页岩储层水力压裂裂缝相互作用分析研究

赵超能

（西安石油大学，陕西西安710065）

页岩储层水力压裂裂缝相互作用分析研究

赵超能

（西安石油大学，陕西西安710065）

水平井分段压裂是对页岩进行储层改造和增产的一项工艺技术，在进行体积压裂过程中，裂缝尖端产生应力集中，并且人工裂缝之间也会因为应力干扰而产生相互作用，对于延长陆相页岩储层，结合线弹性断裂力学理论，运用有限元方法对裂缝之间的相互作用进行了研究，结果表明：裂缝扩展以张开型为主，裂缝之间存在应力干扰作用，进行单井压裂时，裂缝会相互排斥，随着间距的增加，排斥作用降低，为页岩储层压裂改造提供参考和依据。

泥岩；水力压裂；裂缝；相互作用

近年来，北美地区页岩气开发取得巨大成功，使美国已经成为世界第一大天然气生产国。相关预测表明，未来数十年，页岩气资源将在能源结构中发挥重要作用[1]。页岩储层的渗透率极低，对低渗透页岩储层进行体积压裂改造（SRV），从而形成复杂缝网是实现页岩储层经济开发的关键[2]。Fisher等[3]认为水力裂缝以及相互连接的天然裂缝，能够大幅度地增加井筒与储层的接触面积。马兵等[4]根据线弹性断裂力学理论，运用边界元计算理论研究了单条水力缝与单条天然裂缝的相互作用。Zhou等[5]运用不连续位移法，提出评价因子“H”，研究了评价因子对人工裂缝相互作用的影响。刘顺等[6]基于物质守恒原理，建立了水力裂缝与天然裂缝正交时的计算模型。国外一些学者Blanton、Warrinski等针对裂缝相互作用-特别对水力裂缝与天然裂缝进行了试验研究[7，8]。本文基于断裂力学理论，结合延长陆相页岩储层物性参数，运用有限元软件研究水力裂缝相互作用。

1 延长陆相页岩储层

鄂尔多斯盆地（Ordos Basin），又称陕甘宁盆地，地处华北地区西部，是华北板块中发育的一个大型的中生代内陆、多旋回、叠合型沉积盆地，是我国继塔里木盆地之后的第二大含油气沉积盆地。鄂尔多斯盆地三叠系延长组油页岩不仅是延长组的生油岩，而且是延长组页岩气的生、储层位。延长组页岩气储层属于陆相沉积，具有埋藏深度浅，分布稳定，厚度较大，孔隙度、基质渗透率极低，岩性脆等特点。

本文选用延页平1井作为研究对象，岩石力学参数（见表1）。由表1中数据可知该井的杨氏模量范围为19 510.96 MPa～30 180.03 MPa，泊松比范围为0.069～0.196，由此可见，延长陆相页岩储层的脆性程度较高。

表1 延页平1井岩石力学及地应力参数

2 裂缝扩展理论

根据传统断裂力学理论，裂纹类型分为三类[9]，分别为：（1）张开型；（2）剪切型；（3）滑移型（见图1）。本文使用应力强度因子（Stress Intensify Factor）来表征裂纹前缘的应力集中程度。

图1 裂纹类型（由左及右分别为张开型、剪切型和滑移型）

当水力裂缝尖端强度因子（Kf）超过岩体结构的断裂韧性（Kc）时，裂缝发生扩展。对于裂缝扩展方向，本文采用最大周向应力理论（Maximum Circumferential Stress Criterion）判定，其基本观点是：（1）假设裂纹起裂的方向为等周线上周向正应力σθ达到最大值时所对应的方向；（2）该方向的应力强度因子达到临界值。对于复合型裂纹，其表达式如下：

裂纹尖端各方向应力场表达式如下[10]：

3 裂缝相互作用分析

本文采用美国康奈尔大学断裂工作组编制的Franc2D有限元软件进行水力裂缝尖端强度因子的计算，结合延页平1井的相关数据，并假设该储层各向同性，建立岩体受力模型（见图2），最大水平主应力为25 MPa，最小水平主应力为20 MPa，下面对裂缝间相互作用展开分析。

图2 岩体受力模型

3.1 存在单条水力裂缝

当水力压力为23 MPa，岩体中仅存在一条水力裂缝时，经过有限元软件计算，得到的应力云图（见图3）。

图3 存在单条水力裂缝时的尖端应力场云图

由云图可以看出，在裂缝尖端周围应力集中程度较高，守恒积分（J积分）和位移相关法（Displacement Correlation）的计算结果显示，I型应力强度因子分别为615.38 MPa·mm1/2（单位已转换）和642 MPa·mm1/2，II型应力强度因子分别为-0.827 MPa·mm1/2和-0.721 MPa·mm1/2，由此可见，裂缝起裂类型以I型（张开型）为主。由最大周向正应力理论判断的扩展方向为最大主应力方向。

