页岩储层压裂物理模拟技术进展及发展趋势

侯 冰，张其星，陈 勉

（1.中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆克拉玛依 834000；2.油气资源与工程全国重点实验室（中国石油大学（北京））,北京 102249；3.石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京））,北京 102249）

据国土资源部统计，我国深层页岩气可采资源量为55.45×1012m3、页岩油可采资源量为145×108t[1]，总体资源量巨大。随着我国非常规储层开发的日益深入，低孔、低渗油气资源的战略地位逐渐提高，页岩油气从储层物性来看都有低孔-低渗甚至特低孔、特低渗的特点。在我国深地油气勘探开发快速发展的进程中，水力压裂技术的进步是解决深层页岩油气开发难题的金钥匙。深层页岩面临地应力高（≥120 MPa）、应力差大（≥15 MPa）、储层塑性强、压裂缝宽度窄（≤3 mm）和多尺度层理难以沟通等难题，压裂改造难度大[2]。当前，为了提高改造效率、降低作业成本，保证储层的高效和长效开发，页岩油气开发时采用了“井工厂”压裂模式，实现了立体开发、多甜点压裂等。此外，通过重复压裂、步式压裂和拉链式压裂等可增大单井和多井储层改造体积的压裂形式，形成了更为复杂的裂缝网络[3]。

1936 年，W.Kjellman[4]研制了世界上第一套适用于砂土的真三轴试验装置。1981 年，黄荣樽[5]在国内首次研究提出了水力压裂，指导构建国内首个室内真三轴水力压裂试验系统。随后，多位学者持续研究，模拟方法、压裂工艺和监测技术等不断细化和量化。目前，水力压裂物理模拟主要研究布井方式、储层产状、储层非均质性、地应力状态、压裂液性能、压裂液泵注方案和完井方式等因素对水力裂缝起裂和扩展的影响[6]，并且发展形成了分布式光纤等新的监测技术。研究人员研制了针对不同尺寸的真三轴物理模拟试验装置，并不断改进和发展[7]。笔者结合课题组20 余年的相关研究成果，阐述了真三轴物理模拟试样制备、压裂井型和射孔组合、装置原理、相似准则和裂缝监测等，验证了模拟不同工况下页岩压裂裂缝复杂扩展路径的可控性；探究变排量和交替注液作用模式，穿层压裂缝高延伸机制的主控因素排序，水平井密切割多段多簇压裂缝群竞争扩展和暂堵转向等，能有效开启多尺度层理/纹理/天然裂缝，增大页岩储层压裂造缝规模；并提出了下一步需要在模拟井工厂立体压裂、智能化和数字化等方向进行攻关。研究结果为页岩储层室内真三轴压裂物理模拟技术发展与油田现场应用提供了技术参考和借鉴。

1 真三轴水力压裂物理模拟试样制备

1.1 页岩露头和全直径岩心试样制备

页岩立方体露头制备分为钻井和固井2 个步骤。侯冰等人[8]探究了斜井和定向井真三轴压裂物理模拟裂缝扩展形态。斜井固井为在露头试样中钻出具有井斜角的井筒，需要进行垫斜，此时井斜角即为垫高角α（见图1）。如果页岩立方体露头边长小于30 cm，需要在外围包裹混凝土进行试验。

图1 直井、定向井垫斜和露头包裹示意Fig.1 Vertical well,underlay for directional well,and packaged outcrop samples

侯振坤等人[9]采用割缝模拟现场真实工况下的射孔，模拟应力集中区域，达到诱导裂缝起裂的作用。室内试验主要采用手持电钻带动割缝柱上的金刚石磨片对露头进行割缝，形成细长的缝槽，金刚石磨片的尺寸和厚度决定了割缝的厚度。此外，周健等人[10]采用A4 纸模拟试样内天然裂缝，分析多裂缝地层压裂过程中平行天然裂缝和随机天然裂缝对水力裂缝扩展的影响。王燚钊等人[11-12]采用页岩油全尺寸井下岩心探究裂缝纵向扩展特征。利用手持冲击钻，组合合适尺寸的钻头进行钻孔，将岩心固定并在模具中充填混凝土（见图2）。

