水力壓裂基礎研究進展及發展建議

仝少凱 高德利

1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室；2.油氣資源與工程國家重點實驗室

0 引言

隨著油氣勘探與開發進程的不斷發展，低滲透、頁巖、致密等難開采油氣資源在勘探開發中所占比例越來越大，甚至超過了70%。中國低滲透油田分布廣泛，主要分布在長慶、大慶外圍、吐哈、吉林、二連及延長等地區。最近幾年，在我國新增油氣增量中低滲透油氣藏占70%以上［1］，滲透率為(0.1～10)×10-3μm2的油氣儲量占比約 46%。低滲透油藏巖性以砂巖為主，砂巖油藏約占70%，礫巖油藏約占10%；同時頁巖氣探明儲量快速增長，目前已超過7 643×108m3，形成了涪陵、長寧、威遠、延長等四大國家級頁巖氣示范區，年產能達到78.82×108m3。其中，中國石化在涪陵頁巖氣田探明地質儲量6 008×108m3，中國石油在四川威遠長寧地區頁巖氣田累積探明地質儲量1 635×108m3。由此可見，中國低滲透油氣和頁巖氣的資源潛力巨大，其高效開發對保障國家油氣供給具有重要的現實意義。

理論和實踐證明，上述低滲透油氣藏和頁巖氣藏需要進行針對性的壓裂改造才能獲得經濟開發效益。近年來，不同的水力壓裂工藝在低滲透油氣藏和頁巖氣藏的儲層改造中起到了良好的增產效果，但是每一種水力壓裂工藝都存在一定的局限性，要么不能適用于一些復雜結構井，要么不適用于一些復雜地質儲層。因此，必須針對儲層特征及復雜井型開展針對性的研究，提出與地質和工程相適應的儲層改造一體化解決方案，才能更好地挖掘儲層的增產和穩產潛力。

近年來，國內外專家學者在水力壓裂工藝、裂縫起裂與擴展、壓裂流體、支撐劑等方面的研究取得了重要進展，但仍然存在不少問題，如較高的起裂壓力和井口壓力、低黏度攜砂運移能力、近井筒裂縫彎曲與轉向、多重裂縫、多裂縫應力陰影、多裂縫誘導應力干擾、循環注入方式對裂縫起裂與演化的影響、巖石破裂力學準則的適用性等。筆者對國內外在上述方面的研究現狀進行了綜述分析。

1 水力壓裂新工藝研究進展

傳統的水力壓裂工藝包括限流法分層分段壓裂、投球法分層壓裂、封隔器分層分段壓裂、裸眼滑套分段壓裂、泵送橋塞分段壓裂、固井滑套分段壓裂、連續管帶底封分段壓裂等，以及在這幾種工藝上改進優化的其他工藝，如開關滑套分段壓裂、大通徑免鉆橋塞分段壓裂、可溶橋塞分段壓裂等。這些傳統的壓裂工藝在一定程度上解決了低滲透油氣藏和頁巖氣藏的高效開發難題，但仍存在一些不足之處，因而研究發展了一些新的水力壓裂工藝。

1.1 分支井壓裂

分支井(又稱多底井)是指從1個主井眼(母井眼)中鉆出2口或多口進入油氣藏的分支井眼或二級井眼分支井，并回接到主井眼上。其中，主井眼可以為直井、定向井或水平井。根據多分支井(Multilateral Wells)的復雜性和功能性，從完井角度將分支井分成6大類，即所謂的TAML(Technology Advancement of Multilateral Wells)分級［2-3］。分支井能夠發揮水平井高效、高產的優勢，增加泄油面積，挖掘剩余油潛力，改善油田開發效果。例如非常規頁巖氣藏、煤層氣藏和致密砂巖氣藏采用多分支井完井設計，改善氣層流動剖面，提高采收率［4-7］。分支井可以充分動用儲層，并通過壓裂后最大限度地提高儲層的有效改造體積，減少打常規直井和水平井的數量。

分支井壓裂是先后對每個分支水平井眼單獨進行壓裂。多分支井壓裂與單水平井分段壓裂技術的差異及其關鍵技術是射孔組合、壓裂作業等管柱重入各分支井眼、多井眼的密封封隔、各井眼連接處的密封連接等。針對多分支井，常用的成熟壓裂技術是橋塞射孔聯作分段壓裂技術，目前已在國外非常規儲層多分支井壓裂施工中成功應用［8］。

1.2 “井工廠”壓裂

“井工廠”的概念最早起源于美國頁巖氣開發過程，主要包括“井工廠鉆完井”［9-10］和“井工廠壓裂”［11-12］?！熬S壓裂”以單平臺多口井為基礎，集中各種大型壓裂設備工具下井與壓裂施工流水線交叉作業和在線配液模式，可實現各工序無縫連接。作為典型的“井工廠壓裂”技術，拉鏈式壓裂能較大提高施工效率，大幅度縮短作業時間，在1個井場對2口或2口以上的井依次進行壓裂和射孔。同步壓裂也是一種“井工廠壓裂”方式，即有2口或更多的井在1個井場同時壓裂和射孔。同步壓裂對水平井間實現更大的網絡裂縫有較大好處，但在地面上需要2套或以上的車組，且壓裂和射孔時間沒得到優化，降低了壓裂效率。與拉鏈式壓裂相比，同步壓裂機理主要受誘導應力場作用形成遠井復雜裂縫。

“井工廠壓裂”的關鍵技術是多井壓裂誘導應力模擬、對立布縫設計和交錯布縫等技術?！熬S壓裂”技術在國內外頁巖氣田開發過程中取得了顯著成效。以Parker頁巖氣藏為代表的北美地區利用“井工廠壓裂”技術，平均單井產量比單獨壓裂可類比井提高21%～55%。2014年8月，以涪陵頁巖氣田為代表的國內頁巖氣開發最大規模的“井工廠壓裂”施工取得成功，提高施工效率50%以上。

