基于三維格子法的水力裂縫層間穿層擴展研究與應用

中圖分類號：TE357.1 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0186-11

Abstract：Thekeyofshalegasdevelopment ies increatinglarge-scalefracture networksthroughhydraulicfracturingtosignificantly enhancereservoir pemeability.However，thetraditionaltheorythatbeddngfractureactivation playsacrucialroleinfracture networkshasbeenchallengedbyrecentfieldtestsinNorthAmerica.Thispaper investigatestheinfluenceof interlayerrock mechanical propertiesandbeddngplanecharacteristicsontheinterlayerpenetrationandpropagationofhydraulicfracturesusingthe 3Ddiscrete latice method.Such factors asinterlayer stresscontrast，elastic modulus variations between layers，bedding planedip angles，beddingplneoesionerticalozonalstressorastjectionatesdfracturingfluidvisosityerealdA quantitativeevaluationchartforhydraulicfractureinterlayerpropagation wasestablished.Theresultsshow：（1）Astheelastic modulusof theupperbarierlayeradlowerinterlayerincreasesverticalpropagationofhdraulicfracturesbecomeseasier，with fractureheightgraduallyincreasing，leadingtoinsightsthatdierfromtraditionaltheories.Infeldpractices，high-modulus formationsareoftenasociated withhigh-stressvalues，whichrestricts interlayerhydraulicfracturepropagation.However，the influenceofelastic modulus mightbemisinterpretedfromalithologicalperspective.（2）Withincreasedcohesionofbeddinglayers andreducedbeddingdipangles，thecharacteristicsofinterlayer hydraulicfracture propagationbecome more pronounced，makingit diffcult toactivatebeddingfracture.Hydraulicfractures ransitionfrom\"I-shape\"to\"Tu-shape\"and \"Feng-shape\"patters.（3In maturedevelopmentzones，asformationpressredepletes，horizontal stresscontrastandverticalefectivestressesincrease. Subequetifillwellfracturingoperationsfacesignificantlyhgherdiicultiesinactivatingbeddngfracures，leadingtodoant interlayerpropagation.Keyfactorsaffectinginterlayerpropagationwereanalyzedthroughsingle-factororthogonalstudies， establishingdiscriminationchartsforinterlayerpropagationinlaminatedshale.Duringfracturing layerselection，lithological combinationsand beddingcharacteristicsshould becomprehensivelyevaluated usingthechart.Onthebasisof therockmechanical andbedding features of Hongxingshalegas inFulingarea，thehorizontal welltarget window wasshiftedfrom the previously geologically favorable sub-layer ③ to a geological + engineering dual sweet spot interval， which enhances the interlayer propagation and increased stimulated reservoir volume by 20% ，

Keywords： shalegas; hydraulicfracturing;bedding planes;interlayer propagation;3Dlatice method; elasticmodulus;gerg sweet spot; field trials

0 引言

北美“頁巖氣革命”驅動全球能源格局重構，非常規油氣資源開發已成為保障能源安全的戰略核心［1]。目前在國內形成了以涪陵頁巖氣田［2]、威榮頁巖氣田[3-4]為代表的開發大場面，截止2020年國內頁巖氣產量突破200億 m³ ，占全國天然氣總產量的 10.6% ，且該比例還在逐年提升［5]。頁巖氣開發的核心在于水力壓裂構建大規模裂縫網絡顯著提升儲層滲流能力[6]，傳統觀點認為層理激活縫在縫網中占據了舉足輕重的地位［7-8]，但近年來北美HFTS等一批礦場試驗打破了這一固有觀點，層理縫激活占比遠低于認知[9-11]。傳統裂縫模擬研究聚焦平面裂縫擴展機制，在裂縫長度、寬度與地應力場耦合模型方面取得突破性進展［12-13」，但對層狀頁巖垂向裂縫高度擴展行為的認知仍存在不足[14]。尤其是在立體開發情況下井間地層壓力下降［15]、多層立體開發井間竄擾嚴重［16]、層間巖性多變，走向復雜構造區層理傾角多樣、層理力學與濾失性質差異較大、應力特征多變等背景下［17]，造成層狀頁巖水力裂縫穿層擴展機理復雜，嚴重制約了頁巖儲層精準壓裂改造。因此，需要明確層理影響下水力裂縫擴展規律，優化層理發育儲層改造方案，為裂縫形態預測提供理論依據。

與水力裂縫與天然裂縫的相互作用關系類似，水力裂縫在層理發育地層的擴展過程中將出現貫穿層理面、沿著層理面、止于層理面及穿層巖層復合擴展等4種擴展結果［18-19]。在理論研究方面，上世紀Daneshy［20]首次提出了層理弱面對縫高的抑制作用，后Simonson等［21］提出了考慮垂向應力差的水力裂縫穿層擴展平衡高度理論。90年代，Renshaw等［22]建立的Ramp;P準則從斷裂力學角度量化了水力裂縫與巖性界面的相互作用，提出臨界應力強度因子判據。不少學者提出了修正莫爾-庫倫準則、古騰堡-里克特定律來判斷層理剪切激活，但受限于層理面強度測試難度大及復雜的地質工程參數［23]。隨著頁巖儲層復雜性認知的深入，后續從理論上分析了水平應力差、逼近角、注液速率、壓裂液黏度等因素對穿層擴展的影響[24]，但尚未形成系統性圖版。