图2 全直径包裹岩心水平井、垂直井和定向井示意Fig.2 Full-diameter wrapped core for horizontal,vertical,and directional wells

1.2 叠置地层模块化组合试样制备

以长7 页岩油储层为例，相比常规单一岩性储层，页岩油储层地质构造复杂，储层纵向上含多个小层，岩性多变，储层叠置，压裂改造缝高控制难度大，压裂改造效果不理想。此外，深层页岩拥有纵向薄层多、塑性强及裂缝形态简单的特征，岩石力学性质、物性参数和地应力状态对水力裂缝纵向延伸能力有较大的影响。考虑3 层和5 层两种组合形式设计压裂试样，如图3 所示。

图3 叠置地层水平井和直井压裂试样示意Fig.3 Fracturing samples for horizontal and vertical wells in superimposed formations

1.3 压裂井型和射孔模式组合

压裂井型可分为直井（单一/多段多簇井筒）、水平井和斜井（定向井）等3 类，见图4）。图4 中，定面射孔从井底到井口对射孔面依次编号为1，2，…，5；每一射孔面的3 个射孔编号为a、b 和c；螺旋射孔的6 个射孔依次编号为1，2，…，6。侯冰等人[13]探究了不同水平应力差条件下水力裂缝形态与井斜角、方位角和射孔相位角之间的变化关系。此外，多段/多簇压裂井筒需设置多个独立注液口和出液口，为此，实验室研发了分簇动态控流压裂泵注系统，能实现密切割压裂物理模拟过程中各射孔簇流量的实时监测和量化调控。

图4 真三轴压裂物理模拟各类井筒示意Fig.4 Various wellbores for physical simulation of true triaxial fracturing

2 物理模拟设备及裂缝监测

2.1 设备简介

中国石油大学（北京）岩石力学实验室在20 世纪90 年代组建了第一套大尺寸真三轴模拟试验系统。此外，2018 年，与美国GCTS 公司共同研制了能模拟高温、高压、高应力环境的真三轴压裂物理模拟试验系统，试验温度≥260 ℃，围压≥140 MPa，应力≥120 MPa，分布式监测精度≤1 μm，能够实现高温高压快速传导、分层地应力加载、复杂井型射孔和分布式光纤监测等一系列模拟试验。

MTS 增压器提供的高压液压油驱动活塞，将油水分离器中的压裂液注入模拟井筒内的试样中，模拟过程中泵注压力、排量和注入体积等随时间的变化可由MTS 数据采集系统进行记录。分离器容积为700 mL，可承载压力为100 MPa。此外，为实现交替注液等工艺，设计了能添加2 种不同压裂液的双活塞泵注系统，每个活塞可盛放1 000 mL 压裂液，压裂过程中通过控制阀门实现交替注液（见图5）。

图5 真三轴压裂系统示意Fig.5 True triaxial fracturing system

李润森[14]探究了干热岩等压裂破裂特征及裂缝延伸规律，设计了真三轴加热装置。试验过程中将油管插入位于样品上表面中部的预钻井井筒中，通过油管测量样品温度和注入压裂液。设备中加热元件包括电加热棒、隔热板、温度传感器和温度调节器。除底面外，在试样的5 个外表面分别安装了3 根2 000 W 的电热棒，加热棒的后面安装隔热板隔离加热区。保温板的厚度设定保证加热区可恒温250 ℃。温度调节器和6 个温度传感器分别安装在井筒内和样品的每个表面，用于控制加热情况。

