水力压裂基础研究进展及发展建议

仝少凯 高德利

1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室；2.油气资源与工程国家重点实验室

0 引言

随着油气勘探与开发进程的不断发展，低渗透、页岩、致密等难开采油气资源在勘探开发中所占比例越来越大，甚至超过了70%。中国低渗透油田分布广泛，主要分布在长庆、大庆外围、吐哈、吉林、二连及延长等地区。最近几年，在我国新增油气增量中低渗透油气藏占70%以上［1］，渗透率为(0.1～10)×10-3μm2的油气储量占比约 46%。低渗透油藏岩性以砂岩为主，砂岩油藏约占70%，砾岩油藏约占10%；同时页岩气探明储量快速增长，目前已超过7 643×108m3，形成了涪陵、长宁、威远、延长等四大国家级页岩气示范区，年产能达到78.82×108m3。其中，中国石化在涪陵页岩气田探明地质储量6 008×108m3，中国石油在四川威远长宁地区页岩气田累积探明地质储量1 635×108m3。由此可见，中国低渗透油气和页岩气的资源潜力巨大，其高效开发对保障国家油气供给具有重要的现实意义。

理论和实践证明，上述低渗透油气藏和页岩气藏需要进行针对性的压裂改造才能获得经济开发效益。近年来，不同的水力压裂工艺在低渗透油气藏和页岩气藏的储层改造中起到了良好的增产效果，但是每一种水力压裂工艺都存在一定的局限性，要么不能适用于一些复杂结构井，要么不适用于一些复杂地质储层。因此，必须针对储层特征及复杂井型开展针对性的研究，提出与地质和工程相适应的储层改造一体化解决方案，才能更好地挖掘储层的增产和稳产潜力。

近年来，国内外专家学者在水力压裂工艺、裂缝起裂与扩展、压裂流体、支撑剂等方面的研究取得了重要进展，但仍然存在不少问题，如较高的起裂压力和井口压力、低黏度携砂运移能力、近井筒裂缝弯曲与转向、多重裂缝、多裂缝应力阴影、多裂缝诱导应力干扰、循环注入方式对裂缝起裂与演化的影响、岩石破裂力学准则的适用性等。笔者对国内外在上述方面的研究现状进行了综述分析。

1 水力压裂新工艺研究进展

传统的水力压裂工艺包括限流法分层分段压裂、投球法分层压裂、封隔器分层分段压裂、裸眼滑套分段压裂、泵送桥塞分段压裂、固井滑套分段压裂、连续管带底封分段压裂等，以及在这几种工艺上改进优化的其他工艺，如开关滑套分段压裂、大通径免钻桥塞分段压裂、可溶桥塞分段压裂等。这些传统的压裂工艺在一定程度上解决了低渗透油气藏和页岩气藏的高效开发难题，但仍存在一些不足之处，因而研究发展了一些新的水力压裂工艺。

1.1 分支井压裂

分支井(又称多底井)是指从1个主井眼(母井眼)中钻出2口或多口进入油气藏的分支井眼或二级井眼分支井，并回接到主井眼上。其中，主井眼可以为直井、定向井或水平井。根据多分支井(Multilateral Wells)的复杂性和功能性，从完井角度将分支井分成6大类，即所谓的TAML(Technology Advancement of Multilateral Wells)分级［2-3］。分支井能够发挥水平井高效、高产的优势，增加泄油面积，挖掘剩余油潜力，改善油田开发效果。例如非常规页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏采用多分支井完井设计，改善气层流动剖面，提高采收率［4-7］。分支井可以充分动用储层，并通过压裂后最大限度地提高储层的有效改造体积，减少打常规直井和水平井的数量。

分支井压裂是先后对每个分支水平井眼单独进行压裂。多分支井压裂与单水平井分段压裂技术的差异及其关键技术是射孔组合、压裂作业等管柱重入各分支井眼、多井眼的密封封隔、各井眼连接处的密封连接等。针对多分支井，常用的成熟压裂技术是桥塞射孔联作分段压裂技术，目前已在国外非常规储层多分支井压裂施工中成功应用［8］。

1.2 “井工厂”压裂

“井工厂”的概念最早起源于美国页岩气开发过程，主要包括“井工厂钻完井”［9-10］和“井工厂压裂”［11-12］。“井工厂压裂”以单平台多口井为基础，集中各种大型压裂设备工具下井与压裂施工流水线交叉作业和在线配液模式，可实现各工序无缝连接。作为典型的“井工厂压裂”技术，拉链式压裂能较大提高施工效率，大幅度缩短作业时间，在1个井场对2口或2口以上的井依次进行压裂和射孔。同步压裂也是一种“井工厂压裂”方式，即有2口或更多的井在1个井场同时压裂和射孔。同步压裂对水平井间实现更大的网络裂缝有较大好处，但在地面上需要2套或以上的车组，且压裂和射孔时间没得到优化，降低了压裂效率。与拉链式压裂相比，同步压裂机理主要受诱导应力场作用形成远井复杂裂缝。

“井工厂压裂”的关键技术是多井压裂诱导应力模拟、对立布缝设计和交错布缝等技术。“井工厂压裂”技术在国内外页岩气田开发过程中取得了显著成效。以Parker页岩气藏为代表的北美地区利用“井工厂压裂”技术，平均单井产量比单独压裂可类比井提高21%～55%。2014年8月，以涪陵页岩气田为代表的国内页岩气开发最大规模的“井工厂压裂”施工取得成功，提高施工效率50%以上。

