頁巖豎井單孔水力壓裂裂縫擴展規律研究

周昌滿 張伯虎 周 逸

（西南石油大學地球科學與技術學院,四川 成都610500）

開采頁巖氣一般需要注水壓裂，使其內部產生裂縫，提供氣體運移通道，盡可能充分壓裂，增加其裂縫連通性，改善滲透率進而增加滲流面積，以達到提高導流率的目的[1-2]。為了提高其產量，亟需對水力裂縫的擴展規律進行研究。衡帥等通過室內壓裂實驗得到了頁巖豎直井水力壓裂的裂縫起裂與延伸規律，并基于斷裂韌性的各向異性分析了水壓裂縫在垂直層理面擴展時的分叉、轉向行為；許丹[3]采用室內真三軸水力壓裂模擬實驗，分析了水平主應力差、射孔方向和頁巖層理面的夾角，層理面厚度和間距對水力裂縫擴展的影響；張輝等[4]基于室內壓裂實驗結果，并考慮了天然裂縫對人工裂縫擴展的影響，總結出水壓裂縫遭遇天然裂縫的3 種擴展方式；張士誠、張燁等[5-6]在室內進行真三軸實驗時，發現了水平應力差過小時，水力裂縫容易發生轉向，只沿最弱的天然裂縫面或層理面延伸，而水平應力差過大時，易直接穿過天然裂縫及層理，形成單一的主裂縫，不易形成復雜縫網的規律；姜滸和張旭[7-8]等分別用混凝土材料和頁巖大尺寸巖心進行室內水力壓裂實驗，研究了水平應力差、黏度、排量等可控因素對水壓裂縫的擴展規律的影響。Arash 等[9]采用擴展有限元的方法系統的研究了水力裂縫與天然裂縫的擴展規律，卻忽略了壓裂液的濾失；Wang 等[10]采用了Abaqus 中的擴展有限元法建立了二維正交各向異性介質流固耦合模型，研究得到裂縫擴展有原始地應力和材料的各向異性共同作用所致。

由此可見，前人對水壓裂縫的擴展行為和裂縫形態，不管是室內實驗還是數值模擬都進行了大量的研究，但基于水力裂縫的轉向還是未研究透徹，本文將通過室內真三軸實驗，用大尺度真三軸系統來模擬地層條件[11]，注入帶有綠色染色劑的清水進行壓裂，研究頁巖試樣垂直井單孔注水的裂縫擴展規律，分析水力裂縫轉向的原因，采用Abaqus 有限元軟件建立二維模型進行驗證，并進一步分析了注入點縫內壓力和裂縫寬度的演化規律。

1 頁巖水力壓裂的實驗方案

采用真三軸水力壓裂系統完成水力裂縫實驗，使用采自四川省東南部的頁巖露頭制成的試樣，其尺寸為300mm×300mm×300mm，用外徑為20mm，內徑為15mm 的高壓管線垂直于層理面方向放置頁巖試樣正中心處，其深度為170mm，以模擬垂直井筒，用水和水泥按照1:1 的配方制作而成的泥漿封住井筒，用添加綠色染色劑的清水作為壓裂液，并按照實驗所允許的實際條件及相似準則的相關要求設計實際壓裂方案；在加載三向應力時，沿著井眼方向，即垂直于層理面方向加載垂向應力，在平行于層理方向加載水平最大主應力和水平最小主應力，具體的實驗水力壓裂相關參數如表1；驗步驟參考郭印同等[12]的研究。

表1 真三軸水力壓裂物理模擬試驗參數

2 頁巖水力裂縫擴展規律研究

按照上述壓裂方案完成實驗以后，用清水洗凈壓后的巖樣，觀察水力裂縫的痕跡，并用粉筆在巖樣表面進行標記。為進一步研究試樣內部裂縫分布的情況，將壓后試樣沿主裂縫進行剖分，結合綠色示蹤計的軌跡以及顏色深淺描述水力裂縫的擴展規律。

