裂缝性页岩储层水力裂缝非平面扩展实验

侯 冰 程 万 陈 勉 谭 鹏 杨立峰

1.油气资源与探测国家重点实验室 ·中国石油大学（北京） 2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

在油气勘探开发行业，水力压裂已被证实为是一种高效的储层改造技术。采用水平井分段压裂时储层中的天然裂缝往往对水力裂缝扩展路径有着显著的影响［1－4］。水力裂缝遇到天然裂缝后常变现出3种行为：①穿透天然裂缝；②张开天然裂缝；③沿着天然滑移面扩展。Lanton［5］、Warpinski［6］、Renshaw［7］等 较 早 地研究了水力裂缝与天然裂缝干扰机理，并分别提出了交叉准则。Potluri等［8］综述了这3种交叉准则，并系统地讨论了裂缝内部液压与水力裂缝扩展行为的关系，但没有提出新交叉准则。近年来，水力裂缝与天然裂缝的交叉准则又有了很多新发展，主要体现在断裂力学在水力裂缝扩展中的应用。周健［9－10］改进了Warpinski准则，将岩石造缝能力与水平应力差、逼近角（水力裂缝面与天然裂缝面的夹角）联系起来。Taleghani等［11］采用线弹性断裂力学理论计算了水力裂缝尖端的应力强度因子及沿着不同方向扩展的能量释放率。Keshavarzi等［12－13］统计了含有预制裂缝的岩样的水力压裂实验数据，分析了逼近角、水平应力差、界面摩擦系数等参数对这种相互作用机制的敏感性，实时预测水力裂缝与预制裂缝交叉行为。Gu等［14］在Renshaw准则基础上，分析了水力裂缝与天然裂缝斜交后的裂尖应力场以及作用在天然裂缝面上的应力场，建立了判别水力裂缝能否穿透天然裂缝的准则。刘志远［15］在Blanton准则的基础上，得到了张开天然裂缝、穿透天然裂缝和沿着天然裂缝滑移的临界净液压力，并对含有预置裂缝网络的混凝土试样开展水力压裂试验。程万等［16］总结了Gu准则和Renshaw准则的优缺点，提出了三维空间下水力裂缝穿透天然裂缝的判别准则，并以混凝土试样真三轴水力压裂试验予以验证。

上述水力压裂试验都是针对混凝土试样开展的，混凝土试样及其预置裂缝的力学性质与真实页岩的力学性质差别巨大，致使这些研究成果的现场应用受到一定局限。为更加接近储层实际特征，笔者选取下志留统龙马溪组裂缝性页岩露头标本进行真三轴水力压裂实验，结合多探头声发射实时监测水力裂缝的扩展路径，研究水力裂缝的扩展行为以及与天然裂缝的沟通机理。

1 实验方案

利用真三轴压裂实验模拟系统，进行页岩露头标本水力压裂模拟。模拟前需要通过相似准则算出室内实验参数。已知龙马溪组页岩地层相关数据如下：弹性模量为35GPa，泊松比0.25，孔隙压力梯度为1.05 MPa／100m，水平最小地应力梯度为1.85MPa／100 m，水平最大地应力梯度为2.1MPa／100m，上覆岩层应力梯度为2.0MPa／100m，地层埋深约为2 500m。水力压裂现场施工以排量5m3／min压裂地层，后将排量提升至10～12m3／min，泵注时间约为200min，单条水力裂缝长度约为250m。龙马溪组页岩露头参数如下：弹性模量为40GPa，泊松比为0.18。岩样尺寸为400mm×400mm×400mm，模拟井筒长度为140mm，直径为16mm，裸眼段长度60mm。

