鄂西渝东东岳庙段页岩储层水力裂缝扩展形态与影响因素研究

张 辉

（中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉430035）

砂岩压裂理论认为，压裂形成的水力裂缝主要为对称双翼裂缝，随着非常规油气藏的深入开发，该理论已不能适应非常规储层体积压裂的要求。国内页岩气开发存在压裂理论不成熟，对裂缝网络形成的机理、特点不明确，针对页岩储层进行的物模试验较少等问题，使得国内页岩气开发缺乏相应的压裂理论指导或者试验数据支撑，因此，国内页岩气开发还需对裂缝网络形成的工艺技术、参数优化、液体体系等方面作更进一步的探索和研究。

1 天然露头真三轴压裂模拟试验分析

实验所需天然露头取自位于湖北省利川市谋道镇东岳庙段。压裂前，将露头岩芯加工成300mm×300 mm×300mm的形状，在岩样中心预制井眼，埋入钢管模拟套管并预制射孔或割缝，完成压裂前试样准备工作（图1）。

图1 真三轴物模实验流程图

本次实验利用中科院武汉岩土所大型真三轴物理模型试验机进行室内模拟。根据前期东岳庙段地应力测试结果，水平应力差异系数为0.2，设置模拟过程中三轴加载应力的大小分别为σv＝24.12 MPa、σH＝15.65 MPa、σh＝12.87 MPa，排量为1.5mL／s，压裂液采用清水替代，割缝方位与水平主应力方向的夹角为45°，加载应力后，开始以排量1.5mL／s进行泵注。在整个真三轴压裂模拟过程中，在岩样上布置了声发射探头，每端面暂定放置3枚，并根据试验实际监测效果进行调整。从声发射监测的结果看（图2），随着压裂时间的增加，声发射事件数量逐渐增多，压裂后期声发射事件数量增加缓慢。

图2 声发射事件分布图

2 水力裂缝物理模拟模型试验分析

从破裂后裂缝形态可以看出，页岩压裂后有一条沿水平应力方向开裂的贯穿破裂面，平行天然页岩层理面。从开裂面可以观察到，在破裂面上有多条不规则分布的压裂缝，呈交叉状相互连通，有明显的液体渗透痕迹（图3）。从垂向加载面与水平向加载面可以看出，试件表面有多条不规则分布的破裂面，部分破裂面相互连通，形成了一定的网状结构，这种立体状的三维空间裂缝展布和延伸也是页岩储层改造的最为关键性条件。

图3 岩心压开后裂缝剖面观察图

针对东岳庙段可压性好的页岩储层，压裂过程中希望形成网络裂缝系统。缝网的形成主要受人工裂缝与天然裂缝夹角和水平应力差控制，缝网压裂工艺主要沟通穿越天然裂缝和结构弱面的剪切破坏。

裂缝延伸过程中遇到天然裂缝后存在3种可能。

1）当θ＜30°时，无论应力差大小，天然裂缝均开启，改变原有延伸路径，有利缝网形成。

2）当30°≤θ≤60°时，低应力差，天然裂缝开启，具有形成缝网的条件，高应力差天然裂缝不开启，不具有形成缝网的有利条件。

3）当θ＞60°时，无论应力差大小，天然裂缝均不开启，不具有形成缝网的有利条件。

根据压裂试验后裂缝的形态，考虑天然裂缝或结构弱面对人工裂缝延伸的影响，结合理论模型，得出以下3种裂缝延伸模型（图4、5、6）。

图4 模型Ⅰ的裂缝延伸模型图

图5 模型Ⅱ的裂缝延伸模型图

图6 模型Ⅲ的裂缝延伸模型图

3 水力裂缝影响因素分析与评价

3.1 高角度缝影响

实验表明，高角度截交缝对起裂的影响很大，水平截交缝对起裂的影响甚微，几乎不影响起裂方向。由于高角度截交缝的存在，使得起裂初始方向沿着天然裂缝的方向进行，当水力裂缝从天然裂缝的尖端扩展出去以后（图7），往往会发生偏转，最终沿着最大水平主应力方向扩展，从而导致了起裂裂缝的近井筒扭曲。