1.3 高速通道壓裂

高速通道壓裂(Hiway Channel Fracturing)是指水力壓裂過程中，通過特殊的泵注方式和流體體系的設計，進入水力壓裂裂縫中的支撐劑局部聚集成團塊狀，并使得這種團塊支撐劑在裂縫內部形成不連續鋪置，最終實現靠該類支撐劑團塊支撐裂縫不閉合［13-14］。該工藝下油氣的滲流通道不再是支撐劑顆粒形成的孔隙，而是團塊之間無支撐劑支撐的孔道，這類油氣滲流孔道由于無支撐劑的阻礙，理論上導流能力無限大，實際發現比常規壓裂裂縫的導流能力高出1～3個數量級。該工藝的核心是將支撐劑以支撐骨架(支撐劑團)的形式不連續地鋪置在壓裂裂縫內部形成橋墩形式的支撐方式，如圖1。這種類似單顆粒不連續的鋪置方式下支撐劑團塊內部間的空隙(類似傳統鋪置方式)不作為油氣滲流的主要通道，因此支撐劑性能對裂縫導流能力幾乎沒有影響，而支撐劑團塊間形成的高速無障礙通道網絡才是流體通過的主要路徑，從而較傳統鋪置方式能成倍增加裂縫導流能力，極大提高壓裂效果。

高速通道壓裂工藝的核心在于如何形成支撐劑的不連續柱狀支撐和如何形成符合現場施工條件的施工工藝設計方法，利用支撐劑段塞注入和伴注纖維等技術，實現支撐劑在裂縫內部的非連續鋪置，并能保證在生產過程中支撐劑團塊長期穩定。高速通道壓裂技術在美國、俄羅斯、南美和北美、中東等超過15個國家和地區的低滲透、致密氣、頁巖氣等儲層改造中得到了廣泛應用，在世界范圍內實施超過10 000(段)次，壓裂施工成功率99.8%，取得了良好增產效果。綜合統計結果顯示，該技術的應用使得產量平均增加20%，壓裂流體用量減少60%，支撐劑減少 40%［15-18］。

圖1 裂縫內支撐劑鋪置對比及油氣流動模式［13］Fig.1 Placement comparison of proppant in fractures and oil/gas flow pattern

1.4 寬帶壓裂

分流暫堵寬帶壓裂增產技術通過液體轉向，將未改造到或者改造不充分的那部分射孔簇充分改造，從而實現井筒最大覆蓋和油氣藏接觸的最大化，增加產量和提高采收率［19-21］?？煦@式橋塞分段射孔加砂壓裂在2個橋塞之間一般有4～6個射孔簇甚至更多，分流暫堵寬帶壓裂時，壓裂流體首先進入起裂應力較低的簇進行改造，當達到優化設計的液量和砂量后，泵入可降解纖維和不同目數的可降解暫堵球，暫堵縫口和炮眼，迫使工作流體轉向至高應力射孔簇。這樣保證了整個壓裂段內的高、低應力區的所有簇均得到比較充分的改造，擴大了井筒覆蓋與接觸面積，形成一條高速的人工裂縫寬帶，進而提高油氣井的產量。由于分流暫堵寬帶壓裂技術與傳統的分段壓裂相比，儲層的改造動用率更充分，所以累積產量和最終采收率得到提高。

寬帶壓裂的關鍵是暫堵材料的優選(包括暫堵球大小、承壓能力及可降解性)和現場實施控制技術。根據實際經驗，一般每個射孔段轉向1～2次就能實現整個射孔段的完全改造。美國Eagle Ford頁巖氣區塊采用分流暫堵寬帶壓裂工藝實現了12段的壓裂施工，成功完成1個段內射孔簇的有效暫堵和流體轉向，壓后測試產量提高15%［22］。

1.5 水平井重復壓裂

隨著開發時間的推移和生產過程中壓力、溫度等環境條件的改變，水平井壓后裂縫導流能力降低或失效，或原有裂縫控制的油氣已接近全部采出，必須實施改向重復壓裂，打開新的油氣流動通道，更大范圍地溝通老裂縫未動用的油氣層，大幅度增加油氣產量，進一步提高油氣藏開發效果［23］。國內外重復壓裂的方法有3種：原有裂縫延伸、層內壓出新裂縫和轉向重復壓裂［24-25］。原有裂縫的延伸是目前最常用的重復壓裂方式，在老井實施重復壓裂，有效地延伸原有裂縫系統，使裂縫面與更大面積的含油層相接觸，擴大泄油面積，增加原有裂縫系統油流通道。厚油氣層在縱向上的非均質性或者長水平段分段壓裂間距較大，油層內見效程度不同，會導致層內矛盾突出而影響開發效果，因此可以通過采取補射非主力油層、對非均質厚油層重復壓裂或壓裂同井新層等措施改善出油剖面，從而取得很好的效果。基于這種認識開展了層內壓出新裂縫重復壓裂理論研究和實踐。轉向重復壓裂技術是在壓裂施工過程中適時地向地層加入適量暫堵劑，由于壓裂液流動遵循向阻力最小方向流動的原則，暫堵劑會優先進入地層天然裂縫或已有人工裂縫，在縫端聚集后產生封堵作用，形成高于裂縫破裂壓力的壓力差值，使后續壓裂液不能向天然裂縫或已有人工裂縫流動。這必然在一定程度上升高井底壓力，在一定的水平兩向應力差條件下，產生二次破裂進而改變裂縫未動用的油氣層，從而使產量大幅度增加。

美國Bakken油田部署的17口水平井，初次壓裂后水平段中有相當多的產層未有支撐劑鋪置，導致壓后產量不高且穩產時間短。通過采用重復壓裂技術進行二次增產，除1口井施工無效外，其余全部施工成功。重復壓裂方案合計為該區塊增加2×104m3(130×104bbl)的可采儲量［26］。

1.6 水力波動注入壓裂

水力波動注入壓裂是目前提出的顛覆傳統壓裂模式的一項新工藝［27］。該工藝的基本原理是人為快速改變壓裂泵組工作轉速(或工作頻率)，實現壓裂泵組“不穩定的排量和壓力”輸出，從而增加井筒及裂縫內的壓力波動(或壓力振動)，借此提高儲層巖石裂縫的破裂和擴展能力，增大井筒供給面積，改善壓裂效果，提高油氣井的產量和采收率。采用該工藝在一定程度上可降低井口壓裂作業壓力。該工藝的關鍵技術是可瞬時快速改變排量和壓力的壓裂泵組(即變頻泵組)、變頻時機和范圍的選擇、井筒與裂縫內壓力波傳播頻率和波速的確定等。目前，由于“變頻泵組”設計與制造問題，該項工藝還沒有進行現場應用，但從理論上已經證實其可行性和可靠性。