2.2 相似准则

相似准则是真三轴水力压裂物理模拟的理论基础，用于指导试验的根本布局、求解微分方程解和验证经验公式。室内真三轴水力压裂物理模拟能够基于相似准则准确反映现场尺度下的水力裂缝扩展状态。国内外针对相似准则本身的理论研究较早。柳贡慧等人[15]基于裂缝延伸控制方程的三维模型，进行无因次化，获得最早的真三轴水力压裂物理模拟的相似准则，并且得到了泵入排量、速率和井底压力等的相似指标。侯冰等人[16-17]在此基础上，计算了某一确定深度和三向地应力下龙马溪组页岩地层的现场施工排量和室内真三轴压裂施工排量的对应关系。郭天魁等人[18]基于相似第二定理，对水力裂缝扩展控制方程和射孔井裂缝起裂压力方程进行了无因次化，推导出了射孔井水力压裂模拟试验的相似准则，得到了各物理量间的相似比例关系。

2.3 裂缝监测、重构及定量评价

2.3.1 示踪剂跟踪监测及沟通面积定量评价

将荧光示踪剂加入压裂液中，试验结束后用物理方法将岩样打开，可通过荧光示踪剂染色区域直观地观察裂缝的扩展形态。侯冰等人[16]首次提出将裂缝沟通面积作为水力压裂效果的评价指标，裂缝沟通面积指压裂后试样中3 类裂缝面的面积总和，能有效评价和对比浅层、深层页岩水力裂缝与层理的交叉作用模式。Zhou Dawei 等人[19]采用高速摄像机拍摄照片，可以更直观地观察裂缝扩展过程。这种方式需要采用透明环氧树脂充当试样，能通过染色剂的边界识别横向径向裂缝范围，拍摄和记录透明试样裂缝扩展整个过程。付海峰等人[20]和J.Kear 等人[21]采用了三维连续切片，并对水力裂缝进行了数字重构，但重构的裂缝形态受到切割刀片厚度和切割间隔的影响。侯冰等人[22]采用3D 扫描设备对裂缝破裂面进行三维扫描，真实还原裂缝扩展形态，获得了主裂缝与分支缝的三维数据体。

2.3.2 低熔点合金测缝宽和裂缝形态重构

低熔点合金具有黏度低、强度高、塑性强、固化后裂缝面厚度薄等优点，不仅能获得裂缝宽度，还能三维可视化重构裂缝网络形态，因此，邱园[23]采用低熔点合金（低于232 ℃）作为压裂液。试验时，在油水分离器、高压管线等合金经过的地方均用加热带缠绕，并保持恒温状态；固化后的低熔点合金塑性较好，有助于完整地把固化后的裂缝面取出；取出的裂缝面重新按照原来的裂缝位置进行排列，可大致看出裂缝扩展的面，重构裂缝网络（见图6）。固化后的合金即使厚度很薄也不容易发生断裂，合金片最薄可达到0.02 mm，主裂缝宽度最大可达到1.0 mm。

图6 固化后的低熔点合金及重构的裂缝形态Fig.6 Low melting point alloy and reconfigured fracture shapes after solidification

2.3.3 声发射三维裂缝重构

声发射能通过水力裂缝扩展过程中所产生的声发射事件的三维空间位置，实时监测水力裂缝扩展路径。侯冰等人[24]认为压裂时岩石试样内部的破裂位置与声发射事件的源定位密切相关，影响声发射定位精度的主要因素包括硬件设备、信号处理和定位算法。声发射探头可记录声发射事件计数和波形参数并进行实时定位，监测可以覆盖整个岩样内部的微破裂信号。此外，还能通过声发射事件点的空间位置分布，刻画水力裂缝的形态和尺寸。通过事件点本身的能量和频率分布辨别水力裂缝尖端能量损耗特征，通过声发射的震源机制辨别拉伸/剪切裂缝，解释水力和天然裂缝的断裂机制。

