陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水力壓裂裂縫形態(tài)的試驗(yàn)

寧文祥， 何 柏，2，3， 李鳳霞， 謝凌志，2，3*， 史愛萍， 何 強(qiáng)

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065； 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065； 3.四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院， 成都 610207；4.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖油儲(chǔ)量豐富，截至2019年4月，長(zhǎng)7段預(yù)測(cè)資源量為105 × 108t，探明儲(chǔ)量為20 × 108t，與常規(guī)油氣藏相比，頁(yè)巖油儲(chǔ)層具有低孔、特低滲的特點(diǎn)[1-6]。因此，水力壓裂技術(shù)通過壓裂頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層以產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加儲(chǔ)層滲流面積和導(dǎo)流能力，成為提高頁(yè)巖油氣產(chǎn)量的一種重要手段[7-8]。微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在頁(yè)巖儲(chǔ)層中更有可能形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，而非均質(zhì)砂巖中的簡(jiǎn)單雙翼裂縫[9-10]。因此，探明和掌握頁(yè)巖油儲(chǔ)層中水力壓裂裂縫的形態(tài)和影響因素，對(duì)儲(chǔ)層水力壓裂設(shè)計(jì)、儲(chǔ)層改造和提高產(chǎn)量等至關(guān)重要[11]。

目前，普遍認(rèn)為水力壓裂裂縫形態(tài)受天然不連續(xù)面(天然裂縫和層理)分布、巖石特征、構(gòu)造應(yīng)力等自然因素和壓裂液黏度、泵速等工程運(yùn)行條件的相互作用控制[12-14]。Hou等[15]、Zhang等[16]和王曉蕾[17]研究表明，較高的水平應(yīng)力差有利于形成較大的主水力裂縫，但是不利于在井筒附近形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。然而，Jiang等[18]和Guo等[19]認(rèn)為更高的應(yīng)力差可能導(dǎo)致主水力裂縫進(jìn)一步延伸并與更多的天然裂縫連通，從而形成相對(duì)更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。張燁等[14]通過大尺寸真三軸水力壓裂模擬并結(jié)合工業(yè)高能計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)確定頁(yè)巖內(nèi)部實(shí)際的水力裂縫形態(tài)，認(rèn)為水平地應(yīng)力差過高、過低(如大于12 MPa 或低于3 MPa)時(shí)，都不利于體積縫網(wǎng)的產(chǎn)生，且不同頁(yè)巖儲(chǔ)層物性條件，壓裂形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)所需的水平地應(yīng)力差范圍不同。低黏度壓裂液被認(rèn)為會(huì)激活天然不連續(xù)面，有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，而高黏度壓裂液有利于形成單一的主水力裂縫[19]。為了定量評(píng)估壓裂效果，不同的研究人員將水力壓裂裂縫形態(tài)分為以下幾類:簡(jiǎn)單裂縫、魚骨狀裂縫、帶微裂縫的魚骨狀裂縫、多重魚骨狀裂縫網(wǎng)絡(luò)[20]；橫向裂縫、帶層理面的橫向裂縫、帶層理面的天然裂縫、帶層理面的橫向裂縫和天然裂縫[15]；以及簡(jiǎn)單裂縫、復(fù)雜裂縫和網(wǎng)狀裂縫[16]；單一橫向裂縫、主弧狀裂縫、復(fù)雜裂縫[18]。雖然學(xué)者們通過試驗(yàn)對(duì)頁(yè)巖的水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律和空間形態(tài)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解，但是由于不同頁(yè)巖儲(chǔ)層的天然不連續(xù)面分布、巖石特征、構(gòu)造應(yīng)力等自然因素往往不同，導(dǎo)致了水力壓裂后裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)尚有爭(zhēng)議。同時(shí)，水力壓裂試驗(yàn)中通常使用示蹤劑、聲發(fā)射(AE)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)觀察水力壓裂裂縫的空間分布和形態(tài)，但是前兩種方法都無(wú)法考慮試樣中的天然不連續(xù)面，不能真實(shí)反映水力壓裂中裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的形成機(jī)理，而CT技術(shù)多利用二維切片觀察裂縫的空間分布和形態(tài)[19， 21-23]，難以對(duì)三維(3D)裂縫進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