依据上述基本数据，根据相似准则计算得到实验参数如下：水平最小地应力为19.1MPa，水平最大地应力为26.3MPa，上覆岩层压力为22.1MPa。采用小排量0.163mL／s（模拟现场排量5m3／min）压裂岩石至破裂，再迅速将排量提升至0.326mL／s（模拟现场排量10m3／min），泵注时间25s（模拟现场泵注时间200min）。水力压裂试验采用的压裂液是现场所用的滑溜水压裂液体系，黏度介于2～3mPa·s，配方为：FR－66降阻剂0.075%，Optikleen WF破胶剂0.09kg／m3，BE－9杀菌剂0.07%，Gasperm 1100防水锁剂0.20%～0.05%。

实验中共有4块页岩露头岩样（图1－a），为便于观察，压裂前用紫色线描绘出天然裂缝分布形态。为了更好地描述各个表面水力裂缝与天然裂缝的沟通情况，将岩样平面进行命名：P1与P4为上下2个面，P2与P5为前后2个面，P6与P3为左右2个面，由于4块露头是从同一个岩体上切割下来，因此每块岩样也都发育层理缝或者层理面（图1－b）。第3号岩样在压裂时采用了声发射系统实时监测裂缝扩展，为了获得更精确的监测效果，实验中布置了6个声发射探头实时监测水力裂缝扩展行为，布置方式如图1－b所示。

2 实验结果及分析

压裂前4块页岩露头中的天然裂缝形态以及压裂后水力裂缝与天然裂缝的沟通特征分别如表1～4所示。当水力裂缝遇到天然裂缝时，可能穿透天然裂缝，如1号和3号岩样的P1面，也可能转向沿着天然裂缝扩展，如1号岩样的P6面、2号岩样的P1面和P3面，水力裂缝遇到天然裂缝时先发生转向后又继续沿着垂直于最小主应力方向扩展，水力裂缝的转向或者穿透与否，除了和逼近角、地应力［7－8］有关，还和天然裂缝的开度、胶结强度有关。水力裂缝可沿着天然裂缝起裂，也可直接沿着岩石本体方向起裂，如3号岩样的P1面，一翼沿着天然裂缝扩展，另一翼直接张开岩石本体，岩石起裂会根据最小破裂压力及其对应的方式起裂。当天然裂缝发育时，水力裂缝与天然裂缝的沟通也会很充分，更易形成网状缝，如2号岩样的P6面。4号岩样P6面残缺，故实验前用水泥填充，由于水泥与页岩胶结不够紧密，在受三向应力作用时，形变量不同，使得混凝土试样与主体页岩脱离。4号岩样中存在大开度、低胶结强度的天然裂缝，水力裂缝遇到这种天然裂缝后迅速发生转向，压裂液并从岩样P1面渗出，致使P3面没有观察到新压开的水力裂缝，岩样破碎程度和水力裂缝的复杂程度远远小于1号～3号岩样。由此可知，现场压裂施工时应该避开大型断层面，可以有效地防止压裂液流向断层而造成能量损失。

图1 4块页岩露头（从左至右分别为1～4号岩样）及试样平面标记和声发射探头布置方式图

表1 1号页岩露头压裂前后裂缝形态对比表

表2 2号页岩露头压裂前后裂缝形态对比表

如图2、3所示，将压裂后的岩样沿着破裂面展开后观察裂缝的沟通形态及压裂液的分布情况，可以看到：主裂缝面相对天然裂缝面要平整，水力裂缝沟通天然裂缝或者层理缝时，在层理面上的压裂液示踪剂痕迹呈椭圆面分布，但其颜色较主裂缝面要浅，表明压裂液进入层理面的液量相对较小，这是因为层理面上张开的裂缝宽度要小于主水力裂缝面的宽度。当水力裂缝遇到多个小型天然裂缝后，整体扩展方向依然是沿着垂直于最小地应力的方向扩展，小型天然裂缝只能在局部范围内对水力裂缝扩展造成影响。