2.1 水力裂縫整體擴展規律

根據裂縫表面形態可以分析得到，水力裂縫的整體擴展規律是在剛開始幾乎沿著最大主應力的方向進行擴展，后續沿著和最小主應力呈85 度的方向擴展。

圖1 Y-3-9 試樣水力壓裂前后圖

如圖1（a）為Y-3-9 壓前裂縫試樣的表面裂縫情況。為了更好的記錄和描述壓后水力裂縫擴展形態和天然裂縫的溝通情況，將試樣表面進行命名。1 面和6 面為上下兩個面，加載垂向主應力，2 面和4 面為前后面，加載水平最大主應力，3 面和5 面為唯有兩個面，加載水平最小主應力方向，具體的實驗三向應力加載如圖所示。

圖2 Y-3-9 試樣壓后側面及展開圖

圖1（a）可見巖樣表面為1 面、3 面、4 面。其中1 面為頂面，此面正中心位置為垂直井筒。此外，頁巖層理縫比較明顯，在2、3、4、5 面有一個水平層理縫，距離頂面約15mm，寬約1mm，如上圖紅色標記線所示，其他面未發現明顯天然裂縫。圖1（b）為壓后水力裂縫所在1 面的俯視圖，分析發現Y-3-9 巖樣的水力裂縫從井眼沿著平行層理的方向起裂，即沿著最大主應力方向向兩邊擴展，但裂縫擴展到中期尋找到最佳裂縫面后，雙翼裂縫明顯發生轉向痕跡，最終貫穿巖樣。

2.2 水力裂縫的轉向

水力裂縫雖然整體沿著最大主應力方向擴展，但明顯發生轉向。為了更好的分析裂縫擴展情況，將采用多圖對比的方式對形成的水力裂縫進行分析。

如圖2（a）為壓后水力裂縫貫穿1 面和4 面的側面圖，明顯可以發現水力裂縫在垂直方向擴展的過程中，水力裂縫的擴展路徑偏離垂直于層理面的方向，且幅度越來越大；圖2（b）為壓后水力裂縫貫穿1 面和2 面的側面圖，明顯可以發現水力裂縫在此側擴展的路徑基本沒發生變化，沿著垂直于層理面的方向進行擴展；這就說明向4 面擴展的水力裂縫在沿著垂直于層理面的方向向底面進行擴展的轉向幅度比向2 面擴展的轉向幅度大；圖2（c）為壓后打開的水力裂縫面展開圖，明顯可以發現，水力裂縫沿著垂直井的底部開始起裂，沿著最大水平主應力方向和近似垂直層理方向起裂。沿最大水平主應力方向起裂的裂縫在擴展的過程中，盡管最小地應力平行于層理方向，但由于層理面黏結力較弱，其阻止裂縫擴展的能力較弱，該裂縫仍沿層理擴展延伸直至形成貫通試樣的水力通道，而沿著垂直層理方向的裂縫沿最大地應力方向起裂后，首先沿最大地應力方向繼續擴展，當其延伸至較弱的層理面時，由于弱層理面的斷裂韌性遠小于垂直層理方向的斷裂韌性，且盡管裂縫延伸方向為最大地應力方向，但裂縫仍在弱層理面處發生轉向[3]；

打開主裂縫，明顯可以發現綠色染色劑主要分布在巖樣上部層理附近，在層理縫附近有許多未干的壓裂液痕跡，并有一定的逼近弧度，說明水力裂縫易沿層理面擴展，上部弱層理面影響了水力裂縫的轉向；而下部水力裂縫的轉向幅度過大，是由于巖樣下部內部的天然裂縫較多，水力裂縫在沿著近似垂直于層理方向的過程中，易受到內部天然裂縫等弱結構面的影響，偏向弱面擴展，可以由圖1（e）左下處多處未干的小水力裂縫得證。

總之，水力裂縫的轉向主要是由內部弱面存在所致，其易向此處擴展，形成復雜縫網網絡。

3 頁巖水力裂縫擴展的數值模擬研究

3.1 二維模型的建立

3.1.1 模型假設

水力壓裂現場工藝是一個非常復雜的過程，有諸如構造應力等許多因素影響壓裂效果，為了方便驗證物理模擬實驗，本文對數值模擬做出了以下假設。

（1）頁巖介質為均質、各向同性的多孔介質；

（2）不考慮內部微裂縫對頁巖試件的影響；

（3）不考慮井筒對地應力場的影響，在模型中預制一定張開度的初始裂縫；

（4）不考慮頁巖和壓裂液發生物理化學作用；

（5）忽略溫度場、層理等的影響。

3.1.2 模型描述

基于以上假設，在Abaqus 中建立和上述物模試樣一樣尺寸的二維數值模型，其尺寸為300mm×300mm，井筒方向為模型中心處，預制裂縫長為6mm，和水平最大主應力方向呈現45度，并位于模型中心處，如圖3（a）；采用CPE4P 單元即四節點平面應變單元和孔隙壓力單元，對網格進行劃分，總單元個數10000 個，如圖3（b）。