图7 高角度截交缝导致起裂后水力裂缝近井筒扭曲

实验还发现，在缝高增长的初期，天然裂缝对缝高的影响相对较小，使得缝高方向的滤失加大，在缝高增长的中后期，除了增加了滤失外，天然裂缝还有具有强烈的止裂作用，从而有效地控制了缝高增长。

3.2 压裂液粘度影响

考虑压裂液的粘度和排量对压裂后裂缝形态的影响，当采用高粘度的压裂液时用较小的排量，当采用低粘度压裂液时用较高的排量。从试样实验参数可以看出，在相同的应力条件下，v－1、v－2、h－1、h－2等4支试样所采用的压裂液的粘度为100mPa·s，对应的排量为1.5mL／s，而v－3、v－4、h－3、h－4等4支试样所采用的压裂液的粘度为10mPa·s，对应的排量为2.0mL／s。

采用高粘度压裂液时，所压开的水力裂缝表面粗糙度较低，裂缝形态比较理想，裂缝表面比较光滑，水力裂缝容易穿过预置的天然裂缝。采用低粘度压裂液的时，裂缝表面非常粗糙，起伏比较明显，水力裂缝容易沿着天然裂缝方向延伸。

在相同工况下，高粘度流体滤失量显然要比低粘度流体的滤失量小，水力裂缝要想穿过一个天然裂缝，必须克服不连续体表面的岩石强度。假如天然裂缝有足够的剪切力，并在岩石表面产生足够大的拉伸力，上述情况就会发生，而滤失的流体就像润滑剂，会减少不连续体的剪切力，甚至使之完全没有。因此，高粘度流体有利于水力裂缝穿过天然裂缝，这一试验结果也与很多现场结果相符。

3.3 排量影响

当排量为1mL／s时，峰值水压力仅为1.9MPa，之后，压力迅速跌落，将排量增加到2mL／s时，峰值水压达到4.7MPa，停止注水后，压力迅速跌落（图8）。在较小的水压下，钢管割缝处产生的裂缝与天然裂缝沟通，压裂液很快到达试样边界，引起压力的急剧跌落。在排量为1mL／s时，试样已经形成了从内部割缝处到外部边界的裂缝网络，将排量增大到2mL／s后，压力峰值达到4.7MPa，并保持相对稳定。这些数据说明，真三轴试验机施加的三向应力抑制了裂纹宽度的增大，使试样内部裂缝网络的空间形态相对保持不变，让压裂液在裂缝中的流动处于一个动态的平衡。

图8 不同排量模拟状态图

采用高排量压裂时，裂缝形态比较理想，裂缝表面比较光滑，水力裂缝容易穿过预置的天然裂缝。采用低排量压裂时，裂缝表面非常粗糙，起伏比较明显，水力裂缝容易沿着天然裂缝方向延伸。

4 结论与建议

1）从实验结果看，在试件表面有多条不规则分布的破裂面，部分破裂面相互连通，形成了具有一定规模的缝网系统。根据实验结果，再结合前期对东岳庙段储层可压性的评价，可以判断出东岳庙段页岩储层可压性较好，通过水力压裂能形成复杂裂缝系统，能有效地增大改造体积。

2）根据天然裂缝或结构弱面对人工裂缝延伸的影响，再结合理论模型，得出了东岳庙段页岩储层的3种裂缝延伸模型。由于该储层天然裂缝较为发育，根据岩样试验结果可以初步判断，模型Ⅲ为最主要的裂缝延伸扩展模型，即，水力裂缝在相交点直接穿过天然裂缝，并继续沿最大水平主应力方向延伸。

3）水力裂缝影响因素的评价结果表明，高角度缝、压裂液粘度和排量是决定压后裂缝形态的主要因素。因此，在现场压裂施工中，首先应考虑高角度缝对缝高抑制的影响，同时尽量采用高粘液体与低粘液体相结合的液体体系组合，以便尽可能多地打开天然裂缝系统；其次应考虑施工排量对裂缝的影响，应尽量采用大排量施工，以便有效地提高施工净压力，形成复杂缝网系统。

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