1.3 高速通道压裂

高速通道压裂(Hiway Channel Fracturing)是指水力压裂过程中，通过特殊的泵注方式和流体体系的设计，进入水力压裂裂缝中的支撑剂局部聚集成团块状，并使得这种团块支撑剂在裂缝内部形成不连续铺置，最终实现靠该类支撑剂团块支撑裂缝不闭合［13-14］。该工艺下油气的渗流通道不再是支撑剂颗粒形成的孔隙，而是团块之间无支撑剂支撑的孔道，这类油气渗流孔道由于无支撑剂的阻碍，理论上导流能力无限大，实际发现比常规压裂裂缝的导流能力高出1～3个数量级。该工艺的核心是将支撑剂以支撑骨架(支撑剂团)的形式不连续地铺置在压裂裂缝内部形成桥墩形式的支撑方式，如图1。这种类似单颗粒不连续的铺置方式下支撑剂团块内部间的空隙(类似传统铺置方式)不作为油气渗流的主要通道，因此支撑剂性能对裂缝导流能力几乎没有影响，而支撑剂团块间形成的高速无障碍通道网络才是流体通过的主要路径，从而较传统铺置方式能成倍增加裂缝导流能力，极大提高压裂效果。

高速通道压裂工艺的核心在于如何形成支撑剂的不连续柱状支撑和如何形成符合现场施工条件的施工工艺设计方法，利用支撑剂段塞注入和伴注纤维等技术，实现支撑剂在裂缝内部的非连续铺置，并能保证在生产过程中支撑剂团块长期稳定。高速通道压裂技术在美国、俄罗斯、南美和北美、中东等超过15个国家和地区的低渗透、致密气、页岩气等储层改造中得到了广泛应用，在世界范围内实施超过10 000(段)次，压裂施工成功率99.8%，取得了良好增产效果。综合统计结果显示，该技术的应用使得产量平均增加20%，压裂流体用量减少60%，支撑剂减少 40%［15-18］。

图1 裂缝内支撑剂铺置对比及油气流动模式［13］Fig.1 Placement comparison of proppant in fractures and oil/gas flow pattern

1.4 宽带压裂

分流暂堵宽带压裂增产技术通过液体转向，将未改造到或者改造不充分的那部分射孔簇充分改造，从而实现井筒最大覆盖和油气藏接触的最大化，增加产量和提高采收率［19-21］。快钻式桥塞分段射孔加砂压裂在2个桥塞之间一般有4～6个射孔簇甚至更多，分流暂堵宽带压裂时，压裂流体首先进入起裂应力较低的簇进行改造，当达到优化设计的液量和砂量后，泵入可降解纤维和不同目数的可降解暂堵球，暂堵缝口和炮眼，迫使工作流体转向至高应力射孔簇。这样保证了整个压裂段内的高、低应力区的所有簇均得到比较充分的改造，扩大了井筒覆盖与接触面积，形成一条高速的人工裂缝宽带，进而提高油气井的产量。由于分流暂堵宽带压裂技术与传统的分段压裂相比，储层的改造动用率更充分，所以累积产量和最终采收率得到提高。

宽带压裂的关键是暂堵材料的优选(包括暂堵球大小、承压能力及可降解性)和现场实施控制技术。根据实际经验，一般每个射孔段转向1～2次就能实现整个射孔段的完全改造。美国Eagle Ford页岩气区块采用分流暂堵宽带压裂工艺实现了12段的压裂施工，成功完成1个段内射孔簇的有效暂堵和流体转向，压后测试产量提高15%［22］。

1.5 水平井重复压裂

随着开发时间的推移和生产过程中压力、温度等环境条件的改变，水平井压后裂缝导流能力降低或失效，或原有裂缝控制的油气已接近全部采出，必须实施改向重复压裂，打开新的油气流动通道，更大范围地沟通老裂缝未动用的油气层，大幅度增加油气产量，进一步提高油气藏开发效果［23］。国内外重复压裂的方法有3种：原有裂缝延伸、层内压出新裂缝和转向重复压裂［24-25］。原有裂缝的延伸是目前最常用的重复压裂方式，在老井实施重复压裂，有效地延伸原有裂缝系统，使裂缝面与更大面积的含油层相接触，扩大泄油面积，增加原有裂缝系统油流通道。厚油气层在纵向上的非均质性或者长水平段分段压裂间距较大，油层内见效程度不同，会导致层内矛盾突出而影响开发效果，因此可以通过采取补射非主力油层、对非均质厚油层重复压裂或压裂同井新层等措施改善出油剖面，从而取得很好的效果。基于这种认识开展了层内压出新裂缝重复压裂理论研究和实践。转向重复压裂技术是在压裂施工过程中适时地向地层加入适量暂堵剂，由于压裂液流动遵循向阻力最小方向流动的原则，暂堵剂会优先进入地层天然裂缝或已有人工裂缝，在缝端聚集后产生封堵作用，形成高于裂缝破裂压力的压力差值，使后续压裂液不能向天然裂缝或已有人工裂缝流动。这必然在一定程度上升高井底压力，在一定的水平两向应力差条件下，产生二次破裂进而改变裂缝未动用的油气层，从而使产量大幅度增加。

美国Bakken油田部署的17口水平井，初次压裂后水平段中有相当多的产层未有支撑剂铺置，导致压后产量不高且稳产时间短。通过采用重复压裂技术进行二次增产，除1口井施工无效外，其余全部施工成功。重复压裂方案合计为该区块增加2×104m3(130×104bbl)的可采储量［26］。

1.6 水力波动注入压裂

水力波动注入压裂是目前提出的颠覆传统压裂模式的一项新工艺［27］。该工艺的基本原理是人为快速改变压裂泵组工作转速(或工作频率)，实现压裂泵组“不稳定的排量和压力”输出，从而增加井筒及裂缝内的压力波动(或压力振动)，借此提高储层岩石裂缝的破裂和扩展能力，增大井筒供给面积，改善压裂效果，提高油气井的产量和采收率。采用该工艺在一定程度上可降低井口压裂作业压力。该工艺的关键技术是可瞬时快速改变排量和压力的压裂泵组(即变频泵组)、变频时机和范围的选择、井筒与裂缝内压力波传播频率和波速的确定等。目前，由于“变频泵组”设计与制造问题，该项工艺还没有进行现场应用，但从理论上已经证实其可行性和可靠性。

