頁巖儲層水力壓裂裂縫相互作用分析研究

趙超能

（西安石油大學，陜西西安710065）

頁巖儲層水力壓裂裂縫相互作用分析研究

趙超能

（西安石油大學，陜西西安710065）

水平井分段壓裂是對頁巖進行儲層改造和增產(chǎn)的一項工藝技術(shù)，在進行體積壓裂過程中，裂縫尖端產(chǎn)生應力集中，并且人工裂縫之間也會因為應力干擾而產(chǎn)生相互作用，對于延長陸相頁巖儲層，結(jié)合線彈性斷裂力學理論，運用有限元方法對裂縫之間的相互作用進行了研究，結(jié)果表明：裂縫擴展以張開型為主，裂縫之間存在應力干擾作用，進行單井壓裂時，裂縫會相互排斥，隨著間距的增加，排斥作用降低，為頁巖儲層壓裂改造提供參考和依據(jù)。

泥巖；水力壓裂；裂縫；相互作用

近年來，北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)取得巨大成功，使美國已經(jīng)成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國。相關(guān)預測表明，未來數(shù)十年，頁巖氣資源將在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用[1]。頁巖儲層的滲透率極低，對低滲透頁巖儲層進行體積壓裂改造（SRV），從而形成復雜縫網(wǎng)是實現(xiàn)頁巖儲層經(jīng)濟開發(fā)的關(guān)鍵[2]。Fisher等[3]認為水力裂縫以及相互連接的天然裂縫，能夠大幅度地增加井筒與儲層的接觸面積。馬兵等[4]根據(jù)線彈性斷裂力學理論，運用邊界元計算理論研究了單條水力縫與單條天然裂縫的相互作用。Zhou等[5]運用不連續(xù)位移法，提出評價因子“H”，研究了評價因子對人工裂縫相互作用的影響。劉順等[6]基于物質(zhì)守恒原理，建立了水力裂縫與天然裂縫正交時的計算模型。國外一些學者Blanton、Warrinski等針對裂縫相互作用-特別對水力裂縫與天然裂縫進行了試驗研究[7，8]。本文基于斷裂力學理論，結(jié)合延長陸相頁巖儲層物性參數(shù)，運用有限元軟件研究水力裂縫相互作用。

1 延長陸相頁巖儲層

鄂爾多斯盆地（Ordos Basin），又稱陜甘寧盆地，地處華北地區(qū)西部，是華北板塊中發(fā)育的一個大型的中生代內(nèi)陸、多旋回、疊合型沉積盆地，是我國繼塔里木盆地之后的第二大含油氣沉積盆地。鄂爾多斯盆地三疊系延長組油頁巖不僅是延長組的生油巖，而且是延長組頁巖氣的生、儲層位。延長組頁巖氣儲層屬于陸相沉積，具有埋藏深度淺，分布穩(wěn)定，厚度較大，孔隙度、基質(zhì)滲透率極低，巖性脆等特點。

本文選用延頁平1井作為研究對象，巖石力學參數(shù)（見表1）。由表1中數(shù)據(jù)可知該井的楊氏模量范圍為19 510.96 MPa～30 180.03 MPa，泊松比范圍為0.069～0.196，由此可見，延長陸相頁巖儲層的脆性程度較高。

表1 延頁平1井巖石力學及地應力參數(shù)

2 裂縫擴展理論

根據(jù)傳統(tǒng)斷裂力學理論，裂紋類型分為三類[9]，分別為：（1）張開型；（2）剪切型；（3）滑移型（見圖1）。本文使用應力強度因子（Stress Intensify Factor）來表征裂紋前緣的應力集中程度。

圖1 裂紋類型（由左及右分別為張開型、剪切型和滑移型）

當水力裂縫尖端強度因子（Kf）超過巖體結(jié)構(gòu)的斷裂韌性（Kc）時，裂縫發(fā)生擴展。對于裂縫擴展方向，本文采用最大周向應力理論（Maximum Circumferential Stress Criterion）判定，其基本觀點是：（1）假設裂紋起裂的方向為等周線上周向正應力σθ達到最大值時所對應的方向；（2）該方向的應力強度因子達到臨界值。對于復合型裂紋，其表達式如下：