1.7 縫網壓裂

“縫網”壓裂技術是針對低滲致密砂巖油氣藏、頁巖油氣藏設計的壓裂新技術，主要用于直井壓裂，可以用于水平井的分段壓裂。其目標不再是單一裂縫的長縫和高導流能力，而是要結合儲層特征參數和配套壓裂工藝及參數設計，最大限度地提高主裂縫一次或多次轉向的可能性，最終形成主裂縫和多個分支裂縫相互交叉的類似網格狀的裂縫系統［28-29］。“縫網”壓裂技術就是利用儲層2個水平主應力差值與裂縫延伸凈壓力的關系，一旦實現裂縫延伸凈壓力大于2個水平主應力的差值和巖石抗張強度之和(即2次破裂壓裂之差)，則容易產生分叉縫，形成初步的縫網系統。以主裂縫為縫網系統的主干，而分叉縫可能在距離主縫延伸一定長度后，又恢復到原來的裂縫方位，則最終形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的網狀系統。“縫網”壓裂的關鍵技術是縫高控制、誘導應力模擬和縫網壓裂實施技術?！翱p網”壓裂技術已在長慶油田、二連油田及浙江油田等獲得成功應用，并取得了預期的增產效果［30］。

2 水力壓裂裂縫起裂與擴展研究進展

2.1 理論研究進展

2.1.1 水力壓裂裂縫起裂機理與起裂壓力預測

不同巖性儲層的水力壓裂實踐表明，壓裂裂縫的形成包括裂縫起裂和擴展2個階段。在裂縫起裂研究中，主要解決起裂壓力和起裂方位2個基本問題。通常認為影響裂縫起裂的主要因素有原地應力、地層孔隙壓力、井筒液柱壓力、井筒與地層壓差作用下流體向多孔地層中的滲流流動、井壁條件、巖石的強度及其他物理力學性質等。

Eaton［31］認為地下巖層處于水平應力狀態，且其中充滿著層理和裂縫，流體在壓力作用下將沿著這些薄弱面侵入，使其張開并向巖層延伸，其張開裂縫的流體壓力只需要克服垂直面的地應力。同時給出了泊松比隨深度增加的關系曲線，但沒有考慮井的存在而產生的應力集中問題。Aderson［32］等在Eaton公式的基礎上考慮了應力集中問題，確定了地層破裂壓力，但沒有考慮構造應力的影響。Hoek和Brown［33］基于大量的巖石拋物線型破壞包絡線(強度曲線)系統研究，提出了巖石破壞的經驗準則，但當時并沒有用于起裂的研究中。Soliman［34］討論了水平井破裂壓力的確定，將Hoek-Brown的巖石失效準則應用于水平井壓裂的水平裂縫，并確定了相應的起裂壓力。通過室內和現場水平井壓裂試驗證明，該失效準則能較好地解釋高的起裂壓力現象。Hossain［35］等提出了通用的模型來預測水力裂縫起裂壓力和裂縫的起裂方位及位置，結果認為在正常斷裂應力下水平井筒需要的起裂壓力比垂直井筒要小，這表明在給定的地應力條件下存在最優的井斜角使井筒需要的破裂壓力最小。

Hubbert和Wills［36］拉伸強度理論認為當井壁圍巖上某一點所受的最大拉應力超過了該處巖石的拉伸強度，巖石就會發生破裂，水力裂縫便會從該處起裂。該理論被廣泛運用于垂直井筒的破裂壓力預測，通常產生的是垂直裂縫。但是Soliman［34］和EI-Rabaa［37］等研究表明，拉伸強度理論對于直井和產生垂向裂縫的水平井的破裂壓力預測是有效的，而在水平井產生水平裂縫的破裂壓力預測中，拉伸強度理論低估了巖石的破裂壓力，因此不合適。Draou［38］等提出2種預測地層孔隙壓力和破裂壓力的新方法：一種根據壓實原理認為孔隙度隨垂向應力以指數的形式變化；另一種孔隙度隨垂向應力以冪率的形式變化。與重復地層壓力測試方法相比，第1種方法的偏差在3%～6%之間變化，第2種方法在1%～3%之間變化。Li［39］等考慮巖石的復雜特性和各向異性提出頁巖地層孔隙壓力和破裂壓力預測模型，與常規方法相比，模型精度有很大提高。此外，在國內，黃榮樽［40］系統分析了垂直裂縫和水平裂縫起裂的判據和影響裂縫延伸的因素，并建立了新的預測巖石破裂壓力模型，分析認為裂縫的形成主要取決于井壁上的應力狀態，裂縫的延伸方向主要取決于地應力，不論井壁上初始形成的裂縫方位如何，在遠離井眼后，裂縫便趨于垂直于最小主地應力的方向。金衍［41］等根據地層應力狀態及天然裂縫的產狀，建立了裂縫性地層斜井水力裂縫3種起裂方式的起裂壓力計算模型，并證明該模型能成功解釋天然裂縫性地層的破裂壓力。

2.1.2 水力壓裂裂縫擴展機理

在裂縫延伸擴展機理分析中，主要分析原地應力條件和壓裂液壓力作用下巖石的三維變形、裂縫擴展力學準則、裂縫內壓裂液的三維流動、支撐劑在裂縫內的有效運移與鋪置、壓裂液與地層之間的熱交換、壓裂液向地層中的濾失等。