3.2 两条水力裂缝时的相互作用

页岩储层多数依靠水平井分段压裂，使主裂缝之间产生的相互干扰，以及主裂缝与多级次生缝相互交织，形成复杂裂缝网络系统，使得井筒与储层基质之间的接触面积达到最大化[11]。本文选用Franc2D软件进行有限元计算分析，其中网格划分来自Franc2D软件的自带功能，其准确性已被相关国内学者所验证[12，13]。

单井压裂时，同样，选用上例中的相关参数，在水平井筒方向（即图中水平方向）上设计两条对称水力裂缝，水力压力为23 MPa，对水平井分段压裂的一段中的两簇裂缝相互作用进行分析，得到的各方向应力场云图（见图4）。

图4 存在两条水力裂缝时的尖端应力场云图

当岩体中存在两条水力裂缝时，从应力场云图来看，由于受到挤压，沿着水力裂缝，在x方向上的应力影响区域发生部分挤压重叠，该重叠区域范围随着缝间距的增加而减小。计算结果显示，应力场干扰使裂尖的应力强度因子相对于仅存在单条裂缝的情况下减小了18%，说明在干扰情况下，裂缝起裂难度增加。

图5 存在两条水力裂缝时的岩体变形图及应力场云图

当水力裂缝扩展时，模拟发现，水平井同时压裂两条裂缝时，随着水力裂缝的扩展，裂缝不再沿着原来的方向延伸，而是朝着远离对方裂缝的方向偏转（见图5）。当两条裂缝同时扩展时，裂缝尖端产生拉应力集中，从裂缝尖端向外，应力具有递减的趋势，由于裂缝间相互干扰程度较高，导致裂缝之间的剪应力区域减小，说明容易产生剪切裂缝，因此在进行页岩储层压裂设计时要选择合理的缝间距。

4 结论

（1）进行压裂作业时，裂缝尖端产生应力集中，裂缝扩展类型以I型（张开型）为主，延伸方向为最大主应力方向。

（2）单井压裂两条裂缝时，水力裂缝朝着远离对方的方向扩展。而多裂缝情况下，特别是三条及以上裂缝时产生的诱导应力，有可能会使应力反转，因此，在进行压裂设计时，要考虑缝间相互作用机制，合理确定压裂缝间距。

（3）由于页岩储层具有脆性特征，通常情况下，天然裂缝发育程度较高，尽管国内外部分学者也对裂缝相互作用展开了研究[14，15]，但是其机理仍然不是很明确，并且多数为二维情况，是裂缝相互作用研究的难点，也是下一步要开展的研究工作。

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新的代用天然气工艺完成中试试验

Clariant公司（瑞士）制造代用天然气（SNG）新工艺的中试装置已试验成功，标志着该技术已具备商业应用条件。该工艺被称为Vesta单程甲烷化新技术，具有较宽的H2/CO灵活性，是Clariant公司、惠生工程公司（上海）以及Amec Foster Wheeler公司（英国）联合开发的。

Vesta甲烷化技术用于从煤或石油焦气化得到的合成气生产代用天然气。它是一种单程操作，无需使用压缩机。其中一次性投资可减少20%或更多。该催化剂也更活跃，具有较高的转化率和更宽的操作温度范围（230℃～700℃）。2015年Clariant公司的甲烷化催化剂也被成功地用于工业应用中。

（摘自石油化工2016年第11期）

Analysis of interaction between hydraulic fractures in shale reservoirs

ZHAO Chaoneng
（Xi'an Petroleum University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Horizon well stage fracturing is the one technology for stimulating shale reservoir.There is a area of stress concentration in the fracture tip,so that the interaction between fractures will be generated.For Yanchang shale gas reservoirs,combine the theory of elastic fracture mechanics and FEM to investigate the interaction between hydraulic fractures.The result shows that the main of fractures are opened.Due to the stress interference between fractures in single well fracturing,fractures would propagate from each other,the repulsive interaction decrease as fractures space increase.It provides references for stimulating shale reservoir in the future.

shale；hydraulic fracturing；fracture；interaction

TE357.11

A

1673-5285（2017）01-0028-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.009

2016－12-11

陕西省科技统筹计划“陆相页岩气储层压裂改造工艺技术攻关”项目，项目编号：2012KTZB03-03-03-02。

赵超能，男（1991-），西安石油大学油气田开发工程专业在读硕士研究生，研究方向为非常规油气开采，邮箱：zhaochaoneng@qq.com。