天然裂縫性地層水力裂縫擴展規律的三維數值模擬研究

席一凡+李連崇+李明+黃波+張潦源+李愛山

摘 要：該文基于RFPA3D并行程序，建立水力裂縫遭遇天然裂縫的三維計算模型。數值計算結果表明，天然裂縫在水力裂縫擴展過程中的影響比較明顯，當入射角較小時，水力裂縫易于轉入天然裂縫并在縫內延伸；當入射角較高時，水力裂縫易于直接穿過天然裂縫。另外，天然裂縫的膠結強度越低，水力裂縫易于天然裂縫內延伸。

關鍵詞：天然裂縫 水力裂縫 入射角 膠結強度

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0041-03

世界上有大量油氣儲存在低滲裂縫性儲層中，當今工業的發展使得人們對于石油與天然氣的需求大幅增加，裂縫性油氣藏在行業中所占比例越來越高。此類油氣藏中天然裂縫發育且分布復雜，基質滲透率低[1-2]。Blanton[3]的實驗發現，水力裂縫擴展方向的主要影響因素是逼近角和水平主應力差。周健等[4]的研究表明，裂縫性儲層天然裂縫發育充分，對水力壓裂方向有著重要影響。

該文使用基于有并行有限元方法的RFPA3D程序，考慮儲層的非均勻性，并將天然裂縫設置成完全充填裂縫，通過模擬不同的入射角以及天然裂縫的膠結強度，研究天然裂縫性儲層水力裂縫的擴展規律。

1 數值計算模型

如圖1所示，模型的長、寬和高分別為：30 m、20 m和20 m，將模型劃分為120×80×80個單元，遠場主應力σy、σx、和σz設為35 MPa、28 MPa和32 MPa。天然裂縫長度L為10 m，規定最大主應力方向與天然裂縫的夾角為入射角θ模型中心沿最大主應力方向預制一條短縫來模擬射孔射孔中心距天然裂縫中心的距離S為7 m，設置縫內流量為0.05 m3/s，加載方式為非穩態加載。模型基質的材料力學參數的選取參考文獻[5]，對于天然裂縫物理力學參數，將充填天然裂縫的抗拉強度設定在0.15 MPa和1.5 MPa，按照壓拉比為10，取其單軸抗壓強度1.5 MPa和15 MPa。具體模型物理力學參數見表1，并設置3組工況，各工況所對應的入射角及天然裂縫膠結強度相關參數見表2。

2 模擬結果及分析

表3是水力裂縫在各工況下的擴展形態，包括了聲發射圖以及最小主應力圖。

聲發射是巖石破裂過程中最基本的特征，結合聲發射圖可以從空間形態上分析水力裂縫的擴展模式。

另外，最小主應力圖有助于從力學角度分析水力裂縫遇到天然裂縫時的擴展機理。

2.1 入射角對裂縫擴展影響

對比Case1和Case3的模擬結果。從這兩種工況的聲發射俯視圖可以看出，Case1（入射角為45°）中的水力裂縫在遇到天然裂縫前，水力裂縫沿著最大遠場主應力方向擴展，當水力裂縫遇到天然裂縫后，天然裂縫發生膨脹、開裂，繼而水力裂縫偏離原擴展方向，會在裂縫交接處沿著天然裂縫的方向發生偏轉，并延伸至天然裂縫的端部，然后轉向、繼續沿著最大遠場主應力的方向擴展；Case3（入射角為90°）中的水力裂縫擴展模式則截然不同，在遇到天然裂縫后，水力裂縫在干擾點近似直接穿過天然裂縫，繼續沿著原方向即最大遠場主應力的方向擴展（裂縫雖然在局部有少量分叉行為，但宏觀上，裂縫較平整、規則，無偏轉、扭轉現象）。

通過分析最小主應力圖，可以發現，Case1中水力壓裂裂縫在接觸到天然裂縫時，在圖中橢圓范圍內，沿著天然裂縫方向會形成一個明顯的最大拉應力集中區域，使其產生拉破壞，從而水力裂縫會沿著天然裂縫的方向發生偏轉； Case3中沿著天然裂縫方向，即橢圓范圍內，并沒有拉應力的集中區域，而是會在水力裂縫的原擴展方向上產生最大拉應力集中區域，從而天然裂縫對水力裂縫的擴展路徑并沒有產生十分明顯的影響。因而，在其他條件不變時，隨著入射角的增大，水力裂縫更易于直接穿過天然裂縫。

2.2 天然裂縫膠結強度對裂縫擴展影響

對比Case2和Case3的模擬結果。Case3的水力裂縫擴展模式此前以及分析過，在此不再贅述。從Case2的聲發射圖可以看出：天然裂縫的界面效應比較明顯，膠結物強度的降低，使得水力裂縫無法直接穿過天然裂縫。

同樣，通過分析最小主應力圖，可以發現，Case2中水力裂縫在遭遇天然裂縫時，在圖中橢圓范圍內，沿著天然裂縫方向會形成一個最大拉應力集中區域，使其產生拉破壞，從而水力裂縫會沿著天然裂縫的方向發生偏轉。因而，在其他條件不變時，天然裂縫強度越低時，水力裂縫越容易轉入天然裂縫并在天然裂縫內延伸。

3 結語

（1）裂縫性儲層中存在的天然裂縫會對水力裂縫的擴展產生非常重要的影響，其中水力裂縫與天然裂縫之間的入射角以及天然裂縫的膠結強度是影響水力裂縫擴展的重要因素。

（2）入射角越小，天然裂縫膠結強度越低，水力裂縫越容易受到天然裂縫的吸引而轉向天然裂縫，反之水力裂縫更趨于直接穿過天然裂縫，沿著原來的方向擴展。

（3）拉應力在水力裂縫的形成、發展、延伸和貫通過程中起到了十分重要的作用：入射角越小，天然裂縫膠結強度越低，在水力裂縫遭遇天然裂縫時，沿著天然裂縫的方向上更容易形成最大拉應力區，使得水力裂縫的擴展方向發生偏轉。

參考文獻

[1] 葉靜，胡永全，任嵐，等.裂縫性地層水力裂縫復雜形態延伸分析[J].大慶石油地質與開發，2013，5（5）：92-97.

[2] 衡帥，楊春和，曾義金，等.頁巖水力壓裂裂縫形態的試驗研究[J].巖土工程學報，2014，7（7）：1243-1251.

[3] Blanton T L.An experimental study of interaction between hydraulically induced and pre-existing fractures[C].SPE 10847，1982.

[4] 周健，陳勉，金衍，等.裂縫性儲層水力裂縫擴展機理試驗研究[J].石油學報，2007，28（5）：109-113.

[5] 李志超，李連崇，唐春安.水平井定向射孔裂縫起裂與穿層特征數值分析[J].石油與天然氣地質，2015，3（3）：504-509.