2.3.4 CT 无损裂缝监测

通过三维图像处理对物体进行内部可视化，获得内部结构特征，如孔隙分布、物质组成、裂缝发育情况和裂缝剪切破裂等破坏特征。对比试样压裂前和压裂后CT 扫描是检测水力裂缝起裂及扩展形态特征的重要手段（见图7）。贾利春等人[25]对压裂后水力裂缝的空间形态和裂缝面的扭曲程度进行了CT 三维重建和可视化处理。毫米级CT 一般用于大尺寸水力压裂物模露头，微米级CT 一般用于全直径井下岩心和标准岩心柱，纳米级CT 扫描精度最高。扫描精度越高，成本越高，微米级CT 基本可以满足岩石无损检测要求。

图7 标准岩心、全直径井下岩心和海相页岩试样压裂后CT 扫描结果Fig.7 CT scans of standard cores,full-diameter downhole cores,and marine shale samples after fracturing

2.3.5 分布式光纤裂缝监测

光脉冲在传播过程中受到温度和应变等干扰时，光波的表征参量如强度、相位、频率、偏振态等会发生相应的改变，通过检测这些参量的变化，就可以诊断外界被测参量的信息。课题组真三轴压裂物理模拟时依托的传感光纤是基于OFDR 的OSI-D高精度采集仪，能有效监测裂缝起裂、扩展及闭合时的应变和温度变化。解调仪的静态数据采集空间分辨率可以达到1 mm，应变测量精度达到±10-6ε，温度测量精度达到±0.1 ℃。

通过设置在试样内的光纤采集应变数据，结合压裂施工过程中的泵注参数，提供实时注入剖面监测，可实现对全井筒实时压裂效果的可视化监控。能实现起裂位置及有效性监测，实时监测和评价各射孔簇和水力裂缝进液量，实时监测及评价裂缝转向效果（见图8）。能结合裂缝剖面、声发射、泵入曲线等资料进行综合分析，研究储层压裂主控因素，有助于压裂效果评价。Hou Bing 等人[26]认为邻井光纤压裂监测能有效识别井间干扰，通过对Frac Hits 的识别，确认井间干扰与压裂参数的关系，对后期区块开发中的井网部署提供重要的数据参考。隋微波等人[27]认为，利用多类型分布式光纤传感技术进行更科学有效的水力压裂联合监测，是油田现场和室内试验研究要解决的重要问题。

图8 传感光纤在压裂整个时域的应变瀑布图和页岩露头压后裂缝形态Fig.8 Strain waterfall diagram of sensing optical fiber in the entire fracturing time domain and fracture morphology of shale outcrop after fracturing

3 页岩储层压裂缝网改造规模施工模式

3.1 变排量压裂造缝机制

史璨等人[28]认为微裂缝只能在局部对水力裂缝的起裂方向造成影响，影响到裂缝网络的扩展规模，但难以改变水力裂缝的整体扩展方向。水力裂缝起裂前，岩石内部已经出现微裂纹，若要在目标层形成多重裂缝分叉，需要在压裂裂缝起裂位置具备较高能量。此时，需要压裂施工提供的泵压加大，短时间内提高裂缝入口处能量，促进裂缝在井筒近距离分叉，进而扩大缝网波及体积，提高压裂效果。

H.Gu 等人[29]分析裂缝在多层材料界面处的扩展行为，表现为穿透、偏转后穿透、捕获、转向。层理缝和天然裂缝均能影响水力裂缝的扩展路径，低排量压裂有利于激活并压开层理缝和天然裂缝，增大排量后水力裂缝易沿着层理缝周围的微裂缝分叉形成多个扩展面，且有利于延伸主缝和诱导缝的缝长。侯冰等人[30]研究认为，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。张旭等人[31]通过真三轴压裂物理模拟试验，证明变排量压裂能为水力裂缝分叉提供了有利时机。曾义金等人[32]认为变排量压裂方式可以克服小排量压裂能量供给不足和大排量压裂钻井液不能充分滤失地层的缺点。变排量压裂能够维持水力裂缝的扩展，充分沟通天然裂缝，形成复杂的网络裂缝；变排量压裂的关键是确定变排量时机和排量范围，建议现场压裂施工以低排量、长时间注入压裂液，在水力裂缝首次沟通层理面之后，选择合适时机提高排量来促进水力裂缝扩展，开启更多天然裂缝。此外，Hou Bing 等人[33]认为采用低黏度压裂液周期性压裂，可以在高水平地应力差条件下有效提高裂缝复杂程度和SRV，这种方法的关键点在于如何选择变排量的时间点。