Abaqus 中二維數值模型的力學形態：最小水平主應力為X方向，最大水平主應力為Y 方向，設置頁巖的飽和度為1，即為完全飽和狀態，設置初始孔壓為0，各邊均采用0 位移約束，且地層孔隙壓力邊界在整個過程中保持不變，注水時間為11 秒，并以上述壓裂參數為基礎，具體數值模擬水力壓裂模擬參數如下表2。

圖3 水力壓裂二位數值模型

表2 二維水力壓裂模擬參數

3.2 真三軸水力壓裂物模對比驗證

經過計算，可以得到二維水力壓裂擴展的裂縫結果如圖4所示：

圖4 數值模擬效果圖

由二維水力壓裂數值模型結果和物模實驗模型結果對比可知：由圖4（a）可知：二維水力壓裂數值模型的水力裂縫在和真三軸水力壓裂實驗的水力裂縫彎曲的趨勢基本差不多，水力裂縫在擴展過程中都發生了轉向，且都朝著最大主應力的方向進行擴展，水力裂縫的寬度不均勻，裂縫面高低不平，和物模實驗一致，說明數值模擬可以很好的模擬上述實驗，可以很好的模擬上述水力裂縫的擴展規律。由圖4（b）可以發現，裂縫寬度和注入點壓力具有良好的相關性，在水壓力波動的同時裂縫寬度也在波動，可以看出注入點在1.892 時產生，裂縫寬度為0.002m，此時起裂裂縫開始產生，之后裂縫寬度隨注入壓裂液繼續產生波動，壓力曲線的峰值穩定在25MPa 左右,和實際壓裂較為相符；而裂縫寬度波動的原因主要是頁巖的非均質性，同時壓裂液經過裂縫面也會產生一定的濾失，因此壓裂液中的壓力會減小，注入點的水力裂縫法向應力大于縫內壓力，造成裂縫寬度減小，后續隨壓裂液的不斷注入，壓力增加又使得裂縫寬度增加，從而保持裂縫寬度的相對穩定，直至水力裂縫貫穿模型表面，壓裂結束。

水力裂縫在擴展過程中的寬度和縫內壓力具有良好的相關性，對實際頁巖氣現場壓裂開采具有重要的指導意義。在水力壓裂正常開采頁巖氣的過程中，水力裂縫的壓裂和寬度最終都達到一個相對穩定的狀態，但如若兩者曲線發生明顯波動，則可能是水力裂縫遇到大型的節理、天然裂縫，甚至斷層等地質構造因素，這將直接影響頁巖氣的產量，便于更加科學的指導現場壓裂生產。

4 結論

4.1 基于真三軸水力壓裂實驗研究了頁巖水力裂縫擴展規律。水力裂縫在擴展過程中發生了轉向，朝著最大主應力的方向進行擴展，形成了雙翼彎曲的水力裂縫，造成形成的水力裂縫面凹凸不平；而水力裂縫的轉向主要是由內部弱面存在所致，其易向此處擴展，形成復雜縫網網絡。

4.2 基于二維壓裂數值模型分析研究了頁巖水力裂縫擴展規律。水力裂縫擴展的形態及其向最大主應力方向擴展的規律得到了驗證，由于水力裂縫易向弱結構面擴展和頁巖的非均質性，造成水力裂縫面凹凸不平，和物模實驗較好的吻合；

4.3 水壓裂縫的注入壓力和寬度具有良好的相關性，都是先增大隨后穩定在一定程度保持不變，水力裂縫在擴展過程中的寬度和縫內壓力具有良好的相關性，對實際頁巖氣現場壓裂開采具有重要的指導意義。