1.7 缝网压裂

“缝网”压裂技术是针对低渗致密砂岩油气藏、页岩油气藏设计的压裂新技术，主要用于直井压裂，可以用于水平井的分段压裂。其目标不再是单一裂缝的长缝和高导流能力，而是要结合储层特征参数和配套压裂工艺及参数设计，最大限度地提高主裂缝一次或多次转向的可能性，最终形成主裂缝和多个分支裂缝相互交叉的类似网格状的裂缝系统［28-29］。“缝网”压裂技术就是利用储层2个水平主应力差值与裂缝延伸净压力的关系，一旦实现裂缝延伸净压力大于2个水平主应力的差值和岩石抗张强度之和(即2次破裂压裂之差)，则容易产生分叉缝，形成初步的缝网系统。以主裂缝为缝网系统的主干，而分叉缝可能在距离主缝延伸一定长度后，又恢复到原来的裂缝方位，则最终形成以主裂缝为主干的纵横交错的网状系统。“缝网”压裂的关键技术是缝高控制、诱导应力模拟和缝网压裂实施技术。“缝网”压裂技术已在长庆油田、二连油田及浙江油田等获得成功应用，并取得了预期的增产效果［30］。

2 水力压裂裂缝起裂与扩展研究进展

2.1 理论研究进展

2.1.1 水力压裂裂缝起裂机理与起裂压力预测

不同岩性储层的水力压裂实践表明，压裂裂缝的形成包括裂缝起裂和扩展2个阶段。在裂缝起裂研究中，主要解决起裂压力和起裂方位2个基本问题。通常认为影响裂缝起裂的主要因素有原地应力、地层孔隙压力、井筒液柱压力、井筒与地层压差作用下流体向多孔地层中的渗流流动、井壁条件、岩石的强度及其他物理力学性质等。

Eaton［31］认为地下岩层处于水平应力状态，且其中充满着层理和裂缝，流体在压力作用下将沿着这些薄弱面侵入，使其张开并向岩层延伸，其张开裂缝的流体压力只需要克服垂直面的地应力。同时给出了泊松比随深度增加的关系曲线，但没有考虑井的存在而产生的应力集中问题。Aderson［32］等在Eaton公式的基础上考虑了应力集中问题，确定了地层破裂压力，但没有考虑构造应力的影响。Hoek和Brown［33］基于大量的岩石抛物线型破坏包络线(强度曲线)系统研究，提出了岩石破坏的经验准则，但当时并没有用于起裂的研究中。Soliman［34］讨论了水平井破裂压力的确定，将Hoek-Brown的岩石失效准则应用于水平井压裂的水平裂缝，并确定了相应的起裂压力。通过室内和现场水平井压裂试验证明，该失效准则能较好地解释高的起裂压力现象。Hossain［35］等提出了通用的模型来预测水力裂缝起裂压力和裂缝的起裂方位及位置，结果认为在正常断裂应力下水平井筒需要的起裂压力比垂直井筒要小，这表明在给定的地应力条件下存在最优的井斜角使井筒需要的破裂压力最小。

Hubbert和Wills［36］拉伸强度理论认为当井壁围岩上某一点所受的最大拉应力超过了该处岩石的拉伸强度，岩石就会发生破裂，水力裂缝便会从该处起裂。该理论被广泛运用于垂直井筒的破裂压力预测，通常产生的是垂直裂缝。但是Soliman［34］和EI-Rabaa［37］等研究表明，拉伸强度理论对于直井和产生垂向裂缝的水平井的破裂压力预测是有效的，而在水平井产生水平裂缝的破裂压力预测中，拉伸强度理论低估了岩石的破裂压力，因此不合适。Draou［38］等提出2种预测地层孔隙压力和破裂压力的新方法：一种根据压实原理认为孔隙度随垂向应力以指数的形式变化；另一种孔隙度随垂向应力以幂率的形式变化。与重复地层压力测试方法相比，第1种方法的偏差在3%～6%之间变化，第2种方法在1%～3%之间变化。Li［39］等考虑岩石的复杂特性和各向异性提出页岩地层孔隙压力和破裂压力预测模型，与常规方法相比，模型精度有很大提高。此外，在国内，黄荣樽［40］系统分析了垂直裂缝和水平裂缝起裂的判据和影响裂缝延伸的因素，并建立了新的预测岩石破裂压力模型，分析认为裂缝的形成主要取决于井壁上的应力状态，裂缝的延伸方向主要取决于地应力，不论井壁上初始形成的裂缝方位如何，在远离井眼后，裂缝便趋于垂直于最小主地应力的方向。金衍［41］等根据地层应力状态及天然裂缝的产状，建立了裂缝性地层斜井水力裂缝3种起裂方式的起裂压力计算模型，并证明该模型能成功解释天然裂缝性地层的破裂压力。

2.1.2 水力压裂裂缝扩展机理

在裂缝延伸扩展机理分析中，主要分析原地应力条件和压裂液压力作用下岩石的三维变形、裂缝扩展力学准则、裂缝内压裂液的三维流动、支撑剂在裂缝内的有效运移与铺置、压裂液与地层之间的热交换、压裂液向地层中的滤失等。