3.2 交替注液提高压裂缝网规模

页岩气田中最常使用的压裂液包括交联剂配制的高黏度胍胶液和高分子聚合物配制的滑溜水。随着压裂液性能的增强和剪切速率的优化，裂缝网络的形状可以更加可控和有效。总结胶液和滑溜水在页岩压裂过程中的作用如下：1）胶液黏度大，造缝受储层非均质性和非连续性影响小，倾向于形成大型横切缝，而滑溜水在高压下优先向已经存在的缝隙中滤失，激活高角度天然裂缝和层理缝，有助于形成更加复杂的裂缝网络；2）先注入胶液有一定的暂堵作用，使后续注入的低黏度压裂液能够充分滤失并激活层理缝和高角度天然裂缝；3）胶液相比滑溜水具有更高的携砂能力，可形成宽且长的主裂缝，而滑溜水更容易形成高且窄的裂缝。

考佳玮等人[34]认为，可以充分利用胶液和滑溜水在页岩中作用方式的差异交替注入2 种液体，形成复杂的裂缝网络，有效增大SRV，扩大储层的泄流面积。交替注液压裂时，岩石的起裂压力、注液模式与岩样自身特征相关，但相较而言优先注入滑溜水的岩样会达到更高的起裂压力。此外，滑溜水黏度较低，在井筒内憋压过程中存在滤失，因此压力上升较缓慢；而胶液黏度大、滤失量小，导致压力上升迅速。Hou Bing 等人[35]总结深层页岩储层中水力裂缝在高应力差下的扩展模式，交替注液可以在高应力差下的页岩储层形成以“十”字形裂缝为基础的复杂裂缝体系，裂缝的复杂程度、层理缝与高角度天然裂缝的发育程度及发育位置密切相关。基于水力裂缝起裂点的不同，可将深层页岩的起裂方式分为横切缝起裂、层理缝起裂和高角度天然裂缝起裂。其中，后2 种起裂方式不利于提高SRV 和裂缝导流能力，次级诱导缝的开启和扩展将会严重制约主缝的扩展；此外，次级裂缝的产生也不利于支撑剂的泵入和铺展。因此，在水力压裂现场施工过程中，应确保水力裂缝起裂点附近层理缝和高角度天然裂缝不发育，并且在每段交替注液压裂初期都应持续注入胶液，直到主缝充分扩展后再进行后续的交替注入程序，以确保主缝的导流能力。

3.3 穿层压裂缝高延伸机制

储层多层叠置时水力裂缝扩展是一个全三维扩展过程，不仅要求在水平面内形成复杂缝网，也期望在纵向上充分延伸以沟通更多的产气层，获得最大的储层改造体积。研究发现，层间物理性质差异和射孔位置、层间应力差、层理面性质、储层高度及弹性模量等力学性质差异对缝高扩展及缝内压力影响显著[36]。层状页岩储层水力裂缝缝高穿层主控因素主要表现排序为：地质因素（地应力、层理和天然裂缝等弱面胶结强度）＞完井参数（簇间距）＞黏度和排量等施工参数。此外，陆相页岩近井筒裂缝形态复杂，易激活井周天然裂缝及纹层结构，垂直层理缝的延伸距离容易受限。海相页岩较为均质、脆性较高的同时，层理胶结强度较高，压后裂缝缝宽较窄，且分布面积大，近井区域裂缝扩展的形态简单，水力裂缝延伸距离较远且分支缝较少，能有效沟通射孔段储层。