因此，對(duì)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖露頭進(jìn)行一系列水力壓裂模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)前后采用CT技術(shù)對(duì)巖樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，然后通過基于CT切片建立的3D可視化模型分析天然不連續(xù)面影響下水力壓裂后的裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。此外，系統(tǒng)地研究水平應(yīng)力差異系數(shù)、壓裂液黏度和天然不連續(xù)面對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

水力壓裂試驗(yàn)采用真三軸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)[24]，該系統(tǒng)包括真三軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和水力壓裂設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)，如圖1所示。工業(yè)CT掃描儀用于無(wú)損檢測(cè)巖樣中內(nèi)部裂縫的空間分布和形態(tài)，CT掃描儀的分辨率約70 μm，掃描電壓250 kV，掃描電流為200 μA。

圖1 真三軸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試樣制備

試驗(yàn)試樣采自銅川市(鄂爾多斯盆地南部)三疊系延長(zhǎng)組新鮮露頭。在去除表面風(fēng)化層后，現(xiàn)場(chǎng)采集的頁(yè)巖被巖石切割器和磨床迅速研磨和拋光，并加工成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體巖樣。然后，用外徑為12 mm的鉆頭垂直于層理在巖樣中心鉆一個(gè)50 mm深的圓柱孔，以模擬水平井，如圖2所示。采用長(zhǎng)40 mm，外徑8 mm，內(nèi)徑4 mm的高強(qiáng)鋼管模擬水平井套管，并用高強(qiáng)度黏合劑兩液混合硬化膠將套管與預(yù)制井筒密封。

圖2 試樣三軸應(yīng)力加載和表面標(biāo)注示意圖

在試驗(yàn)開始前，對(duì)井筒施加0.2 MPa的壓力，以檢測(cè)密封是否泄漏。此外，通過巴西劈裂試驗(yàn)得到的巖樣平均抗拉強(qiáng)度為4.76 MPa。巖樣礦物分析表明，碳酸鹽、石英和黏土的平均含量分別為21.78%、19.87%和20.71%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探索頁(yè)巖裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)理，利用大型真三軸加載系統(tǒng)和伺服泵壓力系統(tǒng)，在試驗(yàn)室規(guī)模上系統(tǒng)開展了水平井水力壓裂物理模型試驗(yàn)。結(jié)合壓裂前后的巖樣表面照片和CT三維可視化模型，探討了水平應(yīng)力差異系數(shù)、壓裂液黏度和天然不連續(xù)面對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響機(jī)理。

根據(jù)某頁(yè)巖油儲(chǔ)層地質(zhì)資料與施工參數(shù)，設(shè)計(jì)了三軸地應(yīng)力。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)層埋深約1 440 m，最大水平主應(yīng)力25.8～31.5 MPa，最小水平主應(yīng)力22.5～25.8 MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)0.18～0.35。試驗(yàn)方案如表1所示。試驗(yàn)工況1～5用于研究水平應(yīng)力差異系數(shù)對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響，試驗(yàn)工況3、工況6～工況9用于研究壓裂液黏度對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響。此外，試驗(yàn)前后對(duì)巖樣進(jìn)行CT掃描。

表1 水力壓裂試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中，模擬井筒軸線垂直于層理面，垂向壓力σ1沿模擬井筒軸線施加。最大水平應(yīng)力σ2和最小水平應(yīng)力σ3平行于層理面，如圖2所示。水平應(yīng)力差異系數(shù)K3由式(1)定義:

K3=(σ2-σ3)/σ3

(1)

式(1)中：σ2為最大水平地應(yīng)力；σ3為最小水平地應(yīng)力。

1.4 試驗(yàn)過程

(1)巖樣表面天然裂縫用紅筆標(biāo)記并用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，將試樣進(jìn)行工業(yè)CT斷面掃描并構(gòu)建三維可視化模型。

(2)下入套管并封膠，將準(zhǔn)備好的試樣放入真三軸加載室內(nèi)，利用大型真三軸加載系統(tǒng)完成模擬三向地應(yīng)力條件加載。由于σ1≥σ2≥σ3，為了避免三軸應(yīng)力不平衡加載，每次加載值為4.30 MPa，加載順序?yàn)榇瓜驂毫Α⒆钚∷綉?yīng)力、最大水平應(yīng)力，反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)。