Murphy［42］等研究了节理性(裂缝性)地层的水力压裂机理，发现在岩体内沿着预先存在的节理面剪切滑移失效最容易产生，而且剪切滑移导致了局部应力的重新分布，允许裂缝产生分支和树杈状。陈治喜［43］等应用岩石力学理论与方法，建立了层状介质中水力裂缝垂向扩展的数值模型，研究表明地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围和扩展方向的主要因素，岩层断裂韧性对裂缝的垂向扩展有明显的止裂作用。陈勉［44］等采用多孔弹性理论，推导了斜井井壁周围的应力表达式，并提出新的斜井水力压裂起裂判据。同时从岩石断裂力学角度出发，建立了三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程，分析表明水平地应力差越大，裂缝转向后宽度越窄。赵海峰［45］等采用岩石断裂力学方法，分析了水力裂缝与地层界面相交时水力裂缝沿其高度方向可能发生的3种扩展行为，表明水力裂缝与地层界面相交后停止扩展，裂缝存在临界长度，超过该临界长度后，裂缝将沿地层转向扩展或穿过地层界面进入隔层内。

上述岩石裂缝起裂压力的模型基本是针对裸眼井筒获得，而且大多数采用最大拉应力准则进行推导，没有考虑岩石内天然裂缝的存在、地层孔隙度的变化和套管对破裂压力的影响。在裂缝扩展模型中，仅仅考虑井筒液柱压力恒定，没有考虑非稳定的流体压力对裂缝净压力的影响。在裂缝支撑剂运移方面，考虑了单颗粒在无限大牛顿流体中的沉降与启动问题，没有考虑非牛顿流体、多颗粒干扰、裂缝壁面干扰等因素的影响。如何综合考虑诸多因素的影响(如原地应力、孔隙压力、天然裂缝、完井方式、射孔参数、压裂流体性能等)准确预测裂缝的破裂压力和扩展行为是未来研究的重点和难点。

2.2 数值模拟研究进展

2.2.1 循环注入水力压裂裂缝起裂与扩展机理

水力压裂裂缝的几何形态和扩展方位是影响压裂效果的主要因素之一。经济有效的压裂，应尽可能地让裂缝在储层延伸，并且应防止裂缝穿透水层和低压渗透层。这就要在深刻认识裂缝扩展规律的基础上优选压裂作业参数，并采取有效措施控制裂缝的扩展。由于现场水力压裂所产生的裂缝实际形态和方位难于直接观察，而且尚无有效的测试方法，目前压裂设计工程师们只能借助数值模拟手段进行间接分析。在压裂施工前，结合储层特征、井眼条件和压裂泵注程序，利用相应的压裂数值模型对水力裂缝几何形态和起裂方位进行数值模拟，准确地描述储层中水力压裂裂缝几何形态和扩展行为对优化改进水力压裂施工设计程序具有重要的作用。

循环注入水力压裂工艺是国外提出的一种新的压裂模式，并且在其裂缝起裂与扩展方面取得了许多新的研究成果。Bai［46］等利用三维水力压裂数值模拟软件研究了循环泵注下裂缝的闭合和起裂特征，识别不同裂缝的响应，用以判断是原有裂缝起裂，还是从原始裂缝传播方向不同的方位形成新的裂缝。分析表明循环泵注可增加裂缝的净压力，但是呈现不确定性；以不同的注入速率注入时裂缝的宽度、净压力和裂缝体积呈现出明显的差异，高速注入有利于裂缝的扩展和延伸，增加裂缝体积。Yoon［47］等针对流体诱导裂缝传播过程中裂缝的应力阴影，提出天然裂缝储层2D离散元数值模型。所谓应力阴影是指创建的水力裂缝改变了它周围的应力场，通过应力场的改变影响了后续的裂缝，特别是增加了后续断裂面积上的最小主应力，从脚趾到脚跟累积了断裂应力演化。结果表明循环注入趋于降低裂缝应力阴影的影响，而且减轻诱导地震的震级。Zimmermann［48］等针对3种不同的地热地质岩石，研究了多级水力压裂和循环水力压裂刺激方法对开发地热系统和降低地震风险的可行性和缓解措施。分析表明与连续注入方案相比，循环刺激方案在减少诱发地震事件方面可降低危害潜力，减少高震级地震事件的数量；循环注入方式可降低岩石破裂压力。Yoon［49］等发展了流体机械耦合建模工具，研究了动态循环和脉冲流体注入下疲劳水力压裂的应用，结果发现与常规水力压裂作业中的恒定速率注入相比，在循环速率注入过程中，流体压力在离散元模型运行中被降低。这对于完整的天然裂缝结晶质储层和多重刺激井的裂缝储层来说是真实的。

Profit［50］等提出了1个地质力学模型模拟夹层和层状岩石水力裂缝的扩展。该方法是基于流动和地质力学耦合的有限离散元方法。分析结果表明夹层属性(如弹塑性、渗透系数、摩擦特性)控制了水力裂缝高度和孔径的力学流动行为。Li［51］等在多井压裂改造(如拉链式压裂、连续压裂和同步压裂)提高裂缝复杂性过程中提出了水力裂缝生长的耦合模型，基于该模型采用数值模拟方法从热-流体-力学耦合方面研究了裂缝生长。结果表明多级水力压裂中存在最优的簇间距。簇间距主要影响应力分布，随后影响新生成裂缝的传播路径和穿越行为；多井完井的压裂顺序非常重要，相比于多井连续和同步压裂完井方案，拉链式压裂技术能获得较好的压裂效果。Samnejad［52］等采用流动和连续损伤耦合力学模型模拟了水力压裂诱导储层岩石渗透率的增强特性，指出岩石损伤可增强岩石的渗透率。