Murphy［42］等研究了節理性(裂縫性)地層的水力壓裂機理，發現在巖體內沿著預先存在的節理面剪切滑移失效最容易產生，而且剪切滑移導致了局部應力的重新分布，允許裂縫產生分支和樹杈狀。陳治喜［43］等應用巖石力學理論與方法，建立了層狀介質中水力裂縫垂向擴展的數值模型，研究表明地應力剖面是影響裂縫垂向擴展范圍和擴展方向的主要因素，巖層斷裂韌性對裂縫的垂向擴展有明顯的止裂作用。陳勉［44］等采用多孔彈性理論，推導了斜井井壁周圍的應力表達式，并提出新的斜井水力壓裂起裂判據。同時從巖石斷裂力學角度出發，建立了三維空間中水力裂縫激活和轉向控制方程，分析表明水平地應力差越大，裂縫轉向后寬度越窄。趙海峰［45］等采用巖石斷裂力學方法，分析了水力裂縫與地層界面相交時水力裂縫沿其高度方向可能發生的3種擴展行為，表明水力裂縫與地層界面相交后停止擴展，裂縫存在臨界長度，超過該臨界長度后，裂縫將沿地層轉向擴展或穿過地層界面進入隔層內。

上述巖石裂縫起裂壓力的模型基本是針對裸眼井筒獲得，而且大多數采用最大拉應力準則進行推導，沒有考慮巖石內天然裂縫的存在、地層孔隙度的變化和套管對破裂壓力的影響。在裂縫擴展模型中，僅僅考慮井筒液柱壓力恒定，沒有考慮非穩定的流體壓力對裂縫凈壓力的影響。在裂縫支撐劑運移方面，考慮了單顆粒在無限大牛頓流體中的沉降與啟動問題，沒有考慮非牛頓流體、多顆粒干擾、裂縫壁面干擾等因素的影響。如何綜合考慮諸多因素的影響(如原地應力、孔隙壓力、天然裂縫、完井方式、射孔參數、壓裂流體性能等)準確預測裂縫的破裂壓力和擴展行為是未來研究的重點和難點。

2.2 數值模擬研究進展

2.2.1 循環注入水力壓裂裂縫起裂與擴展機理

水力壓裂裂縫的幾何形態和擴展方位是影響壓裂效果的主要因素之一。經濟有效的壓裂，應盡可能地讓裂縫在儲層延伸，并且應防止裂縫穿透水層和低壓滲透層。這就要在深刻認識裂縫擴展規律的基礎上優選壓裂作業參數，并采取有效措施控制裂縫的擴展。由于現場水力壓裂所產生的裂縫實際形態和方位難于直接觀察，而且尚無有效的測試方法，目前壓裂設計工程師們只能借助數值模擬手段進行間接分析。在壓裂施工前，結合儲層特征、井眼條件和壓裂泵注程序，利用相應的壓裂數值模型對水力裂縫幾何形態和起裂方位進行數值模擬，準確地描述儲層中水力壓裂裂縫幾何形態和擴展行為對優化改進水力壓裂施工設計程序具有重要的作用。

循環注入水力壓裂工藝是國外提出的一種新的壓裂模式，并且在其裂縫起裂與擴展方面取得了許多新的研究成果。Bai［46］等利用三維水力壓裂數值模擬軟件研究了循環泵注下裂縫的閉合和起裂特征，識別不同裂縫的響應，用以判斷是原有裂縫起裂，還是從原始裂縫傳播方向不同的方位形成新的裂縫。分析表明循環泵注可增加裂縫的凈壓力，但是呈現不確定性；以不同的注入速率注入時裂縫的寬度、凈壓力和裂縫體積呈現出明顯的差異，高速注入有利于裂縫的擴展和延伸，增加裂縫體積。Yoon［47］等針對流體誘導裂縫傳播過程中裂縫的應力陰影，提出天然裂縫儲層2D離散元數值模型。所謂應力陰影是指創建的水力裂縫改變了它周圍的應力場，通過應力場的改變影響了后續的裂縫，特別是增加了后續斷裂面積上的最小主應力，從腳趾到腳跟累積了斷裂應力演化。結果表明循環注入趨于降低裂縫應力陰影的影響，而且減輕誘導地震的震級。Zimmermann［48］等針對3種不同的地熱地質巖石，研究了多級水力壓裂和循環水力壓裂刺激方法對開發地熱系統和降低地震風險的可行性和緩解措施。分析表明與連續注入方案相比，循環刺激方案在減少誘發地震事件方面可降低危害潛力，減少高震級地震事件的數量；循環注入方式可降低巖石破裂壓力。Yoon［49］等發展了流體機械耦合建模工具，研究了動態循環和脈沖流體注入下疲勞水力壓裂的應用，結果發現與常規水力壓裂作業中的恒定速率注入相比，在循環速率注入過程中，流體壓力在離散元模型運行中被降低。這對于完整的天然裂縫結晶質儲層和多重刺激井的裂縫儲層來說是真實的。

Profit［50］等提出了1個地質力學模型模擬夾層和層狀巖石水力裂縫的擴展。該方法是基于流動和地質力學耦合的有限離散元方法。分析結果表明夾層屬性(如彈塑性、滲透系數、摩擦特性)控制了水力裂縫高度和孔徑的力學流動行為。Li［51］等在多井壓裂改造(如拉鏈式壓裂、連續壓裂和同步壓裂)提高裂縫復雜性過程中提出了水力裂縫生長的耦合模型，基于該模型采用數值模擬方法從熱-流體-力學耦合方面研究了裂縫生長。結果表明多級水力壓裂中存在最優的簇間距。簇間距主要影響應力分布，隨后影響新生成裂縫的傳播路徑和穿越行為；多井完井的壓裂順序非常重要，相比于多井連續和同步壓裂完井方案，拉鏈式壓裂技術能獲得較好的壓裂效果。Samnejad［52］等采用流動和連續損傷耦合力學模型模擬了水力壓裂誘導儲層巖石滲透率的增強特性，指出巖石損傷可增強巖石的滲透率。

