頁巖儲層水力壓裂裂縫相互作用數值模擬研究

何澤軒

（西安石油大學，陜西西安 710065）

頁巖儲層水力壓裂裂縫相互作用數值模擬研究

何澤軒

（西安石油大學，陜西西安 710065）

在大多數的低滲透油氣藏中，特別是頁巖儲層中，通常發育著豐富的天然裂縫。所以在頁巖儲層水力壓裂的過程中，人工裂縫與天然裂縫之間所存在的關系以及相互作用，是很有必要對其進行探索及研究的。本文應用Franc2D/L軟件，進行了模擬試驗，目的是分析出在水力壓裂過程中，人工裂縫與天然裂縫有什么樣的相互影響。從得出來的數據可以得到它們相互作用的結果，這一結論的獲得能夠為體積壓裂效果評價打下基礎。

水力壓裂；數值模擬；Franc2D/L；裂縫相互作用

目前，世界油氣勘探程度逐步提高，但許多地質條件較好的常規油氣數量不斷減少，被發現的規模也在減小[1]。從我國改革開放以來，我國石油天然氣的勘探和開發技術不斷提升，但非常規油氣卻有待大規模的開發[2]。

在大多數的低滲透氣藏中，如頁巖氣藏和煤層氣藏等，通常發育著豐富的天然裂縫[3]。天然裂縫的存在，在體積壓裂過程中，起著非常重要的作用，它為形成復雜裂縫網絡，提供了先決條件[4，5]。所以，尋找人工裂縫和天然裂縫之間所存在的規律，以及它們彼此間的作用，是至關重要的。

1 人工裂縫與天然裂縫相互作用準則

當人工裂縫尖端與天然裂縫相遇之后，它們的擴展軌跡也會受到相應的變化，具體會出現兩種現象：第一，它會使天然裂縫張開，并影響彼此的擴展軌跡。第二，它會穿過天然裂縫，照著之前的路徑延伸[6]（見圖1）。

圖1 人工裂縫遭遇天然裂縫后可能的路徑

如果人工裂縫直接穿過天然裂縫，它的數值模擬將會和人工裂縫在基巖中相吻合的，所以不再過度闡述。此文重點數值模擬是為了研究它們之間的相互作用和影響。

2 人工裂縫與閉合天然裂縫相互作用擴展研究

天然裂縫的形成是有一定規律的，它一般是在最大水平主應力的方向，所以本文的研究，著力點在于平行于最大水平主應力之間的兩條縫，對其延伸規律進行模擬研究。模擬的初始數據使用如下頁巖儲層數據（見表1）。

表1 模型輸入數據

在模擬的過程中兩條縫的中心位置，橫縱坐標的距離應符合模擬需要，初始距離應分別為10 m和20 m（見圖2（a））。最大主應力PH是縱向的。在整個過程中對天然裂縫與人工裂縫的走向進行細致記錄（見圖 2（b、c、d））。

圖2 閉合天然裂縫和人工裂縫的相互作用

通過這樣的模擬實驗，顯而易見，人工裂縫與天然裂縫是互相影響的，如果人工裂縫沒有與天然裂縫相溝通，它會自動延伸，到達一定的程度會受到相近天然裂縫的影響，它會向其一側偏轉。與此同時，天然裂縫也會受人工裂縫應力的誘導，當原始的天然裂縫處于誘導區時，它的軌跡也會受到誘使，隨機發生破裂或轉向延伸。可以從圖2中總結到，天然裂縫遠端總是避開人工裂縫的尖端向外側延伸，而近端尖端會延伸于兩裂縫之間。所以二者之間存在誘導應力，并且它能夠對天然裂縫破裂及閉合產生決定性的影響。

對模擬進行分析可以得出，閉合裂縫和開啟裂縫在延伸的過程當中是相互靠近的，而兩條閉合裂縫，它們卻是相互排斥的。這條結論可以用來控制裂縫的延伸方向，為復雜裂縫網絡的形成提供了理論依據。

