頁巖氣藏天然裂縫剪切破裂研究

摘 要：頁巖氣的資源量巨大、需求量極高特點使得它在全球能源中有著不可替代的地位，也是目前油氣藏所開發的重點。在頁巖儲層低孔超低滲透的物性情況下，需要通過水平鉆井以及壓裂改造來實現頁巖氣的有效開采。在天然裂縫時閉合的前提下，根據裂縫交點處滿足的裂縫相交準則進行力學分析，基于破裂機理相關理論， 從不同裂縫相交角對臨界剪切破壞的影響、不同水平應力差對臨界剪切破壞的影響以及天然裂縫內聚力的影響三方面進行分析，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

關鍵詞：頁巖氣;天然裂縫;相交準則;剪切破裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.035

0 引言

根據資源量的初步估算和地質類比法分析，我國有著優質的地質條件孕育頁巖氣，與美國頁巖氣資源量不相上下[1]。因此，作為一個石油對外依存度超過50%的國家，我國應該從美國頁巖氣革命成功的經驗中獲得啟示，即重視頁巖氣工業的發展，建立一套成熟完整的開發體系。頁巖儲層中天然裂縫的存在決定著壓裂過程中能否形成縫網，準確了解天然裂縫相交水力裂縫的作用過程和機理是掌握裂縫縫網的形成機理的前提[2]。

研究分析水力和天然裂縫在相交開始時刻的破裂方式以及延伸方式的前提是水力裂縫前方有著一條天然裂縫是相交作用開始時刻的狀態，隨著時間推移水力裂縫不停伸展從而慢慢靠近天然裂縫，逐步伸展的水力裂縫在和天然裂縫產生相交作用前無任何轉向[3]。本文研究了不同裂縫相交角對臨界剪切破壞的影響、不同水平應力差對臨界剪切破壞的影響、天然裂縫內聚力對臨界剪切破壞的影響三方面，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

1 破裂機理

在裂縫出現剪切破裂的情況下，由于裂縫交點處壓力較小，無法達到直接穿過天然裂縫的力學條件，因此，此類模型的前提是天然裂縫時閉合的，裂縫交點處的壓力滿足Warpinski裂縫相交準則。

通過線性摩擦理論可知，在天然裂縫面自身的力學強度無法干擾裂縫之間的滑動作用的情況下，天然裂縫就會產生剪切滑動[4]，其臨界滑動狀態關系式為：

式中，τ0—天然裂縫的內聚力，MPa;

T—遠場應力作用的天然裂縫上的剪切力分量，Mpa;

Kf—摩擦系數。

結合應力場以及天然裂縫的方位，利用二維應力解得：

2 模型建立

首先需要說明的是，在裂縫延展到交點時，因為壓裂液的濾失影響到天然裂縫內部壓力下降，導致天然裂縫內部其它位置的壓力都會小于交點處的液體壓力。通過裂縫相交準則可知：剪切破裂可能會產生在水力裂縫與天然裂縫相交后的天然裂縫位置處，而剪切破裂會導致大量壓裂液的濾失，這個狀態下水力裂縫的延伸路徑不會改變，然而交點處的液體壓力會下降。

此處需要說明的是，在模型的力學參數設計中，必須要考慮水力裂縫尖端的特殊應力場（斷裂力學），即裂縫尖端應力場與地應力場，否則僅僅依據Blanton公式推導會出現較大偏差，在求解水力裂縫尖端液體壓力時出現錯誤。

3 計算結果及分析

根據上述模型，以此模型為理論基礎進行計算分析，基礎數據見下表，單一地分析各參數時采用控制變量法。

根據水力裂縫與天然裂縫相交后發生剪切破裂的數據表進行了以下計算分析。

3.1 不同裂縫相交角對臨界剪切破壞的影響

可以從公式推導得出，在賦值之后得出裂縫交點液體壓力與裂縫相交角的關系如圖1。

從圖1顯示的數據與發生剪切破裂的應力對比得出，兩條裂縫相交角度的變化范圍是約30°—60°時，剪切破裂會產生在天然裂縫位置處。

從公式推導中還可以得出的是，摩擦系數的存在是起到斜率的作用，當天然裂縫出現剪切破裂時，水力裂縫和天然裂縫相交位置的液壓的值與摩擦系數的取值成正比，即摩擦系數越大，液壓越高。由此可知，因為天然裂縫面抗剪切破裂的強度也與摩擦系數成正比關系，即摩擦系數的值越大的情況下，天然裂縫抗剪切的強度也越大，天然裂縫就越不容易出現剪切破裂。

3.2 不同水平應力差對臨界剪切破壞的影響

最大最小水平主應力差與裂縫交點液體壓力的關系式經過推導得出如下關系：

圖2表示的情況是，當水平主應力差值（水平最大主應力與水平最小主應力的差值）分別為0到5Mpa之間的時候，兩條裂縫相交位置的液壓跟著兩條裂縫相交角度的變化情況。在這里取了三個特殊值，即30°，45°，與90°，從三幅圖中可以看出，水平主應力差值和兩條裂縫交點處的液壓的值成反比關系，即水平主應力差值越大，兩條裂縫交點處的液壓越小。但當兩條裂縫正交（90°）的時候，不僅兩者的遞增關系發生了變化，而且所需的裂縫交點液體壓力變得很大，因此當裂縫夾角很大甚至正交時，水力裂縫在接觸天然裂縫時很難發生剪切破裂，一般在此時會發生水力裂縫直接穿過天然裂縫的情況。

3.3 天然裂縫內聚力對臨界剪切破壞的影響

下圖是內聚力分別為2MPa、3MPa以及 4MPa 的情況時，兩條裂縫相交角度和裂縫交點處的液壓的關系圖。當天然裂縫內聚力的取值越大的時候，天然裂縫與水力裂縫交點處的液體壓力的值也越大，天然裂縫的內聚力對裂縫交點液體壓力的影響是起到截距的作用，起到直線遞增的關系。

4 結論及認識

（1）通過裂縫相交準則以及破裂機理分析研究了力學行為，研究了不同裂縫相交角對臨界剪切破壞的影響、不同水平應力差對臨界剪切破壞的影響、天然裂縫內聚力對臨界剪切破壞的影響三方面，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

（2）在天然裂縫發生剪切破裂的情況下，隨著兩條裂縫相交角度的增加，天然裂縫與水力裂縫交點處的液體壓力先降低然后增加;隨著水平主應力差值的增大，天然裂縫與水力裂縫交點處的液體壓力的值越來越小。

（3）當天然裂縫內聚力的取值越大的時候，天然裂縫與水力裂縫交點處的液體壓力的值也越大，天然裂縫的內聚力對裂縫交點液體壓力的影響是起到截距的作用，起到直線遞增的關系。

參考文獻：

[1]張金川，姜生玲，唐玄等.我國頁巖氣富集類型及資源特點[J].天然氣工業，2009，29（12）：1-6.

[2]江凱禧，彭麗，何文祥等.頁巖氣儲層非均質性研究——以四川盆地下寒武統筇竹寺組為例[J].海洋地質前沿，2014，30（08）：47-53.

[3]張東曉，楊婷云，吳天昊等.頁巖氣開發機理和關鍵問題[J].科學通報，2016，61（01）：62-71.

[4]侯冰，陳勉，王凱等.頁巖儲層可壓性評價關鍵指標體系[J].石油化工高等學校學報，2014，27（06）：42-49.

作者簡介：劉晶莉（1985-），女，湖北潛江人，本科，工程師，研究方向：地質動態分析。