(3)開啟伺服泵壓系統(tǒng)，電腦實(shí)時(shí)同步采集泵壓數(shù)據(jù)。

(4)壓裂試驗(yàn)結(jié)束后，停止伺服泵壓系統(tǒng)，真三軸加載系統(tǒng)平穩(wěn)卸載到0。

(5)拆卸試樣，對(duì)試樣加載各面直接觀測(cè)并用白筆將表面水力裂縫進(jìn)行標(biāo)記，利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝記錄，并對(duì)壓裂巖樣進(jìn)行工業(yè)CT斷面掃描并構(gòu)建三維可視化模型。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了觀察和對(duì)比水力壓裂前后巖樣的裂縫形態(tài)，對(duì)巖樣進(jìn)行了拍照和CT掃描。為了便于分析，將巖樣表面標(biāo)記如下:X1和X2為左右表面，Y1和Y2為前后表面，Z2和Z1為上下表面，如圖3所示。此外，垂向壓力、最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力總是分別沿z軸、y軸和x軸加載。

巖樣表面的天然裂縫用紅線標(biāo)記，而水力裂縫用白線標(biāo)記。如圖3所示，試樣T6中有幾個(gè)發(fā)育良好的天然裂縫(紅線)，其中大部分平行于層理面。此外，水力裂縫(白線)主要從Y1和Y2表面觀察到。

基于CT掃描的3D可視化模型能夠準(zhǔn)確地表征裂縫的形態(tài)、方向和空間分布。此外，在基于CT掃描的3D可視化模型中，紅色面代表自然裂縫，藍(lán)色面代表水力裂縫，如圖4所示。

壓裂前，試樣T6中有豐富的天然微裂縫，但從巖樣表面只能看到少量，如圖3和圖4所示。巖樣中有許多橫向天然裂縫(平行于層理面)，但沒有縱向天然裂縫(垂直于層理面)。壓裂后，Y1和Y2表面顯示出縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。這些巖樣表面的裂縫可以分為三種類型:①天然裂縫:壓裂前，在巖石樣品表面就存在的裂縫；②橫向水力裂縫:在壓裂之前，天然不連續(xù)面在巖樣中被隔離或完全未被打開，但是在試驗(yàn)中，壓裂液進(jìn)入天然不連續(xù)面并進(jìn)一步將其擴(kuò)展到了巖樣的表面；③縱向水力裂縫:這些裂縫面與最小主應(yīng)力相互垂直，在均勻的理論模型中只有這種水力裂縫才會(huì)產(chǎn)生；如果試樣中有縱向水力裂縫通過裸眼段且貫穿了整個(gè)巖樣，就將該縱向水力裂縫稱為主水力裂縫。在壓裂試驗(yàn)中，由于天然不連續(xù)面的存在，可以觀察到上述三種形態(tài)的單裂縫。主水力裂縫均為縱向水力裂縫，觀察表明，在巖樣T6中，沒有產(chǎn)生主水力裂縫。圖5為試樣T1、T3和T5的表觀圖與3D可視化模型的對(duì)照示例。

天然裂縫和水力裂縫分別標(biāo)記為紅線和白線

紅色和藍(lán)色面分別表示天然裂縫和水力裂縫

圖5 水力壓裂后，試樣的表觀圖(左)和3D可視化模型(右)

2.1 泵壓曲線分析

通過分析泵壓曲線，能夠了解壓裂過程中水力壓裂裂縫的擴(kuò)展情況。如圖6所示，開泵后初始階段泵壓呈線性上升狀態(tài)，壓裂液在裸眼段迅速累積能量，直至巖樣開始發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂縫，最終裂縫延伸到試樣表面。在此過程中試樣中可能出現(xiàn)多次破裂，反映在泵壓曲線上就是出現(xiàn)多次泵壓陡降，這和文獻(xiàn)[11]中認(rèn)為泵壓曲線的頻繁地波動(dòng)說明水力裂縫在延伸過程中形成了較多次生裂縫是一致的，選取最大泵壓峰值作為破裂壓力。