2.2.2 穩定注入水力壓裂裂縫起裂與擴展機理

穩定注入水力壓裂工藝是目前常用的傳統壓裂模式，國內外大多數學者在該工藝上開展了大量的數值研究工作，取得了有價值的結論和認識。Johri［53］等研究了水力刺激過程中預先存在的自然裂縫和斷層誘導的相關地震滑移對水力壓裂裂縫流動的影響，分析表明在超低滲透巖石上從水力裂縫里獲得的流動貢獻相對較小，在巖石滲透區，增加流動效率的主要貢獻者除水力裂縫本身外，還包括預先存在的以剪切形式刺激的滲透裂縫和新形成或新連接的滲透裂縫。Yew［54］和Lee［55］等開展了水力裂縫二維和三維數值模擬，利用有限元、擴展有限元等方法對裂縫的起裂、幾何形態及延伸擴展等進行了分析。Renshaw［56］和王濤［57］等基于物模試驗進行了人工裂縫與天然裂縫多物理場水力壓裂模擬，分析了頁巖水力壓裂人工裂縫與天然裂縫之間的復雜規律，提出了人工裂縫相遇天然裂縫時的簡單準則。

張汝生［58］等考慮流體在裂縫面橫向、縱向流動，采用有限元ABAQUS軟件模擬了水力壓裂三維裂縫的幾何形態及其周圍應力場、滲流場的變化規律，其模擬結果能直觀地給出縫長、縫寬及縫高動態效果及相互關系。張平［59］等在國內外已有裂縫三維延伸模型的基礎上，建立了1套新的水力壓裂裂縫三維延伸模型，模型主要考慮了產層、蓋層和底層之間的應力和巖石力學參數(彈性模量、泊松比、斷裂韌性)變化的影響。結果表明該模型能較好地模擬各種應力分布模式以及裂縫穿層前后的延伸情況。連志龍［60］等以臨界應力作為裂紋擴展準則并采用流固耦合模型模擬了水力壓裂擴展問題，推導出裂縫面內的壓降方程表達式。結果表明該模型能夠模擬地應力、巖石力學特性、壓裂液流體特性等各種復雜因素對水力壓裂擴展的影響。陸沛青［61］等利用線性滑移模型、有限差分及交錯網格技術研究了脈動水力壓裂過程中應力在含裂縫性地層中的傳播與分布規律，分析不同縫間距和震源頻率下裂縫充填物對脈動水力壓裂擾動效果的影響機制。研究得出脈動水力壓裂可利用裂縫的非均質性促進壓裂效果，縫間距為初始人造裂縫長度的2～3倍時可獲得較好的壓裂效果。盛茂和李根生［62］建立了基于擴展有限元法的水力壓裂數值模擬方法，模擬了單條水力裂縫在恒定水壓力作用下非平面擴展。結果表明該數值方法是可行和準確的。張然［63］等建立了砂泥巖相間的二維平面滲流-應力-損傷耦合有限元模型，模擬了水力壓裂多裂縫交錯延伸的裂縫形態，揭示了復雜多裂縫交錯擴展干擾機理。

上述研究表明，通過數值模擬方法可有效模擬裂縫在儲層中的幾何形態變化及擴展行為，且可形成一定的規律性認識，為優化施工參數、指導現場壓裂施工和提高壓裂效果提供了重要的參考依據。此外還看出，目前國外在水力壓裂數值模擬方面已從穩定注入模式轉向循環注入方式，有效模擬了循環注入對裂縫起裂、裂縫幾何形態變化及裂縫擴展行為的影響。模擬結果得出普遍認識：與穩定注入水力壓裂相比，循環注入水力壓裂在降低起裂壓力、促進裂縫生長、增強裂縫滲透率、降低誘導地震風險方面具有較大優勢，這對于最終提高壓裂效果和油氣井的產量具有顯著作用。然而，國內大多數水力壓裂數值模擬研究仍然以穩態注入方式進行模擬，取得的新結論和認識較少。因此，建議國內專家學者在循環注入水力壓裂方面深入開展基礎研究工作，為該新工藝的應用提供理論基礎。

2.3 物理模擬試驗研究進展

2.3.1 循環注入水力壓裂裂縫起裂試驗

常規三軸試驗是長期以來研究巖石力學性質及指標的主要試驗手段，但只能對巖體施加2個方向的主應力，使巖體處于軸對稱的應力狀態，只能反映軸對稱應力狀態下巖石的強度和變形規律，而忽略了中間主應力的影響，不能代表巖體在實際三維復雜應力狀態下的力學性能。為此，國內外發展了真三軸試驗。真三軸試驗能獨立施加3個主應力，可分析不同主應力對巖體強度和變形的影響，因而能更準確地模擬巖體實際受力狀態，有利于研究巖體三維強度及三維本構關系。大型全尺寸水力壓裂物理模擬試驗(簡稱大物模)是目前水力壓裂理論研究和論證的一種重要和直接的手段，可模擬復雜地層條件下水力壓裂試驗，同時利用聲發射設備對裂縫的起裂和延伸過程進行實時動態監測，能夠獲得較為準確的裂縫擴展試驗結果和客觀的規律性認識。

國外在開展水力壓裂物理模擬試驗研究方面起步較早，很多學者對循環注入水力壓裂裂縫的起裂控制機理進行了深入研究。Patel［64］等研究了室內水力壓裂模擬試驗分級循環泵注下起裂壓力和聲發射特征，并采用聲發射、裂縫滲透率和裂縫表面電子掃描顯微成像方法比較了常規和循環泵注水力壓裂條件下儲層的改造體積，表明分級循環泵注可有效降低起裂壓力，并有效增大儲層改造體積(SRV)。Stoeckhert［65］等利用水力壓裂試驗設備和專制的砂巖與頁巖試樣研究了高度各向異性巖石在循環泵注條件下裂縫的起裂壓力、裂縫傳播規律以及裂縫應變、聲發射特征，證明2種巖性裂縫延伸和閉合階段裂縫破裂類型不同，頁巖主要以剪切縫為主；多次循環注入有利于裂縫的起裂和延伸。Falser［66］等采用理論和實驗相結合方法研究了平面射孔和循環壓力對地層起裂壓力和裂縫斷裂的影響。分析認為平面射孔或循環壓力增加可顯著降低破裂壓力；裸眼和常規橋塞射孔完井導致近井筒更多的裂縫斷裂，同時橫向裂縫從平面射孔幾何孔眼內產生。Hofmann［67］等在不同試驗規模下對比分析了循環和恒定流體注入方式對花崗巖石破裂壓力的影響，表明動態脈沖結合漸進循環增壓方式能降低細粒度花崗巖石破裂壓力10%～20%。Zhuang［68］等利用實驗方法評價了循環水力壓裂對減少誘發地震事件和提高巖石滲透率的影響，認為以單調破裂壓力的80%進行循環注入可引起巖石失效，這意味著通過循環注入可減小20%的破裂壓力。

