頁巖氣藏網狀裂縫系統的巖石斷裂動力學

趙海峰，陳勉，金衍，等

目的：脆性頁巖壓裂采用清水壓裂液，經人工壓裂改造后形成高度密集的網狀裂縫系統，其與傳統高黏度壓裂液壓裂形成兩條對稱的翼型裂縫具有本質區別。已有的基于巖石準靜態力學分析的二維、擬三維及全三維壓裂理論模型難以表征頁巖裂縫特征。基于頁巖壓裂的裂縫擴展屬于脆性材料的動態斷裂的認識，本文引入巖石斷裂動力學理論研究網狀裂縫系統的形成機理，分析施工排量等人為因素以及地應力、天然裂縫產狀、儲集層巖石力學參數等自然因素與裂縫延伸的關系，探討最小臨界排量的計算方法，并研究不加砂清水壓裂激活天然閉合裂縫的機理及裂縫面滑移量的計算方法，分析不同條件下天然裂縫激活效率，以期為頁巖氣壓裂設計與實施提供科學依據。方法：為了形成復雜的網狀裂縫，水力裂縫在溝通天然裂縫后需要在天然裂縫左右端同時滿足裂縫轉向條件，采用斷裂動力學的方法求出裂縫轉向條件，并且推導出第n級分支裂縫排量（Qn）與泵排量的關系以及第n級分支裂縫縫內壓力與Qn的關系；計算了不同天然裂縫（具不同傾角、不同夾角、不同裂縫尺寸）及不同地層彈性模量條件下的臨界排量；利用TAW-1000深水孔隙壓力測試系統進行了不同縫面滑移量下的導流能力測試，通過實驗結果與巖石斷裂力學理論定量分析得出剪應力作用下裂縫面的滑移量計算公式，對不同傾角、不同彈性模量、不同泊松比條件下天然裂縫面在壓裂過程中的滑移量進行了計算。結果：（1）天然裂縫的產狀對其臨界排量影響很大。臨界排量隨傾角增大而增加，傾角等于 90°時，臨界排量達最大值且為常數；傾角小于 90°時，隨裂縫與井筒夾角的增大，臨界排量先減小后增大，垂直井筒方向的裂縫臨界排量最小；天然裂縫尺寸越大需要的臨界排量越高，這與大型天然裂縫對壓裂產生負面影響的報道相符，水力裂縫與天然裂縫的端部相交對產生網狀裂縫更有利。（2）地層彈性模量越大，臨界排量越低。泊松比與臨界排量沒有直接關系，但彈性模量高的地層往往泊松比較低。巖石動態斷裂韌性（KId）對KId對臨界排量的影響非常大，KId的變化與加載速率相關。（3）天然裂縫的方位、傾角對其激活效果影響很大：傾角很大、接近于90°時，裂縫面的滑移量很小（＜2 mm），激活效果差；裂縫傾角很小時激活效果也不利，尤其對垂直井筒方向的裂縫，但小傾角裂縫總體滑移效果優于大傾角裂縫；傾角30°～60°的中角度裂縫激活效果最佳，且垂直井筒方向的裂縫滑移量達到極大值。彈性模量增加對裂縫滑移起抑制作用，地層泊松比的變化對裂縫滑移量的影響很小。裂縫面滑移量與裂縫長度成正比，長天然裂縫更容易在壓裂中激活。結論：頁巖壓裂只有在大排量下才能形成高效溝通天然裂縫的網狀縫，存在形成網狀裂縫的臨界排量。給出了裂縫面滑移量以及最小臨界排量的計算方法。閉合天然裂縫開啟后其導流能力由裂縫面的滑移量決定，滑移量與地應力、天然裂縫尺寸與產狀、地層彈性參數有關。本文建立的頁巖氣儲層縫網系統巖石斷裂動力學理論為頁巖氣壓裂的設計與實施提供了科學依據，對壓裂井段優選、壓裂設計、壓裂效果評估都具有實際指導意義。

來源出版物：石油勘探與開發, 2012, 39(4): 465-470

入選年份：2015