如圖6所示，試樣T1、T3、T5的破裂壓力分別為45.14、37.96、35.40 MPa，觀察它們壓裂后的表觀圖和試樣三維可視化模型，發(fā)現(xiàn)試件T3內(nèi)部在裸眼段附近存在大型天然裂縫，而試件T5的裸眼段附近雖未存在天然裂縫但是該試樣層理發(fā)育，水力壓裂裂縫在這些天然不連續(xù)面處起裂。如圖5(c)所示，試樣T1的裸眼段附近未有裂縫且層理發(fā)育程度低，整個(gè)試件較為完整，水力壓裂裂縫在頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)部起裂，因此，試樣T1的破裂壓力明顯高于T3和T5。這樣對(duì)破裂壓力的分析可以大致判斷頁(yè)巖巖樣中裸眼段附近的天然不連續(xù)面發(fā)育程度。從試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣中的天然不連續(xù)面導(dǎo)致水力裂縫在不同位置起裂，其破裂壓力差別很大。如圖7所示，雖然各個(gè)試樣中天然不連續(xù)面發(fā)育情況并不相同，但是針對(duì)試樣破裂壓力還是能夠得到一些普遍性的認(rèn)識(shí):①破裂壓力有隨壓裂液黏度增大而增大的趨勢(shì)。且當(dāng)壓裂液黏度達(dá)到31.6 mPa·s時(shí)，破裂壓力急劇升高，兩次壓裂試驗(yàn)均未能將試樣壓裂，其破裂壓力值超過了設(shè)備極限(85 MPa)，由此可見，壓裂液黏度對(duì)長(zhǎng)7頁(yè)巖油儲(chǔ)層頁(yè)巖破裂壓力影響明顯；②當(dāng)最小水平應(yīng)力相同時(shí)，破裂壓力會(huì)隨著水平應(yīng)力差異系數(shù)的增大而減小。

圖6 試樣水力壓裂泵壓曲線

圖7 試樣水力壓裂的破裂壓力圖

2.2 水力壓裂裂縫形態(tài)

顯然，頁(yè)巖地層中的裂縫形態(tài)不是典型的簡(jiǎn)單雙翼裂縫，而是復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[24]。Tan等[20]指出，頁(yè)巖地層中的最終裂縫形態(tài)可分為四種類型:簡(jiǎn)單裂縫網(wǎng)絡(luò)、魚骨狀裂縫網(wǎng)絡(luò)、帶微裂紋的魚骨狀裂縫網(wǎng)絡(luò)和多重魚骨狀裂縫網(wǎng)絡(luò)。在深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中，裂縫形態(tài)大致可分為四種類型:橫向裂縫、帶層理的橫向裂縫、帶層理的天然裂縫、帶層理的橫向裂縫和天然裂縫[15]。前四種類型的裂縫形態(tài)通常可以觀察到主水力裂縫，而后四種類型的裂縫形態(tài)的特點(diǎn)是未形成主水力裂縫。因此，水力壓裂在不同地區(qū)不同埋藏地層中形成的巖石裂縫網(wǎng)絡(luò)并不具有相似性，尚有待于研究。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的觀察和分析，認(rèn)為單一裂縫、魚骨狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫是長(zhǎng)7陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層頁(yè)巖的三種水力壓裂裂縫形態(tài)，如圖8所示。

黑實(shí)線代表層理面，紅實(shí)線代表水力裂縫

從試樣表面和壓裂后的3D可視化模型分析裂縫分布后，水力壓裂后在每個(gè)試樣中觀察到的裂縫形態(tài)類型如下:

(1)單一裂縫:僅形成單一縱向水力裂縫，在水力裂縫延伸過程中，未開啟或擴(kuò)展天然不連續(xù)面。試樣T5形成了單一裂縫。

以試樣T5為例，如圖5(a)所示，試樣中的水力裂縫垂直于最小主應(yīng)力的方向，然后沿著井眼的軸線向遠(yuǎn)側(cè)延伸。但是在水力裂縫延伸過程中遇到了大的天然不連續(xù)面，水力裂縫停止延伸。最終，形成單一縱向水力裂縫，并觀察到壓裂液溢出試樣表面。

(2)魚骨狀裂縫:形成了主水力裂縫，在主水力裂縫擴(kuò)展過程中，導(dǎo)致一些天然不連續(xù)面擴(kuò)展。試樣T2、T3和T4形成了魚骨狀裂縫。