Erarslan［69］等研究了斷裂模式和拉伸加載方式對巖石疲勞損傷的影響，表明拉伸循環載荷測試下巖石靜態斷裂韌性(KIC)最大降低了46%，說明采用循環加載方式可提高巖石的斷裂能力。此外，在循壞載荷開始階段，45° 和70°傾角切口裂縫容易張開失效。Erarslan［70］等研究了循環載荷對巖石間接拉伸強度的影響，分析指出循環載荷下巖石斷裂從硬晶粒和弱基質接觸點開始，在晶粒邊界的接觸點是應力集中區域，表明隨載荷循環數增加，巖石間接拉伸強度降低。Sakhaee-Pour［71］等基于線彈性斷裂力學提出了1個修正的Paris定律去預測了循環壓裂過程中破裂壓力和破裂循環數，驗證了預測結果的準確性并得出循環水力壓裂可以降低破裂壓力，但是不同的循環數對應于不同的破裂壓力。

Medlin和Mass［72］研究了水力壓裂裂縫起裂壓力和起裂方位，發現裂縫的起裂方位主要取決于應力場的分布和井眼的尺寸。在試驗中還發現，巖石的各向異性對于裂縫的起裂壓力和方位影響不大。Marabgos［73］研究了流體濾失對裂縫起裂的影響，發現在有天然裂縫存在的條件下，水力壓裂中泵壓比濾失對起裂的影響要小。流體濾失對裂縫起裂的影響，尤其是對天然裂縫地層的影響特別大，在這種情況下，有少量的壓裂液會先于壓裂液的主體進入天然裂縫，并且導致較低的起裂壓力。David和Rasmus［74］從水力脈沖的角度，自主設計了1套壓力脈沖試驗裝置，可通過壓力脈沖方法研究裂縫起裂的動態過程。試驗發現裂縫起裂過程中從產生水力壓裂裂縫模式到產生多裂縫模式的臨界增壓速率，其大小與巖石的抗拉強度有關，即巖石的強度越高，則其對應的產生多裂縫的臨界增壓速率越大。Lhomme［75］等研究了砂巖的水力裂縫起裂機理，試驗采用牛頓流體的壓裂液對干性砂巖進行壓裂，通過改變流體的黏度和流體的泵注速率來研究砂巖起裂過程中的濾失效應。結果表明高黏度壓裂液和低泵注速率與低黏度壓裂液和高泵注速率試驗結果相同。

2.3.2 循環注入水力壓裂裂縫擴展試驗

針對循環注入水力壓裂裂縫的延伸機制，國外學者利用真三軸物理模擬試驗進行了大量研究。Zang［76］等通過室內花崗巖樣的三軸壓頭測試表明，持續加載導致1個寬的斷裂韌帶，而采用頻繁啟停的循環疲勞加載巖石則會產生小的損傷體積和更持久的裂縫增長(微裂縫增長)。Branagan［77］等針對Wattenberg油田的2口測試氣井Miller#1和Sprague#1進行了循環注干氣試驗，證明氣井采氣階段通過循環注干氣可顯著增強儲層的滲透率和提高生產效率。Zhuang［78］等通過室內試驗和CT成像方法開展了Pocheon花崗巖樣本的循環水力壓裂研究，表明與單調連續注入相比，采用循環注入壓力超過單調連續注入破裂壓力的82%時，有效的循環水力壓裂的循環數閾限值是幾十個循環周期。連續注入時巖石產生的裂縫更像是個平面單裂縫，很少有分支裂縫，然而以較大的循環數進行循環注入時巖石內部出現了許多分支裂縫(微裂縫)，斷裂模式更像是多種失效，如圖 2。Zimmermann［79］和 Yoon［80］等針對疲勞水力壓裂概念進行了室內試驗驗證，但在提高地熱系統(EGS)開發的現場試驗上還沒有得到證實。疲勞水力壓裂就是通過循環注入使斷裂的巖石達到疲勞失效。疲勞失效一般的認識是循環加載階段巖石損傷累積，從而引起強度降低，然而巖石疲勞失效的機理目前還沒有完全理解。更為重要的是，機械加載過程中的疲勞循環過程與疲勞水力壓裂過程不同，后者涉及在裂縫尖端高的增壓流體的循環刺激。

圖2 連續與循環注入水力壓裂下花崗巖試樣斷面CT掃描圖像與裂縫擴展圖［78］Fig.2 CT scanning image and fracture propagation map of the section of the granite sample subjected to continuous and cyclic injection hydraulic fracturing

Zang［81］等討論了疲勞水力壓裂的概念以及在地熱領域的應用，表明當采用若干階段降壓模擬疲勞處理的漸進流體注入時，巖石斷裂破裂壓力呈現降低趨勢，且流體誘導地震事件的數量減少，認為這是由動態、疲勞處理階段破裂的巖石產生了較大的斷裂過程所致。Zou［82］等針對頁巖氣儲層采用CT掃描技術進行了立方體頁巖試樣的水力裂縫網絡傳播試驗研究，結果表明在水力壓裂條件下，頁巖部分開啟的層理面有利于增加裂縫的復雜程度，但是它們趨向于控制裂縫的斷裂形式，減少了垂直裂縫數量，導致了最小的改造體積(SRV)。He［83］等研究了水力壓裂下砂巖巖心水力裂縫的生成、傳播、閉合和形態，采用顯微鏡、X射線CT掃描儀觀察了砂巖試樣表面和內部結構內的裂縫形態，結果發現在砂巖試樣注入孔周圍產生了一些微觀裂縫，泵壓的變化揭示了水力裂縫的演化，在破裂壓力下生成裂縫，然后在短時間內傳播，由于遠場地應力裂縫閉合，最后使裂縫保持在穩定水平上。Maxwell［84］等研究了室內水力壓裂的聲發射地質力學行為，采用CT掃描技術確定了水力裂縫幾何圖形。結果發現在較高水平的差應力下容易創建更多的平面裂縫幾何圖形。Li［85］等針對分層頁巖地層研究了水力裂縫生長特性。結果表明，根據注入壓力曲線和聲發射響應可以明顯區分不同的水力裂縫幾何圖形。當垂直延伸的水力裂縫連接和張開更多巖石斷層時，裂縫的復雜性可以顯著增加。復雜裂縫性地層通常可以由注入壓力曲線的頻繁波動、強烈的聲發射活動以及三維分布的聲發射事件來描述。Sakhaee-Pour［86］等將聲發射集成到滲流理論中預測巖石滲透率的增強，研究表明在水力壓裂刺激作業中，每單位體積砂巖巖心中聲發射事件數量的增加，可提高巖心的滲透率和改造體積，這說明大量聲發射事件的產生暗示著巖石裂縫開啟數量的增加。