2.2.2 稳定注入水力压裂裂缝起裂与扩展机理

稳定注入水力压裂工艺是目前常用的传统压裂模式，国内外大多数学者在该工艺上开展了大量的数值研究工作，取得了有价值的结论和认识。Johri［53］等研究了水力刺激过程中预先存在的自然裂缝和断层诱导的相关地震滑移对水力压裂裂缝流动的影响，分析表明在超低渗透岩石上从水力裂缝里获得的流动贡献相对较小，在岩石渗透区，增加流动效率的主要贡献者除水力裂缝本身外，还包括预先存在的以剪切形式刺激的渗透裂缝和新形成或新连接的渗透裂缝。Yew［54］和Lee［55］等开展了水力裂缝二维和三维数值模拟，利用有限元、扩展有限元等方法对裂缝的起裂、几何形态及延伸扩展等进行了分析。Renshaw［56］和王涛［57］等基于物模试验进行了人工裂缝与天然裂缝多物理场水力压裂模拟，分析了页岩水力压裂人工裂缝与天然裂缝之间的复杂规律，提出了人工裂缝相遇天然裂缝时的简单准则。

张汝生［58］等考虑流体在裂缝面横向、纵向流动，采用有限元ABAQUS软件模拟了水力压裂三维裂缝的几何形态及其周围应力场、渗流场的变化规律，其模拟结果能直观地给出缝长、缝宽及缝高动态效果及相互关系。张平［59］等在国内外已有裂缝三维延伸模型的基础上，建立了1套新的水力压裂裂缝三维延伸模型，模型主要考虑了产层、盖层和底层之间的应力和岩石力学参数(弹性模量、泊松比、断裂韧性)变化的影响。结果表明该模型能较好地模拟各种应力分布模式以及裂缝穿层前后的延伸情况。连志龙［60］等以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题，推导出裂缝面内的压降方程表达式。结果表明该模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。陆沛青［61］等利用线性滑移模型、有限差分及交错网格技术研究了脉动水力压裂过程中应力在含裂缝性地层中的传播与分布规律，分析不同缝间距和震源频率下裂缝充填物对脉动水力压裂扰动效果的影响机制。研究得出脉动水力压裂可利用裂缝的非均质性促进压裂效果，缝间距为初始人造裂缝长度的2～3倍时可获得较好的压裂效果。盛茂和李根生［62］建立了基于扩展有限元法的水力压裂数值模拟方法，模拟了单条水力裂缝在恒定水压力作用下非平面扩展。结果表明该数值方法是可行和准确的。张然［63］等建立了砂泥岩相间的二维平面渗流-应力-损伤耦合有限元模型，模拟了水力压裂多裂缝交错延伸的裂缝形态，揭示了复杂多裂缝交错扩展干扰机理。

上述研究表明，通过数值模拟方法可有效模拟裂缝在储层中的几何形态变化及扩展行为，且可形成一定的规律性认识，为优化施工参数、指导现场压裂施工和提高压裂效果提供了重要的参考依据。此外还看出，目前国外在水力压裂数值模拟方面已从稳定注入模式转向循环注入方式，有效模拟了循环注入对裂缝起裂、裂缝几何形态变化及裂缝扩展行为的影响。模拟结果得出普遍认识：与稳定注入水力压裂相比，循环注入水力压裂在降低起裂压力、促进裂缝生长、增强裂缝渗透率、降低诱导地震风险方面具有较大优势，这对于最终提高压裂效果和油气井的产量具有显著作用。然而，国内大多数水力压裂数值模拟研究仍然以稳态注入方式进行模拟，取得的新结论和认识较少。因此，建议国内专家学者在循环注入水力压裂方面深入开展基础研究工作，为该新工艺的应用提供理论基础。

2.3 物理模拟试验研究进展

2.3.1 循环注入水力压裂裂缝起裂试验

常规三轴试验是长期以来研究岩石力学性质及指标的主要试验手段，但只能对岩体施加2个方向的主应力，使岩体处于轴对称的应力状态，只能反映轴对称应力状态下岩石的强度和变形规律，而忽略了中间主应力的影响，不能代表岩体在实际三维复杂应力状态下的力学性能。为此，国内外发展了真三轴试验。真三轴试验能独立施加3个主应力，可分析不同主应力对岩体强度和变形的影响，因而能更准确地模拟岩体实际受力状态，有利于研究岩体三维强度及三维本构关系。大型全尺寸水力压裂物理模拟试验(简称大物模)是目前水力压裂理论研究和论证的一种重要和直接的手段，可模拟复杂地层条件下水力压裂试验，同时利用声发射设备对裂缝的起裂和延伸过程进行实时动态监测，能够获得较为准确的裂缝扩展试验结果和客观的规律性认识。

国外在开展水力压裂物理模拟试验研究方面起步较早，很多学者对循环注入水力压裂裂缝的起裂控制机理进行了深入研究。Patel［64］等研究了室内水力压裂模拟试验分级循环泵注下起裂压力和声发射特征，并采用声发射、裂缝渗透率和裂缝表面电子扫描显微成像方法比较了常规和循环泵注水力压裂条件下储层的改造体积，表明分级循环泵注可有效降低起裂压力，并有效增大储层改造体积(SRV)。Stoeckhert［65］等利用水力压裂试验设备和专制的砂岩与页岩试样研究了高度各向异性岩石在循环泵注条件下裂缝的起裂压力、裂缝传播规律以及裂缝应变、声发射特征，证明2种岩性裂缝延伸和闭合阶段裂缝破裂类型不同，页岩主要以剪切缝为主；多次循环注入有利于裂缝的起裂和延伸。Falser［66］等采用理论和实验相结合方法研究了平面射孔和循环压力对地层起裂压力和裂缝断裂的影响。分析认为平面射孔或循环压力增加可显著降低破裂压力；裸眼和常规桥塞射孔完井导致近井筒更多的裂缝断裂，同时横向裂缝从平面射孔几何孔眼内产生。Hofmann［67］等在不同试验规模下对比分析了循环和恒定流体注入方式对花岗岩石破裂压力的影响，表明动态脉冲结合渐进循环增压方式能降低细粒度花岗岩石破裂压力10%～20%。Zhuang［68］等利用实验方法评价了循环水力压裂对减少诱发地震事件和提高岩石渗透率的影响，认为以单调破裂压力的80%进行循环注入可引起岩石失效，这意味着通过循环注入可减小20%的破裂压力。

