頁巖氣藏壓裂裂縫擴展理論研究進展

【摘 要】水平井鉆井與多段壓裂相配合是目前開發動用頁巖氣資源的主要技術手段。本文概述了頁巖氣儲層壓裂裂縫擴展理論的研究進展，以期為更好設計壓裂施工參數，實現頁巖氣強化開發提供參考。

【關鍵詞】頁巖氣；壓裂；裂縫擴展；研究進展

頁巖氣是指賦存于泥巖或頁巖中的天然氣。北美頁巖氣革命引發了全球頁巖氣開發熱潮[1]，而我國不論是頁巖氣總儲量還是技術可采儲量都要比美國豐富。水力壓裂是實現頁巖氣商業化開發的必由之路，因此，總結頁巖氣藏壓裂裂縫擴展理論的研究進展，對于優化壓裂水力參數設計，實現頁巖氣的強化開發具有重要意義。

1 裂縫擴展理論研究的關鍵問題

頁巖氣藏人工壓裂以實現資源高效動用，提高最終采收率為目標。目前，調控人工裂縫的擴展形態及其波及面積，仍是提高頁巖氣藏的產氣效率和總產量的主要技術手段。同時，人工裂縫的擴展理論是試井解釋、生產模擬和壓裂優化設計的基礎，也是頁巖氣藏人工壓裂技術的關鍵科學問題之一[2]。

人工水力裂縫的展布形態主要由壓裂液流場能量分布及其流變性、原地應力、儲層巖石力學性質和天然裂縫發育等因素控制[3]，涉及流體力學、巖石力學和斷裂力學等多學科綜合，包括儲層巖石受力變形，窄縫內壓裂液能量輸運以及裂縫起裂擴展等物理過程。

2 頁巖氣藏人工裂縫擴展理論研究進展

描述巖石受力變形過程的理論模型經歷了半個世紀的發展。從線彈性理論開始，經歷了彈塑性理論階段，目前多孔彈性理論得到了逐步的發展和應用。上世紀六十年代，Perkins（1961）等[4]將儲層巖石假設為脆性、線彈性體，即利用線彈性理論預測水力作用下的裂縫寬度，研究發現：裂縫寬度主要由壓裂液沿裂縫長度方向的流動壓降決定；壓裂液粘度越高，排量越大則流動壓降越大，最終得到較寬的裂縫。從上世紀九十年代開始，油氣工程領域的科技工作者將彈塑性理論引入巖石受力變形的過程描述領域。Panos（1994）等[5]基于彈塑性假設和摩爾庫倫準則及DP準則，建立了巖石破壞預測模型，用以指導井壁穩定領域的鉆井液優化設計。最近，研究人員將多孔彈性理論引入巖石受力變形的過程描述中，以使數學模型更貼近實際情況并增加模型的精度。Rahman（2009）等[6]建立了有限元模型，采用Warpiniski & Teufel相交準則，考察多孔彈性體內人工水力裂縫與天然裂縫相交后的擴展情況，并分析了孔隙壓力變化對裂縫擴展方位的影響，Charoenwongsa（2010）等[7]通過耦合流動模型和巖石地質力學性質，建立了人工裂縫擴展預測模型。模型中將裂縫擴展過程視為應力波的傳遞，并考慮了流動傳熱的影響，分析了孔隙壓力，巖石與流體間傳熱以及應力波傳遞對儲層巖石骨架結構的影響，并以此確定水力壓裂誘發的剪應力是否可以打開天然裂縫。

在模擬窄縫內壓裂液流動規律方面，研究人員主要是采用Carter濾失理論和Reynolds潤滑理論。當人工誘導裂縫與天然裂縫相交后，壓裂液在儲層中的濾失得以加強，進而影響窄縫內的壓力分布和裂縫展布。Rahman（2009）等[8]采用Carter濾失模型描述壓裂液在兩縫相交后的濾失情況，采用Reynolds潤滑理論來模擬計算窄縫內的壓力分布，在此基礎上考察天然裂縫存在對人工水力裂縫擴展的影響。上述模型中，多孔彈性模型描述巖石的受力變形，并基于KGD模型模擬分析了泵送時間對裂縫長度和寬度的影響。

在模擬分析水力裂縫起裂及擴展方面，由于頁巖壓裂裂縫多呈現出復雜裂隙網絡的形態，Xu（2010）等[9]，Weng（2011）等[10]先后基于網絡裂縫模型和基巖線彈性斷裂力學理論，模擬分析了壓裂誘導裂縫與天然裂縫相交后的起裂擴展情況。結果發現：應力各向異性、天然裂縫發育以及界面間的摩阻可顯著影響縫網系統的復雜程度。Chen（2009）等[11]，Carrier（2010）等[12]先后基于內聚區理論建立有限元模型模擬裂縫在多孔彈性體內的擴展。揭示了巖體滲透率、壓裂液粘度等因素在不同區域對壓力剖面的影響，并建議在裂縫尖端加密網格以使求解收斂并獲得較高的計算精度。

在復雜裂縫的模擬表征方面，先后發展了線性網絡模型、非常規裂縫網絡模型、有限元裂縫網絡模型和離散元裂縫網絡模型。Xu（2010）等[9]提出以線性網絡模型表示頁巖氣藏壓裂產生的復雜裂縫，其中將裂縫網絡假設為沿水平井筒對稱的橢球體，并以均勻分布的垂向和橫向截面來分割橢球體。采用半解析方法求解模型，模擬分析了巖體中裂縫實時擴展，考察了施工參數對壓裂效果的影響規律，并分析了支撐劑在縫網中的運移情況。Weng等[10]在考慮不規則裂縫形態的基礎上，提出了非常規裂縫網絡模型，通過數值求解，模擬分析了人工誘導裂縫與天然裂縫的相互作用，耦合計算了支撐劑、壓裂液輸運及巖石力學響應，并可通過微地震檢測來修正模型。其主要局限性在于模型的計算精度較高低依賴于邊界參數的輸入。有限元模型具體包括邊界單元法[13]和擴展有限元[2，14]兩種實施方法。有限元模型在求解人工誘導裂縫與天然裂縫擴展時，耦合計算了窄縫內壓裂液能量輸運及巖石力學響應，并可預測裂縫的長度和寬度。有限元模型的主要優勢在于不需要對裂縫周圍的網格進行加密，裂縫擴展后不需要重構網格，因而可大幅減少求解時間。研究發現：天然裂縫的存在會增大壓裂裂縫的復雜程度；并給出了人工誘導裂縫與天然裂縫相交后的擴展準則及影響因素；人工誘導裂縫轉向后裂縫變窄，容易導致砂堵。Pater（2005）等[15]將巖石骨架顆粒間的接觸以線彈簧模型來表征，使用離散元模型耦合求解窄縫內流體流動和巖石力學響應，結合試驗驗證，研究發現：降低壓裂液粘度或者提高壓裂液泵入速率有利于在巖體內誘導產生新縫系，低泵速則更容易打開天然裂縫。

3結束語

裂縫擴展理論研究以指導工程應用為目的，在現場資料實時支撐條件下，考慮天然裂縫對人工誘導裂縫的干擾，進一步優化裂縫擴展模型及求解策略，建立微觀損傷機制與宏觀斷裂擴展的聯系，仍將是該領域的研究重點。

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作者簡介：

伊爾齊木（1975～），男，新疆鞏留縣人，1996年畢業于中國石油大學（華東），工程師，主要從事石油鉆完井技術研究。電話：0991-3166302。

（作者單位：中國石油化工股份有限公司西北油田分公司）