裂紋尖端各方向應力場表達式如下[10]：

3 裂縫相互作用分析

本文采用美國康奈爾大學斷裂工作組編制的Franc2D有限元軟件進行水力裂縫尖端強度因子的計算，結(jié)合延頁平1井的相關(guān)數(shù)據(jù)，并假設該儲層各向同性，建立巖體受力模型（見圖2），最大水平主應力為25 MPa，最小水平主應力為20 MPa，下面對裂縫間相互作用展開分析。

圖2 巖體受力模型

3.1 存在單條水力裂縫

當水力壓力為23 MPa，巖體中僅存在一條水力裂縫時，經(jīng)過有限元軟件計算，得到的應力云圖（見圖3）。

圖3 存在單條水力裂縫時的尖端應力場云圖

由云圖可以看出，在裂縫尖端周圍應力集中程度較高，守恒積分（J積分）和位移相關(guān)法（Displacement Correlation）的計算結(jié)果顯示，I型應力強度因子分別為615.38 MPa·mm1/2（單位已轉(zhuǎn)換）和642 MPa·mm1/2，II型應力強度因子分別為-0.827 MPa·mm1/2和-0.721 MPa·mm1/2，由此可見，裂縫起裂類型以I型（張開型）為主。由最大周向正應力理論判斷的擴展方向為最大主應力方向。

3.2 兩條水力裂縫時的相互作用

頁巖儲層多數(shù)依靠水平井分段壓裂，使主裂縫之間產(chǎn)生的相互干擾，以及主裂縫與多級次生縫相互交織，形成復雜裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)，使得井筒與儲層基質(zhì)之間的接觸面積達到最大化[11]。本文選用Franc2D軟件進行有限元計算分析，其中網(wǎng)格劃分來自Franc2D軟件的自帶功能，其準確性已被相關(guān)國內(nèi)學者所驗證[12，13]。

單井壓裂時，同樣，選用上例中的相關(guān)參數(shù)，在水平井筒方向（即圖中水平方向）上設計兩條對稱水力裂縫，水力壓力為23 MPa，對水平井分段壓裂的一段中的兩簇裂縫相互作用進行分析，得到的各方向應力場云圖（見圖4）。

圖4 存在兩條水力裂縫時的尖端應力場云圖

當巖體中存在兩條水力裂縫時，從應力場云圖來看，由于受到擠壓，沿著水力裂縫，在x方向上的應力影響區(qū)域發(fā)生部分擠壓重疊，該重疊區(qū)域范圍隨著縫間距的增加而減小。計算結(jié)果顯示，應力場干擾使裂尖的應力強度因子相對于僅存在單條裂縫的情況下減小了18%，說明在干擾情況下，裂縫起裂難度增加。

圖5 存在兩條水力裂縫時的巖體變形圖及應力場云圖

當水力裂縫擴展時，模擬發(fā)現(xiàn)，水平井同時壓裂兩條裂縫時，隨著水力裂縫的擴展，裂縫不再沿著原來的方向延伸，而是朝著遠離對方裂縫的方向偏轉(zhuǎn)（見圖5）。當兩條裂縫同時擴展時，裂縫尖端產(chǎn)生拉應力集中，從裂縫尖端向外，應力具有遞減的趨勢，由于裂縫間相互干擾程度較高，導致裂縫之間的剪應力區(qū)域減小，說明容易產(chǎn)生剪切裂縫，因此在進行頁巖儲層壓裂設計時要選擇合理的縫間距。

4 結(jié)論

（1）進行壓裂作業(yè)時，裂縫尖端產(chǎn)生應力集中，裂縫擴展類型以I型（張開型）為主，延伸方向為最大主應力方向。

（2）單井壓裂兩條裂縫時，水力裂縫朝著遠離對方的方向擴展。而多裂縫情況下，特別是三條及以上裂縫時產(chǎn)生的誘導應力，有可能會使應力反轉(zhuǎn)，因此，在進行壓裂設計時，要考慮縫間相互作用機制，合理確定壓裂縫間距。

（3）由于頁巖儲層具有脆性特征，通常情況下，天然裂縫發(fā)育程度較高，盡管國內(nèi)外部分學者也對裂縫相互作用展開了研究[14，15]，但是其機理仍然不是很明確，并且多數(shù)為二維情況，是裂縫相互作用研究的難點，也是下一步要開展的研究工作。

［1］胡風濤，白振瑞，等．北美頁巖氣資源及開發(fā)［M］．北京：中國石化出版社，2015：71-79．

［2］程遠方，李友志，時賢，等．頁巖氣體積壓裂縫網(wǎng)模型分析及應用［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（9）：53-59．

［3］Fisher M.K.，Wright C.A.，Davidson，B.M.Integrating Fracturing Mapping Technologies to Optimize Stimulations［J］.SPE 77441，2002.