以試樣T3為例，如圖5(b)所示。在Y1面上可觀察到兩條水力裂縫，包括一條小的橫向水力裂縫和一條大的縱向水力裂縫。縱向水力裂縫大致垂直于最小主應(yīng)力的方向，并沿著最大主應(yīng)力的方向延伸，直到它與天然裂縫相交，形成貫穿試樣的主裂縫。存在角度偏轉(zhuǎn):延伸方向偏離最大主應(yīng)力方向約30°。根據(jù)圖5(b)，可以推斷角度偏轉(zhuǎn)是由試樣中的天然裂縫的影響引起的。當(dāng)只分析試樣的表觀裂縫分布圖時(shí)，對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的形成會(huì)有很多疑問，但將表觀裂縫分布與基于CT掃描的3D可視化模型相結(jié)合可以解決這一問題。

(3)網(wǎng)狀裂縫:首先，初始縱向水力裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中遇到了一些橫向天然不連續(xù)面，這些天然不連續(xù)面被打開并擴(kuò)展。當(dāng)這些天然不連續(xù)面擴(kuò)展時(shí)，裂縫再次轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生新的縱向水力裂縫。最終形成縱橫交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，但是不一定會(huì)形成主水力裂縫。試樣T1、T6、T7和T8均形成了網(wǎng)狀裂縫。

以試樣T1為例，如圖5(c)所示。從表觀圖中只能觀察到，壓裂前有一條橫向天然裂縫，并且壓裂后未形成主水力裂縫，然而在3D可視化模型中可觀察到，壓裂前有四條橫向天然裂縫，在壓裂中有兩條橫向天然裂縫從試樣內(nèi)部擴(kuò)展到了試樣表面，并且在試樣中形成了主水力裂縫。因此，利用3D可視化模型可以精確地識(shí)別由內(nèi)部天然裂縫擴(kuò)展形成的水力裂縫和水力壓裂裂縫形態(tài)。

3 討論

3.1 水平應(yīng)力差異系數(shù)和壓裂液黏度的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了工況1～工況5，即壓裂液黏度為17.1 mPa·s，水平應(yīng)力差異系數(shù)K3分別為0、0.18、0.36、0.53和0.65，用于研究水平應(yīng)力差異系數(shù)對(duì)水力裂縫形態(tài)的影響。在試樣T1、T2和T3中，除了縱向水力裂縫外，還有明顯的橫向水力裂縫，如圖9所示。試樣T1形成了網(wǎng)狀裂縫，而試樣T2和T3形成了魚骨狀裂縫。在試樣T4和T5中并沒有形成明顯的橫向水力裂縫，試樣T5僅形成了單一裂縫。然而，試樣T4的縱向水力裂縫與橫向天然裂縫相連，最終在試樣T4形成了魚骨狀裂縫。因此，較低的水平應(yīng)力差異系數(shù)有利于形成縱橫交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)。由于在試樣T1和T2沒有形成縱向主水力裂縫，而在試樣T3和T4中形成了主水力裂縫，因此可以推測(cè)高的水平應(yīng)力差異系數(shù)有利于主水力裂縫的形成和延伸。根據(jù)這一推測(cè)，試樣T5也應(yīng)該形成了縱向主水力裂縫，但試驗(yàn)結(jié)果似乎并不支持這一推測(cè)。但是通過觀察圖5(a)所示可知，其實(shí)是由于試樣T5在上下兩端各有一條大的天然裂縫，而縱向水力裂縫朝試樣上下的擴(kuò)展剛好都被其所阻止了，所以才未形成主水力裂縫。

紅色、藍(lán)色和黃色圖片框分別表示網(wǎng)狀裂縫、魚骨狀裂縫和單一裂縫；黑色相框表示泵壓超過設(shè)備極限值時(shí)，試樣未被壓裂

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了工況6、7、8、3和9，即水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.36，壓裂液黏度分別為1.3、3.2、5.0、17.1、31.6 mPa·s，用來(lái)研究壓裂液黏度對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響。低黏度壓裂液流動(dòng)性好，更容易打開層理和天然裂縫，如圖9所示，在試樣T6、T7和T8中，除了縱向水力裂縫之外，一些橫向?qū)永砗吞烊涣芽p被打開并發(fā)生了擴(kuò)展，形成了橫向水力裂縫。試樣T6、T8和T9均未形成明顯的主水力裂縫，但都形成了縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀裂縫。在試樣T3中，形成了貫穿巖樣的主水力裂縫。因此，可以推測(cè)低黏度壓裂液有利于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，但不利于主水力裂縫的形成和延伸。