Erarslan［69］等研究了断裂模式和拉伸加载方式对岩石疲劳损伤的影响，表明拉伸循环载荷测试下岩石静态断裂韧性(KIC)最大降低了46%，说明采用循环加载方式可提高岩石的断裂能力。此外，在循坏载荷开始阶段，45° 和70°倾角切口裂缝容易张开失效。Erarslan［70］等研究了循环载荷对岩石间接拉伸强度的影响，分析指出循环载荷下岩石断裂从硬晶粒和弱基质接触点开始，在晶粒边界的接触点是应力集中区域，表明随载荷循环数增加，岩石间接拉伸强度降低。Sakhaee-Pour［71］等基于线弹性断裂力学提出了1个修正的Paris定律去预测了循环压裂过程中破裂压力和破裂循环数，验证了预测结果的准确性并得出循环水力压裂可以降低破裂压力，但是不同的循环数对应于不同的破裂压力。

Medlin和Mass［72］研究了水力压裂裂缝起裂压力和起裂方位，发现裂缝的起裂方位主要取决于应力场的分布和井眼的尺寸。在试验中还发现，岩石的各向异性对于裂缝的起裂压力和方位影响不大。Marabgos［73］研究了流体滤失对裂缝起裂的影响，发现在有天然裂缝存在的条件下，水力压裂中泵压比滤失对起裂的影响要小。流体滤失对裂缝起裂的影响，尤其是对天然裂缝地层的影响特别大，在这种情况下，有少量的压裂液会先于压裂液的主体进入天然裂缝，并且导致较低的起裂压力。David和Rasmus［74］从水力脉冲的角度，自主设计了1套压力脉冲试验装置，可通过压力脉冲方法研究裂缝起裂的动态过程。试验发现裂缝起裂过程中从产生水力压裂裂缝模式到产生多裂缝模式的临界增压速率，其大小与岩石的抗拉强度有关，即岩石的强度越高，则其对应的产生多裂缝的临界增压速率越大。Lhomme［75］等研究了砂岩的水力裂缝起裂机理，试验采用牛顿流体的压裂液对干性砂岩进行压裂，通过改变流体的黏度和流体的泵注速率来研究砂岩起裂过程中的滤失效应。结果表明高黏度压裂液和低泵注速率与低黏度压裂液和高泵注速率试验结果相同。

2.3.2 循环注入水力压裂裂缝扩展试验

针对循环注入水力压裂裂缝的延伸机制，国外学者利用真三轴物理模拟试验进行了大量研究。Zang［76］等通过室内花岗岩样的三轴压头测试表明，持续加载导致1个宽的断裂韧带，而采用频繁启停的循环疲劳加载岩石则会产生小的损伤体积和更持久的裂缝增长(微裂缝增长)。Branagan［77］等针对Wattenberg油田的2口测试气井Miller#1和Sprague#1进行了循环注干气试验，证明气井采气阶段通过循环注干气可显著增强储层的渗透率和提高生产效率。Zhuang［78］等通过室内试验和CT成像方法开展了Pocheon花岗岩样本的循环水力压裂研究，表明与单调连续注入相比，采用循环注入压力超过单调连续注入破裂压力的82%时，有效的循环水力压裂的循环数阈限值是几十个循环周期。连续注入时岩石产生的裂缝更像是个平面单裂缝，很少有分支裂缝，然而以较大的循环数进行循环注入时岩石内部出现了许多分支裂缝(微裂缝)，断裂模式更像是多种失效，如图 2。Zimmermann［79］和 Yoon［80］等针对疲劳水力压裂概念进行了室内试验验证，但在提高地热系统(EGS)开发的现场试验上还没有得到证实。疲劳水力压裂就是通过循环注入使断裂的岩石达到疲劳失效。疲劳失效一般的认识是循环加载阶段岩石损伤累积，从而引起强度降低，然而岩石疲劳失效的机理目前还没有完全理解。更为重要的是，机械加载过程中的疲劳循环过程与疲劳水力压裂过程不同，后者涉及在裂缝尖端高的增压流体的循环刺激。

图2 连续与循环注入水力压裂下花岗岩试样断面CT扫描图像与裂缝扩展图［78］Fig.2 CT scanning image and fracture propagation map of the section of the granite sample subjected to continuous and cyclic injection hydraulic fracturing

Zang［81］等讨论了疲劳水力压裂的概念以及在地热领域的应用，表明当采用若干阶段降压模拟疲劳处理的渐进流体注入时，岩石断裂破裂压力呈现降低趋势，且流体诱导地震事件的数量减少，认为这是由动态、疲劳处理阶段破裂的岩石产生了较大的断裂过程所致。Zou［82］等针对页岩气储层采用CT扫描技术进行了立方体页岩试样的水力裂缝网络传播试验研究，结果表明在水力压裂条件下，页岩部分开启的层理面有利于增加裂缝的复杂程度，但是它们趋向于控制裂缝的断裂形式，减少了垂直裂缝数量，导致了最小的改造体积(SRV)。He［83］等研究了水力压裂下砂岩岩心水力裂缝的生成、传播、闭合和形态，采用显微镜、X射线CT扫描仪观察了砂岩试样表面和内部结构内的裂缝形态，结果发现在砂岩试样注入孔周围产生了一些微观裂缝，泵压的变化揭示了水力裂缝的演化，在破裂压力下生成裂缝，然后在短时间内传播，由于远场地应力裂缝闭合，最后使裂缝保持在稳定水平上。Maxwell［84］等研究了室内水力压裂的声发射地质力学行为，采用CT扫描技术确定了水力裂缝几何图形。结果发现在较高水平的差应力下容易创建更多的平面裂缝几何图形。Li［85］等针对分层页岩地层研究了水力裂缝生长特性。结果表明，根据注入压力曲线和声发射响应可以明显区分不同的水力裂缝几何图形。当垂直延伸的水力裂缝连接和张开更多岩石断层时，裂缝的复杂性可以显著增加。复杂裂缝性地层通常可以由注入压力曲线的频繁波动、强烈的声发射活动以及三维分布的声发射事件来描述。Sakhaee-Pour［86］等将声发射集成到渗流理论中预测岩石渗透率的增强，研究表明在水力压裂刺激作业中，每单位体积砂岩岩心中声发射事件数量的增加，可提高岩心的渗透率和改造体积，这说明大量声发射事件的产生暗示着岩石裂缝开启数量的增加。