［4］馬兵，李憲文，劉順，等．致密油層體積壓裂人工裂縫與天然微裂縫相互作用研究［J］．西安石油大學學報（自然科學版），2015，30（2）：44-49．

［5］Desheng Zhou，Peng Zheng，He Pei，et al.Hydraulic fracture propagation direction during volume fracturing in unconventional reservoirs［J］．Journal of Petroleum Science and Engineering，2016，（141）：82-89.

［6］劉順，何衡，王俊奇，等．水力壓裂的天然裂縫延伸簡單模型［J］．斷塊油氣田，2016，23（4）：488-491．

［7］BLANTON T L.An experimental study of interaction between hydraulically induced and pre-existing fractures［R］.SPE 10847，1982.

［8］Warrinski N R，TEUFEL L W.Influence of geologic discontinuities on hydraulic fracture propagation［J］.Journal of Petroleum Technology，1987，39（2）：209-220.

［9］張曉敏，萬玲，嚴波，等．斷裂力學［M］．北京：清華大學出版社，2012：10-137．

［10］蔡美峰，何滿朝，劉東燕．巖石力學與工程［M］．北京：科學出版社，2015：429-494．

［11］葉小闖，王曉明，李勇濤．水平井體積壓裂技術(shù)在蘇里格氣田應用效果評價［J］．石油化工應用，2016，35（4）：47-51．

［12］唐婷婷．基于FRACN2D/L的裂紋問題的彈性與塑性數(shù)值模擬分析［D］．西安：西安理工大學，2010：6-70．

［13］冒小萍．應力斷料中裂紋擴展的數(shù)值模擬研究［D］．蘭州：蘭州理工大學，2004．

［14］Desheng Zhou，Peng Zheng，Jiao Peng，et al.Induced Stress and Interaction of Fractures During Hydraulic Fracturing in Shale Formation［J］.ASME，Journal of Energy Resources Technology，2015，137（6）：062902-1-062902-6．

［15］Jianchun Guo，et al.Numerical simulation of interaction of hydraulic fracture and natural fracture based on the cohesive zone finite element method［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，（25）：180-188．

新的代用天然氣工藝完成中試試驗

Clariant公司（瑞士）制造代用天然氣（SNG）新工藝的中試裝置已試驗成功，標志著該技術(shù)已具備商業(yè)應用條件。該工藝被稱為Vesta單程甲烷化新技術(shù)，具有較寬的H2/CO靈活性，是Clariant公司、惠生工程公司（上海）以及Amec Foster Wheeler公司（英國）聯(lián)合開發(fā)的。

Vesta甲烷化技術(shù)用于從煤或石油焦氣化得到的合成氣生產(chǎn)代用天然氣。它是一種單程操作，無需使用壓縮機。其中一次性投資可減少20%或更多。該催化劑也更活躍，具有較高的轉(zhuǎn)化率和更寬的操作溫度范圍（230℃～700℃）。2015年Clariant公司的甲烷化催化劑也被成功地用于工業(yè)應用中。

（摘自石油化工2016年第11期）

Analysis of interaction between hydraulic fractures in shale reservoirs

ZHAO Chaoneng
（Xi'an Petroleum University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Horizon well stage fracturing is the one technology for stimulating shale reservoir.There is a area of stress concentration in the fracture tip,so that the interaction between fractures will be generated.For Yanchang shale gas reservoirs,combine the theory of elastic fracture mechanics and FEM to investigate the interaction between hydraulic fractures.The result shows that the main of fractures are opened.Due to the stress interference between fractures in single well fracturing,fractures would propagate from each other,the repulsive interaction decrease as fractures space increase.It provides references for stimulating shale reservoir in the future.

shale；hydraulic fracturing；fracture；interaction

TE357.11

A

1673-5285（2017）01-0028-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.009

2016－12-11

陜西省科技統(tǒng)籌計劃“陸相頁巖氣儲層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)”項目，項目編號：2012KTZB03-03-03-02。

趙超能，男（1991-），西安石油大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為非常規(guī)油氣開采，郵箱：zhaochaoneng@qq.com。