2.3.3 循環注入水力壓裂誘導微地震試驗

Dinske［87-88］等研究美國 Carthage氣田CottonValley氣藏微地震監測時發現在循環加載流體注入條件下水力裂縫重新開啟的過程中誘導的地震活動違背Kaiser效應，相反地，停泵后水力裂縫閉合所涉及的地震活動受Kaiser效應控制，將該現象歸因為緩慢裂縫閉合具有類地震特征，而快速裂縫重新開啟過程中會有摩擦和孔隙壓力擴散。Zang［76］等為了增強儲層的水力性能以及減少誘發地震活動，提出了水力循環注入刺激方案，同時利用實驗方法研究了通過循環儲層處理的疲勞水力壓裂對降低誘發地震能量和增強巖石滲透率的影響。分析表明相對于傳統水力壓裂刺激，循環儲層處理可減少誘發地震事件數量和降低最大振幅地震事件的發生。Chitrala［89］等利用聲發射(AE)監測方法研究了不同加載應力條件下致密砂巖的水力裂縫傳播，分析了地震事件發生的頻率以及地震機理。結果表明相比于拉伸失效，反映在震源機理上的剪切破壞較為普遍；裂縫的方位和發展受加載應力方向和幅度控制。

2.3.4 國內水力壓裂起裂與擴展試驗

在國外循環注入水力壓裂試驗研究成果的基礎上，國內少數學者針對循環注入水力壓裂進行了初步試驗探索，但多集中在穩定注入水力壓裂物理試驗方面。梁天成［90］等利用全三維大尺度水力壓裂物理模擬試驗系統研究了水泥樣品在循環和常規2種泵注條件下的起裂擴展和聲發射規律。試驗得出相對于普通泵注，采用循環泵注方式進行水力壓裂可有效降低起裂壓力，類似于單軸和三軸循環加載下巖石力學行為，都是由于循壞載荷引起疲勞損傷。柳占立［91］等建立了頁巖本構模型和斷裂力學理論，開展了頁巖人工裂縫擴展的大型物理模型試驗。陳勉［92］等采用大尺寸真三軸模擬試驗系統模擬地層條件，對天然巖樣和人造巖樣進行了水力壓裂裂縫擴展試驗，并實現對裂縫擴展的實際物理過程進行監測。賈長貴［93］等通過真三軸模擬試驗，研究了井斜角、井眼方位角、射孔方式對斜井壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及延伸規律的影響，得出射孔方位對壓裂影響較大，決定了裂縫起裂的方向；斜井水力壓裂裂縫的起裂和擴展與井眼周圍的應力分布和原始地應力密切相關，無論裂縫從何處起裂，裂縫總沿最大主應力方向延伸；射孔孔眼的存在改變了井眼周圍的應力分布，影響近井地帶水力裂縫的起裂與擴展；裂縫易于在射孔孔眼根部起裂，之后發生轉向，最終轉到最大主應力方向；孔眼在最大主應力方向易產生平整大裂縫，且破裂壓力最低。張旭［94］等建立了一套頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗方法，利用聲發射監測系統實時監測了頁巖壓裂裂縫的產生與擴展演化過程，觀察了水力壓裂裂縫形態，并探討了壓裂液黏度、地應力差異系數、泵注排量等因素對水力裂縫形態及其擴展的影響，表明隨壓裂液黏度降低、地應力差異系數減少，水力裂縫沿天然裂縫方向延伸，將原有天然裂縫溝通并形成網絡裂縫。李芷［95］等采用真三軸水力壓裂試驗對含天然層理弱面頁巖水力裂縫的起裂、擴展及層理面的擴展進行了研究。結果表明起裂方向由初始角度轉至最大水平主應力方向；垂向應力與水平最大主應力相差極小時，各方向起裂壓力相差極小，裂縫很快轉向最大水平主應力方向；可形成由層理面與主裂縫構成的網狀裂縫系統。

通過大型物理模擬試驗進行水力壓裂裂縫起裂、擴展及其水力裂縫與天然裂縫相互交錯擴展研究是直觀認識裂縫動態擴展行為和完善現有水力壓裂理論的重要手段，可獲得較為客觀準確的規律性認識。值得注意的是，國外利用物理模擬試驗進行了大量循環注入水力壓裂模擬，且在頁巖儲層和地熱領域率先開展了循環水力壓裂和疲勞水力壓裂的現場應用，取得了一定的效果，但仍然存在諸多機理性的問題有待解決。國內少數學者在國外研究成果的基礎上，初步進行了循環水力壓裂物理試驗，但也都是一些重復性的工作，沒有新的認識。因此，建議國內專家學者在循環水力壓裂和疲勞水力壓裂方面深入開展基礎理論研究，通過真三軸物理模擬試驗探索機械循環加載與循環注入流體加載對巖石疲勞破壞的影響機理，并且根據試驗結果建立更實際的巖石破壞理論模型，真正從理論上解釋循環注入方式在降低巖石起裂壓力、增強巖石滲透率、增加微裂縫條數、提高油氣井產量、有效溝通巖石天然裂縫與斷層等方面所貢獻的作用。

