煤层压裂水力裂缝与天然裂缝相互作用行为分析

张　鹏,吴百烈,韩延飞（.石化胜利石油工程有限公司井下作业公司,山东　东营　57000;　.中海油研究总院,北京　0007）

煤层压裂水力裂缝与天然裂缝相互作用行为分析

张鹏1,吴百烈2,韩延飞1
（1.石化胜利石油工程有限公司井下作业公司,山东东营257000;2.中海油研究总院,北京100027）

基于实地挖掘观察煤岩压裂后裂缝形态特征，通过理论推导方式研究了煤岩压裂水力裂缝与天然裂缝相互作用行为。分析了水力裂缝遭遇天然裂缝后的扩展过程，采用岩石力学、线弹性断裂力学理论，推导了水力裂缝遭遇天然裂缝扩展行为判定判据，该准则可用于煤层压裂模型中，模拟水力裂缝扩展，解释煤层压裂复杂裂缝形成原因。

煤层压裂；水力裂缝；天然裂缝；裂缝形态；判据；复杂裂缝

研究煤层水力裂缝与天然裂缝相互作用行为，是正确表征压后裂缝形态的重要基础，对提高煤层压裂设计的准确性具有重要作用。本文首先分析水力裂缝遭遇到天然裂缝后的扩展过程，随后基于岩石力学、线弹性岩石断裂力学理论，推导了不同扩展行为判别准则，研究了水力裂缝对天然裂缝存在状态影响。研究成果对于认识煤层压裂复杂裂缝形成机理具有一定作用。

1　水力裂缝扩展过程

在水力裂缝与天然裂缝遭遇之前，当两者相距较远时，天然裂缝对水力裂缝扩展的影响很小，水力裂缝沿最大主应力方向扩展；而当水力裂缝与天然裂缝相距很近甚至遭遇时，天然裂缝会对水力裂缝扩展带来影响。概括来讲，遭遇天然裂缝后，水力裂缝可发生如下情况：

（1）在遭遇天然裂缝前水力裂缝沿最大主应力方向扩展。

（2）水力裂缝遭遇到天然裂缝后，在起初一段时间内天然裂缝对水力裂缝的扩展没有影响，水力裂缝径直穿过天然裂缝。随着水力裂缝不断扩展，当缝内流体压力达到某临界值时，天然裂缝张开。当扩展的天然裂缝继续扩展遭遇到其他天然裂缝时，新的最优方位的天然裂缝可能会开启并扩展，水力裂缝穿过天然裂缝后继续扩展，同时天然裂缝开启并扩展，两者共同作用即形成复杂裂缝网络系统。

2　水力裂缝扩展行为判定准则

天然裂缝与煤层气储藏岩石力学性质不同，实际上它可以看作为一个弱面，图1显示了水力裂缝缝尖端及天然裂缝壁面受力情况。

图中蓝色代表水力裂缝，红色代表天然裂缝，远场最大地应力为，最小水平主应力为，规定拉应力为正压应力为负。天然裂缝方位角（与最大水平地应力夹角）为，水力裂缝与天然裂缝交叉点处由于应力奇异作用存在微小范围的应力屈服塑性区，假设其屈服半径为。水力裂缝穿过天然裂缝需要同时满足以下两个条件：（1）水力裂缝作用下，天然裂缝壁面不发生剪切滑移或者张性开裂；（2）水力裂缝尖端处最大主应力达到岩石本体抗拉强度。

依据判定方法，利用VisualBasic语言编制计算程序对水力裂缝遭遇天然裂缝后扩展行为进行分析，研究了天然裂缝方位、壁面摩擦系数、最大最小水平主应力比对水力裂缝扩展行为的影响。对于特定走向的天然裂缝，水力裂缝扩展行为主要受最大最小水平主应力比影响，应力比越大，水力裂缝越容易穿过天然裂缝。因此可以看出，在高主应力比和高逼近角的情况下，水力裂缝易直接穿过天然裂缝；在低主应力比和低逼近角的情况下，水力裂缝易发生转向，沿天然裂缝方向扩展。

3　水力裂缝对天然裂缝存在状态影响

在原始条件下，受围压作用天然裂缝处于闭合状态，水力裂缝的存在会使天然裂缝壁面受力状态发生改变，导致天然裂缝结构破坏。具体表现：

（1）在遭遇天然裂缝时，水力裂缝沿天然裂缝扩展导致天然裂缝结构破坏，可以通过水力裂缝扩展行为判定准则表征；

（2）在水力裂缝遭遇天然裂缝之前，天然裂缝保持完好，在穿过之后，由于水力裂缝缝内压力作用导致天然裂缝壁面有效应力大幅减小，原来处于闭合状态的天然裂缝可能会张开。压裂施工过程中当水力裂缝缝内压力达到时，与水力裂缝相交的天然裂缝将会破坏并开启。煤层压裂中由于煤粉堵塞、裂缝转向等原因，很容易达到上述条件，天然裂缝开启后将大大增加裂缝形态复杂度。

1）天然裂缝方位影响。这里所说的方位是指天然裂缝走向与最大水平地应力之间的夹角。

2）应力状态影响。天然裂缝开启压力受应力差影响很小，但受绝对应力水平控制显著。天然裂缝开启所需的净压力很小（开启压力与最小水平地应力之差），实际压裂由于煤粉阻塞憋压，很容易满足净压力要求，造成大量天然裂缝开启，导致煤岩压裂滤失严重。

3）壁面摩擦系数影响.壁面摩擦系数越大，所需的开启压力越大。采用低排量施工，降低井底施工压力有利于天然裂缝的稳定，减小滤失量，提高压裂液效率。

4　结论

（1）水力裂缝遭遇到天然裂缝后可能发生以下行为：1）径直穿过天然裂缝，随后天然裂缝开启，开启后的天然裂缝会在某个弱面处突破；2）水力裂缝沿着天然裂缝扩展，随后在与天然裂缝相交的某个弱面处突破并继续扩展。

（2）提出了扩展准则。利用线弹性断裂力学、岩石力学理论，推导了水力裂缝遭遇天然裂缝后扩展行为判据。判据显示：高水平主应力差和高逼近角条件，有利于水力裂缝直接穿过天然裂缝，低水平主应力差和低逼近角条件，有利于水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展。

（3）研究了水力裂缝对天然裂缝开启的影响，提出了水力裂缝穿过天然裂缝后，天然裂缝开启判定准则，指出天然裂缝开启受本身方位、应力条件、壁面摩擦系数影响：在0到90°之间，存在一个最优方位使得天然裂缝最容易开启；应力条件越高所需开启压力越大；壁面摩擦系数越高所需开启压力越大，理论判据可用于预测复杂裂缝的形成。

[1]任东梅,张烈辉,陈军,张明.煤层气藏于常规天然天然气藏地质及开采特征比较[J].西南石油学院学报,2001,23(05):29-32.