浅层龙马溪组页岩储层具有高脆性、相对较低的三向主应力及应力差等特征，压裂后多数情况下沿垂直最小地应力方向起裂、逐渐扩展，形成开度较大的主裂缝。延伸过程中主裂缝能够沟通上下层理面，并与周围天然裂缝交互作用，最终形成不同沟通形式和较为复杂的扩展规模的缝网体。赵金洲等人[37]研究了页岩气水平井缝网压裂施工压力曲线诊断识别方法，能有效识别裂缝起裂和扩展过程中的6 种行为。卞晓冰等人[38]认为施工阶段曲线压力波动频率和幅度反映了裂缝的复杂程度，结合地层脆塑性可综合诊断远井裂缝形态。通过探究缝高扩展过程中沟通天然裂缝的不同程度，总结出4 种典型的裂缝形态，包括单一裂缝、鱼骨刺状裂缝、伴随天然裂缝开启的鱼骨刺状复杂缝和多分支鱼骨刺状裂缝网络。

深层页岩储层难以形成复杂裂缝网络，高水平地应力差控制了水力裂缝的扩展路径并阻碍其激活层理缝和天然裂缝，容易形成单一的横切缝而非复杂裂缝网络。垂深超过3500m 的龙马溪组页岩气储层具有地应力高、水平应力差大、层理及高角度天然裂缝发育、岩石塑性强等特征。与浅层页岩气储层相比，深层页岩气开发的主要问题是由于高起裂压力、砂堵、高应力差及天然裂缝所导致的SRV 相对较小，产量较低。Zhang Qixing 等人[39]对比了深浅层页岩储层条件，包括物质性、结构特征和力学特征等。深层页岩气储层的裂缝形态相比于浅层更为简单，可以分为单一水平缝、单一横切缝、伴随天然裂缝开启的台阶缝和多侧向台阶状裂缝等4 种形态。在适当的层理胶结条件下，主裂缝扩展过程中压裂液易沿层理滤失，由于上覆岩层压力高，在沿层理滑移短暂距离后会在地应力作用下发生转向，形成多分支横切缝。

4 页岩储层缝群压裂造缝机制研究

4.1 非平面水力裂缝扩展

传统的水力压裂模型解释的水力裂缝为双翼对称平面裂缝，初始地应力场是控制水力裂缝扩展的主要因素。层状页岩地层层理，天然裂缝系统等弱面结构、地应力状态、完井方式及岩石非均质性，且天然裂缝走向和倾向、地应力大小和方位及井眼几何形状不同，这些因素共同作用，导致井壁地层受力状态不同，在层内、层间及界面均表现出强烈的非均质性。此外，受到压裂施工工艺的影响，前期压裂段泵入的压裂液会对后续压裂段的裂缝形态产生影响，使得水力裂缝不断发生偏转，在三维空间状态下扭曲形成非平面裂缝形态。压后裂缝形态在一定程度上取决于水力裂缝与天然裂缝交叉作用方式，程万等人[40]提出了二维和三维穿透判别准则，并设计室内模拟试验，数值模拟了水力裂缝与天然裂缝的交叉作用行为。

