石本體抗拉強度。

依據判定方法，利用VisualBasic語言編制計算程序對水力裂縫遭遇天然裂縫后擴展行為進行分析，研究了天然裂縫方位、壁面摩擦系數、最大最小水平主應力比對水力裂縫擴展行為的影響。對于特定走向的天然裂縫，水力裂縫擴展行為主要受最大最小水平主應力比影響，應力比越大，水力裂縫越容易穿過天然裂縫。因此可以看出，在高主應力比和高逼近角的情況下，水力裂縫易直接穿過天然裂縫；在低主應力比和低逼近角的情況下，水力裂縫易發生轉向，沿天然裂縫方向擴展。

3　水力裂縫對天然裂縫存在狀態影響

在原始條件下，受圍壓作用天然裂縫處于閉合狀態，水力裂縫的存在會使天然裂縫壁面受力狀態發生改變，導致天然裂縫結構破壞。具體表現：

（1）在遭遇天然裂縫時，水力裂縫沿天然裂縫擴展導致天然裂縫結構破壞，可以通過水力裂縫擴展行為判定準則表征；

（2）在水力裂縫遭遇天然裂縫之前，天然裂縫保持完好，在穿過之后，由于水力裂縫縫內壓力作用導致天然裂縫壁面有效應力大幅減小，原來處于閉合狀態的天然裂縫可能會張開。壓裂施工過程中當水力裂縫縫內壓力達到時，與水力裂縫相交的天然裂縫將會破壞并開啟。煤層壓裂中由于煤粉堵塞、裂縫轉向等原因，很容易達到上述條件，天然裂縫開啟后將大大增加裂縫形態復雜度。

1）天然裂縫方位影響。這里所說的方位是指天然裂縫走向與最大水平地應力之間的夾角。

2）應力狀態影響。天然裂縫開啟壓力受應力差影響很小，但受絕對應力水平控制顯著。天然裂縫開啟所需的凈壓力很小（開啟壓力與最小水平地應力之差），實際壓裂由于煤粉阻塞憋壓，很容易滿足凈壓力要求，造成大量天然裂縫開啟，導致煤巖壓裂濾失嚴重。

3）壁面摩擦系數影響.壁面摩擦系數越大，所需的開啟壓力越大。采用低排量施工，降低井底施工壓力有利于天然裂縫的穩定，減小濾失量，提高壓裂液效率。

4　結論

（1）水力裂縫遭遇到天然裂縫后可能發生以下行為：1）徑直穿過天然裂縫，隨后天然裂縫開啟，開啟后的天然裂縫會在某個弱面處突破；2）水力裂縫沿著天然裂縫擴展，隨后在與天然裂縫相交的某個弱面處突破并繼續擴展。

（2）提出了擴展準則。利用線彈性斷裂力學、巖石力學理論，推導了水力裂縫遭遇天然裂縫后擴展行為判據。判據顯示：高水平主應力差和高逼近角條件，有利于水力裂縫直接穿過天然裂縫，低水平主應力差和低逼近角條件，有利于水力裂縫沿著天然裂縫方向擴展。

（3）研究了水力裂縫對天然裂縫開啟的影響，提出了水力裂縫穿過天然裂縫后，天然裂縫開啟判定準則，指出天然裂縫開啟受本身方位、應力條件、壁面摩擦系數影響：在0到90°之間，存在一個最優方位使得天然裂縫最容易開啟；應力條件越高所需開啟壓力越大；壁面摩擦系數越高所需開啟壓力越大，理論判據可用于預測復雜裂縫的形成。

[1]任東梅,張烈輝,陳軍,張明.煤層氣藏于常規天然天然氣藏地質及開采特征比較[J].西南石油學院學報,2001,23(05):29-32.