2.3.3 循环注入水力压裂诱导微地震试验

Dinske［87-88］等研究美国 Carthage气田CottonValley气藏微地震监测时发现在循环加载流体注入条件下水力裂缝重新开启的过程中诱导的地震活动违背Kaiser效应，相反地，停泵后水力裂缝闭合所涉及的地震活动受Kaiser效应控制，将该现象归因为缓慢裂缝闭合具有类地震特征，而快速裂缝重新开启过程中会有摩擦和孔隙压力扩散。Zang［76］等为了增强储层的水力性能以及减少诱发地震活动，提出了水力循环注入刺激方案，同时利用实验方法研究了通过循环储层处理的疲劳水力压裂对降低诱发地震能量和增强岩石渗透率的影响。分析表明相对于传统水力压裂刺激，循环储层处理可减少诱发地震事件数量和降低最大振幅地震事件的发生。Chitrala［89］等利用声发射(AE)监测方法研究了不同加载应力条件下致密砂岩的水力裂缝传播，分析了地震事件发生的频率以及地震机理。结果表明相比于拉伸失效，反映在震源机理上的剪切破坏较为普遍；裂缝的方位和发展受加载应力方向和幅度控制。

2.3.4 国内水力压裂起裂与扩展试验

在国外循环注入水力压裂试验研究成果的基础上，国内少数学者针对循环注入水力压裂进行了初步试验探索，但多集中在稳定注入水力压裂物理试验方面。梁天成［90］等利用全三维大尺度水力压裂物理模拟试验系统研究了水泥样品在循环和常规2种泵注条件下的起裂扩展和声发射规律。试验得出相对于普通泵注，采用循环泵注方式进行水力压裂可有效降低起裂压力，类似于单轴和三轴循环加载下岩石力学行为，都是由于循坏载荷引起疲劳损伤。柳占立［91］等建立了页岩本构模型和断裂力学理论，开展了页岩人工裂缝扩展的大型物理模型试验。陈勉［92］等采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件，对天然岩样和人造岩样进行了水力压裂裂缝扩展试验，并实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监测。贾长贵［93］等通过真三轴模拟试验，研究了井斜角、井眼方位角、射孔方式对斜井压裂裂缝起裂压力、起裂位置及延伸规律的影响，得出射孔方位对压裂影响较大，决定了裂缝起裂的方向；斜井水力压裂裂缝的起裂和扩展与井眼周围的应力分布和原始地应力密切相关，无论裂缝从何处起裂，裂缝总沿最大主应力方向延伸；射孔孔眼的存在改变了井眼周围的应力分布，影响近井地带水力裂缝的起裂与扩展；裂缝易于在射孔孔眼根部起裂，之后发生转向，最终转到最大主应力方向；孔眼在最大主应力方向易产生平整大裂缝，且破裂压力最低。张旭［94］等建立了一套页岩储层水力压裂大型物理模拟试验方法，利用声发射监测系统实时监测了页岩压裂裂缝的产生与扩展演化过程，观察了水力压裂裂缝形态，并探讨了压裂液黏度、地应力差异系数、泵注排量等因素对水力裂缝形态及其扩展的影响，表明随压裂液黏度降低、地应力差异系数减少，水力裂缝沿天然裂缝方向延伸，将原有天然裂缝沟通并形成网络裂缝。李芷［95］等采用真三轴水力压裂试验对含天然层理弱面页岩水力裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展进行了研究。结果表明起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向；垂向应力与水平最大主应力相差极小时，各方向起裂压力相差极小，裂缝很快转向最大水平主应力方向；可形成由层理面与主裂缝构成的网状裂缝系统。

通过大型物理模拟试验进行水力压裂裂缝起裂、扩展及其水力裂缝与天然裂缝相互交错扩展研究是直观认识裂缝动态扩展行为和完善现有水力压裂理论的重要手段，可获得较为客观准确的规律性认识。值得注意的是，国外利用物理模拟试验进行了大量循环注入水力压裂模拟，且在页岩储层和地热领域率先开展了循环水力压裂和疲劳水力压裂的现场应用，取得了一定的效果，但仍然存在诸多机理性的问题有待解决。国内少数学者在国外研究成果的基础上，初步进行了循环水力压裂物理试验，但也都是一些重复性的工作，没有新的认识。因此，建议国内专家学者在循环水力压裂和疲劳水力压裂方面深入开展基础理论研究，通过真三轴物理模拟试验探索机械循环加载与循环注入流体加载对岩石疲劳破坏的影响机理，并且根据试验结果建立更实际的岩石破坏理论模型，真正从理论上解释循环注入方式在降低岩石起裂压力、增强岩石渗透率、增加微裂缝条数、提高油气井产量、有效沟通岩石天然裂缝与断层等方面所贡献的作用。