J.Rungamornrat 等人[41]实现了对非均质弹性介质中三维水力裂缝非平面扩展的模拟，采用伽辽金边界元法计算岩石基质变形和缝内流体流动，水平井密切割多段多簇裂缝会呈现非平面扩展、非对称扩展和非均衡等特征。赵金洲等人[42]研究了均匀弹性介质中三维非平面多裂缝相互竞争起裂和扩展过程，分析了孔眼摩阻、流体黏度等参数对多裂缝扩展的影响。层状储层压裂水力裂缝在缝高上也可以展现出非平面扩展行为。王士国等人[43]采用改进的真三轴压裂装置，研究了界面非胶结条件下层状岩石的裂缝扩展规律，发现了水力裂缝在不同岩层内水力裂缝缝长的非协调扩展过程。李连崇等人[44]基于有限元方法，模拟研究了层状储层三维水力裂缝穿层及扭曲扩展规律。R.R.Settgast 等人[45]采用有限单元和有限体积方法，开展了全耦合三维水力压裂数值模拟，水力裂缝纵向上穿透上下层间界面、水平方向逐渐延伸并沟通天然裂缝，在张性缝和剪切缝共同作用下形成了复杂的裂缝网络。

4.2 裂缝竞争扩展及流量分配

密切割多段多簇体积压裂技术有助于提高单井产量，但分段数增多导致成本增加的同时，缝间竞争扩展和缝间干扰也更加明显，且受到应力状态、施工参数和工艺、压裂顺序和摩阻等因素的影响。曲占庆等人[46]采用三维有限元数值模拟，探究了水平井多段多簇压裂时的应力干扰和裂缝扩展特征。周大伟等人[47]采用真三轴物理模拟试验手段，探究了孔隙压力场对水力裂缝的吸引和排斥特征。程万等人[48]等采用边界元与幂律流体流动方程，解释了多条裂缝同时扩展时的扩展速度和排量分配不均导致的内侧和外侧裂缝扩展竞争行为。时贤等人[49]利用改进Picard 法求解方程，认为簇间距、黏度和摩阻等参数是影响裂缝流量分配的主要参数，且外侧裂缝的进液量、缝长和缝宽均大于内侧裂缝。Liu Qianli 等人[50]认为簇间应力干扰影响了诱导应力场产生裂缝穿透、捕获和转向等行为，激活天然裂缝可以减少干扰，有利于形成复杂的裂缝。Li Minghui等人[51]认为适当增加射孔摩擦力，可以抵消多条裂缝之间的应力阴影，且段内应力非均质会加剧进液不均衡问题。王小华等人[52]采用离散格子方法探究了射孔密度和相位角等参数对近井筒处的起裂和扩展行为。侯冰等人[53]采用三维离散元数值模型分析了密切割体积压裂改造过程中多簇裂缝竞争扩展规律和改造后裂缝系统的立体产状和储层改造体积等。王磊等人[54]认为，非均匀极限限流布孔技术可改善段内各簇的压裂液进液分布，通过缝口暂堵和缝内暂堵提高净压力以形成复杂缝网。唐煊赫等人[55]基于离散裂缝网络全局嵌入有限元法的暂堵裂缝扩展数值算法，探究了裂缝性页岩储层不同分簇方式下裂缝形态的暂堵时机。

4.3 暂堵压裂裂缝转向

随着密切割多段多簇体积压裂技术的应用，暂堵转向和重复压裂等也获得了很大程度的发展。郭建春等人[56]认为威远、长宁、川南实施暂堵转向水力压裂能有效提高裂缝复杂程度，改善页岩储层压裂效果。李彦超等人[57]认为多簇暂堵体积改造技术的关键是如何通过关键参数优化，保证各簇裂缝有效、均匀扩展，提高缝控储量及采收率。目前投球分段压裂技术存在较难预测压开层段顺序、投球时机不易把握、坐封效率难以评估等问题[58]。金智荣等人[59]认为多次暂堵能够产生明显的分支缝，有利于形成复杂裂缝，且多次暂堵后起裂压力增大，提升注入排量可使暂堵压裂形成更多的分支裂缝，且存在天然裂缝或层理面、暂堵后施工压力明显升高是实现裂缝转向、形成复杂裂缝的必要条件。曹学军等人[60]认为，四川盆地页岩气藏压裂改造采用缝口暂堵转向和缝内暂堵转向压裂技术后效果明显。陈钊等人[61]总结得出，昭通示范区施工投球数量为所需封堵孔眼数的1.0～1.2 倍，暂堵球直径不小于13.5 mm。随着暂堵剂注入，水力裂缝展现出缝内转向、起新缝以及起新缝结合缝内转向扩展等形式，提高了页岩水力裂缝的复杂程度。侯冰等人[30]将四川长宁地区龙马溪组页岩暂堵压裂水力裂缝形态总结为阶梯裂缝、激活弱面的横切缝、简单多裂缝和复杂多裂缝网络等4 种类型。杨恒林等人[62]认为暂堵剂可有效促进页岩水力裂缝转向、分叉，以及多裂缝的形成，且小排量倾向于形成简单缝，提高排量有利于促进裂缝复杂度。