3 啟示與建議

3.1 啟示

(1)工程與地質的匹配性是水力壓裂作業的基礎。任何一種水力壓裂工藝在油氣井增儲上產方面能否成功實施主要取決于2個條件：一是對儲層地質特征、水力裂縫動態擴展機制及裂縫擴展影響因素的規律性認識；二是基于水力裂縫規律性認識所設計的提高儲層有效改造體積和確保壓裂井筒(含管柱)安全的最優壓裂泵注程序和施工規范。這2個條件歸結起來就是工程與地質的匹配性，工程應服從地質，否則就有可能出現壓裂作業失敗、施工效果欠佳或油氣層壓力體系破壞等不良局面。

(2)穩定注入與循環注入(或波動注入)方式是水力壓裂作業的關鍵所在。傳統水力壓裂工藝在施工過程中主要采用穩定排量和壓力的注入方式。在正常壓裂階段地面壓裂泵組的泵注壓力和排量基本處于穩定狀態。循環注入方式改變了傳統壓裂模式，依靠注入流體的壓力循環變化進行壓裂，在一定程度上比傳統壓裂模式效果好。但是，在實際壓裂作業中，究竟選擇何種壓裂模式還需要進行相關研究，如巖石性質、儲層地應力分布等對穩定注入和循環注入方式的敏感性差異等，需進行評估和優選。

(3)與實際水力壓裂作業相似的水力壓裂物理模擬試驗，是實現壓裂新工藝先導性現場試驗的保障。水力壓裂是十分復雜的物理過程，在尚無有效測試方法實時監測水力裂縫起裂與擴展行為的前提下，采用室內大型物理模擬試驗可以對水力裂縫起裂與延伸機制進行監測和觀察，但需要考慮其相似性，否則會降低模擬試驗的可信度。

3.2 建議

循環注入水力壓裂或水力波動注入壓裂目前在國內處于起步階段，除了獲得一些初步的結論和認識之外，仍面臨著不少技術挑戰，需要進一步深入開展以下基礎研究與技術攻關。

(1)注入流體壓力和排量循環變化的形成機制研究。究竟通過何種方式才能產生不穩定的注入壓力或排量是未來研究的首要問題，能否成功解決這一問題決定著循環注入或水力波動注入壓裂工藝的應用前景。目前，水力壓裂室內物理模擬試驗采用頻繁啟停泵來產生循環注入壓力，研究循環注入方式對水力壓裂裂縫起裂與擴展的影響，然而在實際壓裂作業中不可能通過這種方式實現循環注入壓力。為此，提出2種可供參考的“地面和井下”解決方案：一是研發快速改變工作轉速(或工作頻率)的壓裂泵組，稱之為“變頻壓裂泵組”，其技術原理是直接通過變頻壓裂泵組形成不穩定的壓力或排量［27］；二是研制井下壓力循環轉換裝置，其技術思路是通過井下壓力循環轉換裝置將常規壓裂泵組輸出的穩定壓力或排量間接轉換成循環壓力。

(2)循環注入或水力波動注入壓裂條件下井筒壓力波動行為研究。根據循環注入壓力或排量的形成機制，系統開展壓裂過程中井筒壓力波動行為以及壓力波傳播特性研究，探討循環注入壓力或排量對井筒壓力波動和裂縫內壓力的影響規律，研究壓裂過程中循環注入或水力波動注入的時機和范圍，以提高壓裂改造效果。

(3)循環注入或水力波動注入壓裂條件下儲層巖石起裂與擴展機理研究。綜合考慮諸多因素的影響(如原地應力、孔隙壓力、天然裂縫、完井方式、射孔參數、壓裂流體性能等)，系統開展循環注入或水力波動注入壓裂作業過程中巖石裂縫起裂壓力的預測研究，分析循環注入壓力或排量對裂縫延伸壓力和裂縫內壓力波傳播特性的影響，分析循環注入或波動注入方式對裂縫內支撐劑啟動與運移的影響，以及循環注入或波動注入方式對巖石破裂壓力、裂縫滲透率、天然裂縫與微裂縫及產量的影響，從理論上解釋循環注入或水力波動注入方式對水力壓裂改造效果的積極作用。

(4)循環注入或水力波動注入壓裂物理模擬試驗基礎研究與現場試驗。通過真三軸物理模擬試驗，研究循環注入或水力波動注入方式對巖石疲勞破壞的影響機理，特別是模擬復雜地層條件下循環注入或水力波動注入水力壓裂試驗，并且根據試驗結果建立更實際的巖石破壞理論模型和裂縫擴展模型，以提高水力壓裂理論的預測能力，避免每口壓裂井的重復試驗。同時，結合水力壓裂室內物理模擬試驗，系統開展循環注入或水力波動注入水力壓裂現場先導性試驗研究，以建立循環注入壓力或排量、壓裂規模(砂量和液量)、壓裂流體組合方式與比例等施工參數與儲層巖石特征相適應的試驗數據庫，為大規模推廣應用新工藝提供數據參考和技術支撐。

(5)循環注入或水力波動注入壓裂條件下井下管柱動力學理論及控制技術研究?？紤]到循環注入或水力波動注入涉及的外界激勵載荷，應系統研究壓裂過程中井下管柱的動力響應和穩定性，分析循環注入或水力波動注入參數對井下管柱響應位移、固有頻率和穩定性的影響；研究壓裂過程中井下管柱的動力特性，分析循環注入或水力波動注入參數對井下管柱應力、強度的影響規律，以提出井下管柱安全控制技術措施和施工工藝參數設計控制準則。

(6)加強循環注入水力壓裂和水力波動注入壓裂基礎理論與應用研究，盡快形成適合低滲透油氣藏和頁巖氣藏的非穩態水力壓裂工藝基礎理論與配套技術。同時，建議相關裝備制造者盡快著手設計制造大型“變頻壓裂泵組”和“井下壓力循環轉換裝置”及其配套設備，以滿足低滲透油氣藏和頁巖氣藏的高效開發重大需求。

致謝

在論文寫作過程中得到了中國石油集團川慶鉆探長慶井下技術作業公司王祖文教授級高級工程師的幫助和指導，在此表示感謝。