3 人工裂縫與張開天然裂縫相互作用進行擴展研究

在水力壓裂中，所制造出的人工裂縫會與天然微裂縫進行溝通，這也勢必會使壓裂液隨之進入，那么也就開啟了天然裂縫。這樣的天然裂縫內部是有壓力的，也就會產生新的應力，這樣的應力會對人工裂縫產生一定的影響。本章就重點模擬這種張開天然裂縫和另一條人工裂縫之間的相互作用關系。

在模擬時，兩條裂縫所處的初始空間位置不變（見圖 2（a）），裂縫的數值模型（見表1），假設天然裂縫和人工裂縫其內的壓力均為5MPa，便有如下結論（見圖3～圖5）。

通過圖3～圖5可以發現，無論在任何條件下，張

圖3 天然裂縫傾角平行于最大水平主應力時候的延伸情況

圖4 天然裂縫傾角垂直于最大水平主應力時候的延伸情況

圖5 天然裂縫傾角與最大水平主應力夾角為45°時候的延伸情況

開天然裂縫都會沿著最大水平主應力的方向延伸。與此同時，對比圖2和圖3～圖5可以發現，當兩者相遇后，張開天然裂縫會抑制人工裂縫尖端的延伸，這是因為在兩者都延伸的情況下，天然裂縫周邊會產生一定的誘導應力場，而它和人工裂縫的誘導應力場很類似。

4 結論

根據天然裂縫的張開與否，得出以下結論：

（1）人工裂縫與天然裂縫相遇時，可能出現的情況就是：人工裂縫會誘使天然裂縫張開，那么他們將會彼此影響，產生不同的擴展軌跡；再者人工裂縫穿過天然裂縫，按照以前的路徑進行延伸。

（2）人工裂縫與閉合天然裂縫溝通時，彼此的裂縫之間是相互靠近的，換句話說，他們在各自的延伸過程中會相互影響并且發生偏轉。

（3）人工裂縫與張開天然裂縫溝通時，那么天然裂縫的規律就是沿著最大水平主應力方向進行擴展，與此同時，它也會對人工裂縫尖端的延伸產生抑制。

［1]蔣廷學，卞小冰，蘇瑗，等．頁巖可壓性指數評價新方法及應用［J］．石油鉆探技術，2014，42（5）：16-19．

［2]蒲泊伶，牛嘉玉，董大忠，等．頁巖氣儲層研究新進展［J］．地質科技情報，2014，33（2）：98-101．

［3]蔣裕強，等．頁巖氣儲層的基本特征及評價［J］．地質勘探，2010，30（10）：7-12．

［4]唐穎，唐玄，王廣源，等．頁巖氣開發水力壓裂技術綜述［J］．地質通報，2011，30（3）：394-398．

［5]謝和平，高峰，鞠楊，等．頁巖儲層壓裂改造的非常規理論與技術構想［J］．四川大學學報（工程科學版），2012，44（6）：2-4．

［6]肖暉．裂縫性儲層水力裂縫動態擴展理論研究［D］．成都：西南石油大學，2014.

Numerical simulation study on the interaction of hydraulic fracture in shale formation

HE Zexuan
（Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

In most low permeability reservoirs,especially shale reservoirs,abundant natural fractures are usually developed.Thus,it is necessary to study the interaction between artificial fractures and natural fractures in shale reservoirs.In this paper,respectively,simulate and analyze the interaction between artificial fractures and closed natural fractures as well as open natural fractures during hydraulic fracturing by Franc2D/L software.Through the numerical simulation,the results of the interaction between artificial fractures and natural fractures in the fracturing process are analyzed,which lays the foundation for the better evaluation of the volume fracturing effect.

hydraulic fracturing；numerical simulation；Franc2D/L；interaction between fractures

TE357.11

A

1673-5285（2017）09-0043-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.011

2017－07-27