5 真三轴压裂物理模拟技术发展趋势

5.1 “井工厂”立体压裂

页岩油气开发常采取“井工厂”压裂模式[63]，水平井压裂段内存在多簇裂缝竞争扩展，且前序压裂段内施工泵入的压裂液也会对后续段内的水力裂缝扩展造成影响，且可能存在压窜、套管变形等问题。缝内压力产生的诱导应力明显改变了裂缝周围的初始地应力场，同时压裂液的滤失渗透导致了裂缝周围孔隙压力上升[64-66]。当前真三轴压裂物理模拟万米深井储层环境下的变高温高压高应力等劣势储层环境存在一定困难。由于物理模拟尺寸较小，井间距和缝间距存在限制，模拟超临界CO2压裂、同步压裂、拉链压裂、重复压裂、立体压裂和多段多簇压裂等复杂施工程序时存在一定局限[67-68]。此外，油田现场压裂常连续泵注前置液、携砂液和顶替液等，室内真三轴物理模拟泵注施工步骤通常为间歇的，且由于管线限制，在添加支撑剂和暂堵剂等颗粒时存在一定不足。

5.2 智能化和数字化

油田现场压裂智能调控属于高度集成化的人工智能技术，不仅关系到智能勘探和开发，还涉及井底压力和地层裂缝形态智能预测、风险事故智能预判、施工参数智能优化和施工设备智能控制等多方面的智能技术[69]。此外，油田现场工程师期望在智能压裂设计和智能压裂工况诊断方面取得突破，并且最终形成集智能设备，智能材料，智能工艺，智能诊断等于一身的综合智能压裂技术体系。真三轴压裂物理模拟针对各类岩性组合、压裂井筒和复杂工况进行有效的模拟和分析，后期能基于云平台和人工智能等手段，打造智能实验室管理系统，实现智能的数据存储、压裂分析、智能预测等。并且在智能工具、智能软件、智能压裂液流体及材料、智能监测和预警系统、智能控制、智能参数优化、智能算法解释等方面不断突破。

6 结论

1）调研分析了页岩储层真三轴压裂物理模拟试样制备、压裂井型和射孔组合、装置原理、相似准则、裂缝监测、页岩缝网压裂改造、穿层压裂缝高延伸和页岩缝群压裂提升改造规模等，认为多类型分布式光纤传感联合监测或联合井下电视、微地震、声发射等联合监测方法是今后油田现场和室内物理模拟需要探究的重要问题。

2）变排量和交替注液模式能够有效促进水力裂缝的扩展延伸，充分沟通层理和天然裂缝，形成复杂的网络裂缝，提高缝网改造规模。

3）层状页岩储层水力裂缝缝高穿层控制因素主次关系表现为：地质因素（地应力、层理和天然裂缝等弱面胶结强度）＞完井参数（簇间距）＞黏度和排量等施工参数。

4）页岩储层存在弱面结构、地应力状态、完井方式及非均质性等特征，密切割多段多簇压裂时缝间竞争扩展和应力干扰会导致非平面、非对称和非均衡扩展，暂堵压裂有望改进簇间流量分配，改善页岩储层缝群压裂改造效果。