表3 3号页岩压裂前后裂缝形态对比表

图2 2号页岩压裂后展开图

表4 4号页岩压裂前后裂缝形态对比表

图3 3号页岩压裂后展开图

3号岩样在压裂过程中采用了多探头声发射系统来实时监测裂缝的扩展，如图4所示，在水力裂缝张开岩石本体的方向上声发射信号点较多，而沿着天然裂缝扩展的方向上声发射信号点少，声发射信号散点图与水力裂缝扩展趋势基本吻合。水力裂缝沟通原有的天然裂缝不涉及岩体的断裂，故压裂期间声信号微弱，不易被监测。

图4 3号页岩声发射监测结果图

3 讨论

龙马溪组页岩发育层理和天然裂缝等结构面，各向异性特征显著，使得页岩储层的压裂与均质砂岩储层明显不同。水力裂缝与这些结构面的相互作用机制是极其复杂的，也是亟待解决的科学问题。大量的水力压裂试验已经证明，这些结构面的力学性质及其产状势必影响水力裂缝的扩展行为，水力裂缝的非平面扩展必将增加水力裂缝复杂程度，从而有望减小页岩储层中油气运移到井眼中的阻力。

对于天然裂缝发育的页岩储层，缝网压裂的关键是需要提高水力裂缝的缝内净压力，使得天然裂缝或者层理弱面张开，并与水力裂缝相互沟通形成更多的分支裂缝，页岩储层各向异性显著，水力裂缝扩展时受到的应力不是单一作用，往往是复杂应力场中的复合型裂缝扩展问题，在大排量快速压裂的过程中，页岩地层中的水力裂缝极有可能在应力偏转或地层微观结构变化时发生分叉扩展的情况，裂缝分叉后的扩展裂缝随排量和天然裂缝特征等因素的影响可能进一步加速扩展再次分叉。裂缝的分叉行为与其自身物理力学性质和外部加载环境都有关系，通过改变裂缝表面性质和控制加载条件可促使裂缝分叉扩展形成裂缝网络。

由图3可以看出，裂缝性页岩储层中水力裂缝在沟通天然裂缝、层理面后，形成的是一种空间非平面裂缝网络。目前，油田水力压裂施工设计所采用的软件基本都是假设水力裂缝是在一个平面上扩展的，这种软件适合于模拟水力裂缝在均质砂岩储层中的扩展行为。然而，龙马溪组页岩储层中的水力裂缝是一种空间非平面网状裂缝，不再是一个对称的双翼平面缝，从而导致当前的水力裂缝预测软件难以模拟真实的裂缝情况。本文的部分研究成果虽在一定程度上展示了裂缝性页岩储层中水力裂缝的扩展行为，但要从根本上解决页岩储层缝网压裂机理这一科学难题，还需要进一步研究水力裂缝在裂缝性页岩地层中形成空间裂缝网络的力学机制，建立起适合裂缝性页岩储层空间网状水力裂缝扩展模型，从而设计出一套全三维非平面水力裂缝模拟软件，为页岩储层缝网压裂设计提供技术参考。

4 结论与认识

1）水力裂缝一般是沿着垂直最小主应力方向扩展的，当遇到天然裂缝时，裂缝方向可发生转向或者穿透裂缝继续扩展，水力缝的转向或者穿透与天然裂缝的开度、胶结强度相关。水力裂缝从岩石本体起裂扩展的方向位置声发射点较集中，沿着天然裂缝扩展期间发出的声信号微弱，在利用声发射监测水力裂缝扩展前应对岩石内部天然裂缝进行描述。

2）小型天然裂缝只能在局部范围对水力裂缝扩展造成影响，很难改变水力裂缝的整体扩展方向；大开度、低胶结强度的天然裂缝容易导致水裂缝转向扩展，并损失压裂液，难以形成新的主水力裂缝面，压裂改造应避开断层发育地段。

3）水裂缝性页岩地层水力压裂形成的水力裂缝不是一条单一的双翼平面缝，而是一种空间非平面网状裂缝，水力裂缝在穿越天然裂缝时的转向过程和主裂缝动态分叉是使整体裂缝形态变得复杂的主要因素。

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