總之，可以推斷，較小的水平應(yīng)力差異系數(shù)和較低的壓裂液黏度更容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。如圖9所示，當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0～0.36，并且壓裂液黏度為0～5.0 mPa·s時(shí)，更有可能形成網(wǎng)狀裂縫。此外，當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0，且壓裂液黏度為5.0～17.1 mPa·s時(shí)，也更傾向于形成網(wǎng)狀裂縫。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)在0.18～0.53，且壓裂液黏度為17.1 mPa·s時(shí)，更易形成魚骨狀裂縫。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)不小于0.65，且壓裂液黏度不小于17.1 mPa·s時(shí)，可能形成單一裂縫。

3.2 天然不連續(xù)面的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，影響頁(yè)巖中水力壓裂裂縫形態(tài)的最重要因素之一就是天然不連續(xù)面的發(fā)育程度和分布[25]。開放的天然不連續(xù)面將嚴(yán)重影響水力壓裂裂縫的傳播路徑，而閉合天然不連續(xù)面的密度、走向和膠結(jié)強(qiáng)度也會(huì)影響復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。平行層理面的天然不連續(xù)面有利于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，但過多的開啟天然不連續(xù)面不利于主水力裂縫的形成及其在井筒方向的延伸。例如，試樣T1、T6、T7和T8均形成了網(wǎng)狀裂縫，但是T6、T7和T8均未形成貫穿整個(gè)巖樣的主水力裂縫。而T1在試樣表面觀察也是未形成主水力裂縫，只有通過觀察試樣3D可視化模型才發(fā)現(xiàn)其實(shí)試樣內(nèi)部形成了一條貫穿整個(gè)巖樣的主水力裂縫，如圖5(c)所示。相反的是，試樣T2、T3和T4均形成了一條主水力裂縫，沿著井筒方向貫穿了試樣。法線沿最小水平應(yīng)力方向的天然不連續(xù)面有利于形成主水力裂縫，如在試樣T3中。由于天然不連續(xù)面的影響，縱向和橫向裂縫之間的交角將不會(huì)是理想的90°，而是會(huì)發(fā)生一些變化。如圖5(b)所示，試樣T3中縱向和橫向水力裂縫之間的交角約為60°。

4 結(jié)論

利用室內(nèi)真三軸水力壓裂試驗(yàn)和基于CT掃描的3D可視化模型，研究了鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層頁(yè)巖水力壓裂裂縫形態(tài)，探索了地應(yīng)力差異系數(shù)、壓裂液黏度和天然不連續(xù)面對(duì)水力壓裂產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的影響。主要結(jié)論如下。

(1)該頁(yè)巖水力壓裂破裂壓力有隨壓裂液黏度增大而增大的趨勢(shì)，且當(dāng)最小水平應(yīng)力相同時(shí)，破裂壓力會(huì)隨著水平應(yīng)力差異系數(shù)的增大而減小。

(2)頁(yè)巖水力壓裂后，會(huì)形成不同的裂縫形態(tài)，這些形態(tài)按照復(fù)雜程度最終可分為三類:單一裂縫、魚骨狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫。低水平應(yīng)力差異系數(shù)和低黏度壓裂液更容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0～0.36，且壓裂液黏度為0～5.0 mPa·s時(shí)，更有可能形成網(wǎng)狀裂縫。此外，當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0，且壓裂液黏度為5.0～17.1 mPa·s時(shí)，也更傾向于形成網(wǎng)狀裂縫。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)在0.18～0.53，且壓裂液黏度為17.1 mPa·s時(shí)，更易形成魚骨狀裂縫。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)不小于0.65，且壓裂液黏度不小于17.1 mPa·s時(shí)，可能形成單一裂縫。

(3)平行于層理的天然不連續(xù)面有利于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)7陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層中的大多數(shù)天然不連續(xù)面與層理方向一致。因此，如果頁(yè)巖油儲(chǔ)層含有豐富的天然不連續(xù)面，則有利于形成復(fù)雜的水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而有利于頁(yè)巖油藏的開采。但是，過多的天然不連續(xù)面開啟是不利于主水力裂縫的形成和擴(kuò)展。