3 启示与建议

3.1 启示

(1)工程与地质的匹配性是水力压裂作业的基础。任何一种水力压裂工艺在油气井增储上产方面能否成功实施主要取决于2个条件：一是对储层地质特征、水力裂缝动态扩展机制及裂缝扩展影响因素的规律性认识；二是基于水力裂缝规律性认识所设计的提高储层有效改造体积和确保压裂井筒(含管柱)安全的最优压裂泵注程序和施工规范。这2个条件归结起来就是工程与地质的匹配性，工程应服从地质，否则就有可能出现压裂作业失败、施工效果欠佳或油气层压力体系破坏等不良局面。

(2)稳定注入与循环注入(或波动注入)方式是水力压裂作业的关键所在。传统水力压裂工艺在施工过程中主要采用稳定排量和压力的注入方式。在正常压裂阶段地面压裂泵组的泵注压力和排量基本处于稳定状态。循环注入方式改变了传统压裂模式，依靠注入流体的压力循环变化进行压裂，在一定程度上比传统压裂模式效果好。但是，在实际压裂作业中，究竟选择何种压裂模式还需要进行相关研究，如岩石性质、储层地应力分布等对稳定注入和循环注入方式的敏感性差异等，需进行评估和优选。

(3)与实际水力压裂作业相似的水力压裂物理模拟试验，是实现压裂新工艺先导性现场试验的保障。水力压裂是十分复杂的物理过程，在尚无有效测试方法实时监测水力裂缝起裂与扩展行为的前提下，采用室内大型物理模拟试验可以对水力裂缝起裂与延伸机制进行监测和观察，但需要考虑其相似性，否则会降低模拟试验的可信度。

3.2 建议

循环注入水力压裂或水力波动注入压裂目前在国内处于起步阶段，除了获得一些初步的结论和认识之外，仍面临着不少技术挑战，需要进一步深入开展以下基础研究与技术攻关。

(1)注入流体压力和排量循环变化的形成机制研究。究竟通过何种方式才能产生不稳定的注入压力或排量是未来研究的首要问题，能否成功解决这一问题决定着循环注入或水力波动注入压裂工艺的应用前景。目前，水力压裂室内物理模拟试验采用频繁启停泵来产生循环注入压力，研究循环注入方式对水力压裂裂缝起裂与扩展的影响，然而在实际压裂作业中不可能通过这种方式实现循环注入压力。为此，提出2种可供参考的“地面和井下”解决方案：一是研发快速改变工作转速(或工作频率)的压裂泵组，称之为“变频压裂泵组”，其技术原理是直接通过变频压裂泵组形成不稳定的压力或排量［27］；二是研制井下压力循环转换装置，其技术思路是通过井下压力循环转换装置将常规压裂泵组输出的稳定压力或排量间接转换成循环压力。

(2)循环注入或水力波动注入压裂条件下井筒压力波动行为研究。根据循环注入压力或排量的形成机制，系统开展压裂过程中井筒压力波动行为以及压力波传播特性研究，探讨循环注入压力或排量对井筒压力波动和裂缝内压力的影响规律，研究压裂过程中循环注入或水力波动注入的时机和范围，以提高压裂改造效果。

(3)循环注入或水力波动注入压裂条件下储层岩石起裂与扩展机理研究。综合考虑诸多因素的影响(如原地应力、孔隙压力、天然裂缝、完井方式、射孔参数、压裂流体性能等)，系统开展循环注入或水力波动注入压裂作业过程中岩石裂缝起裂压力的预测研究，分析循环注入压力或排量对裂缝延伸压力和裂缝内压力波传播特性的影响，分析循环注入或波动注入方式对裂缝内支撑剂启动与运移的影响，以及循环注入或波动注入方式对岩石破裂压力、裂缝渗透率、天然裂缝与微裂缝及产量的影响，从理论上解释循环注入或水力波动注入方式对水力压裂改造效果的积极作用。

(4)循环注入或水力波动注入压裂物理模拟试验基础研究与现场试验。通过真三轴物理模拟试验，研究循环注入或水力波动注入方式对岩石疲劳破坏的影响机理，特别是模拟复杂地层条件下循环注入或水力波动注入水力压裂试验，并且根据试验结果建立更实际的岩石破坏理论模型和裂缝扩展模型，以提高水力压裂理论的预测能力，避免每口压裂井的重复试验。同时，结合水力压裂室内物理模拟试验，系统开展循环注入或水力波动注入水力压裂现场先导性试验研究，以建立循环注入压力或排量、压裂规模(砂量和液量)、压裂流体组合方式与比例等施工参数与储层岩石特征相适应的试验数据库，为大规模推广应用新工艺提供数据参考和技术支撑。

(5)循环注入或水力波动注入压裂条件下井下管柱动力学理论及控制技术研究。考虑到循环注入或水力波动注入涉及的外界激励载荷，应系统研究压裂过程中井下管柱的动力响应和稳定性，分析循环注入或水力波动注入参数对井下管柱响应位移、固有频率和稳定性的影响；研究压裂过程中井下管柱的动力特性，分析循环注入或水力波动注入参数对井下管柱应力、强度的影响规律，以提出井下管柱安全控制技术措施和施工工艺参数设计控制准则。

(6)加强循环注入水力压裂和水力波动注入压裂基础理论与应用研究，尽快形成适合低渗透油气藏和页岩气藏的非稳态水力压裂工艺基础理论与配套技术。同时，建议相关装备制造者尽快着手设计制造大型“变频压裂泵组”和“井下压力循环转换装置”及其配套设备，以满足低渗透油气藏和页岩气藏的高效开发重大需求。

致谢

在论文写作过程中得到了中国石油集团川庆钻探长庆井下技术作业公司王祖文教授级高级工程师的帮助和指导，在此表示感谢。