水力裂縫穿層擴展的室內物模實驗主要包括三點彎曲試驗、常規三軸力學實驗［25]、真三軸水力壓裂實驗［26]，同時近年來國內外普遍開展了壓后取心礦場試驗直接獲取地下水力裂縫特征，如新疆油田瑪湖礫巖［27-28]、長慶頁巖油［29]，并且配套光纖監測、示蹤劑監測、測斜儀對縫高進行評價。室內物模實驗主要集中在不同層理傾角和層理密度頁巖的裂縫擴展規律，研究發現高密度層理開啟可以增加改造體積的裂縫復雜性，但縫高、縫長明顯受抑制[30]；不同傾角頁巖破裂實驗表明，層理傾角在 30^° 以內，水力裂縫以穿層為主，層理激活弱［31]。王燚釗等［32]考慮垂向應力、水平應力差、排量和巖性界面強度等，系統研究了水力裂縫垂向擴展規律，認為應力差越小、層理強度越弱，不利于裂縫穿層擴展。但近年來國內外頁巖儲層壓后取心礦場試驗取得了截然不同的結論［I]，北美HFTS-1/2取心觀察到的縫網類型以單一水力壓裂縫為主，水力 + 層理的復雜縫網類型占比較低，這可能與室內實驗與原地應力條件差異較大有關。

室內實驗對裂縫擴展過程的捕捉靈敏度不足，也難以量化層理界面強度、凈壓力變化等對裂縫穿層的影響，而理論分析大部分簡化方程難以完全考慮流固耦合作用。因此不少學者提出數值模型分析水力裂縫的穿層行為，目前普遍采用有限元法、邊界元法、擴展有限元法、離散元法和相場法開展層狀頁巖穿層擴展規律研究［33］。Zhang等［34］基于ABAQUS平臺研究裂縫高度尖端的“鈍化”現象，指出當界面抗剪強度低于臨界值時，沿界面發生劇烈滑移導致裂縫尖端鈍化。Gao等［35]提出新型三維流固耦合模型表征不同條件下裂縫外輪廓，精準描述裂縫進入高彈性模量地層時的裂縫面收縮變化規律。但數值模擬研究多假設地層巖性均質，通過設置水平天然裂縫區分儲層與蓋層，但對不同巖性地層與蓋層間的裂縫高度擴展行為研究不足，難以滿足復雜地質條件下非常規儲層模擬需求。

綜上所述，目前關于穿層擴展的理論及數模物模研究結果普遍與北美壓裂后取心認識不符，隨著我國頁巖氣開發逐步走向立體開發、構造復雜、應力多變等背景，水力裂縫穿層擴展機理將更為復雜，有必要系統性重構水力裂縫穿層擴展判別圖版。筆者采用全耦合三維格子法模擬器（XSite）構建縫高擴展數值模型，首先通過黏度主導與韌性主導兩種機制下的圓盤狀裂縫解析解對比驗證模型可靠性；然后分析了不同層間巖石力學性質差異影響下的裂縫垂向擴展行為，考慮了層間應力差、彈性模量對水力裂縫穿層擴展的影響；最后研究了層理弱面控制下的縫高穿層擴展行為，系統討論了層理參數（內聚力、傾角）、應力參數（水平應力差、垂向應力差）、施工參數（排量、壓裂液黏度）對裂縫高度擴展的協同作用，通過敏感性分析建立了水力裂縫穿層擴展圖版，并最終將穿層擴展判定圖版應用于紅星地區吳家坪組頁巖儲層地質工程甜點調整。

1三維離散格子法

三維離散格子無需預制裂縫產狀，允許水力裂縫非平面擴展，在離散元軟件PFC的基礎上，采用合成巖體技術引入粘結顆粒模型和光滑節理模型表示基質與裂縫，并基于泊肅葉定律求解裂縫內的流體流動。巖石顆粒簡化為質點，中間接觸采用彈簧等效，彈簧的拉伸剪切破壞對應巖石基質的拉伸剪切破壞（見圖1）。破壞后裂縫中的流體單元通過流動管道連接，并實時根據裂縫擴展形態更新流體網絡[19]。

1.1 固體力學模型

在三維離散格子法中，節點單元的空間位置與其所受接觸力共同決定該單元的運動狀態。每個節點的運動由作用在其上的力 F 與力矩 M 的矢量和控制，根據牛頓第二定律，其運動線性方程和轉動方程可表述為：

圖1離散格子法基本原理示意圖（據[19]） Fig.1Schematic diagram of the basic principle of the Discrete Lattice Method[19]

F=ma，M=Iω

式中： m 為節點質量， 為節點加速度， m²/s;I 為節點慣性矩， kg?m² ： ω 為節點角速度， rad/s 。

節點在 t 時刻的加速度可通過 t+Δt/2 時刻的速度場顯式求解，其表達式為：

各節點的自由度可通過中心差分公式迭代求解，其中平動自由度更新方程：

轉動自由度更新方程：

式中： u_i^t 為節點 i 在 t 時刻的線速度， m/s 1 u_i^t 為節點i 在 t 時刻的位移， m ： ΣF_i^（t） 為 t 時刻節點 i 所受合外力， N;Δt 為數值計算時間步長，s; ω_i 為節點 i 的角速度，rad/s; ΣM_i^（t） 為 t 時刻節點i所受合力矩，N?m;R 為節點等效半徑， m 。

基于節點的相對位移可更新計算彈簧的法向力F_i^N 和切向力 F_i^S

式中： F_i^N 為 t 時刻 i 分量的法向力，N； u_i^N 為 t 時刻i 分量的法向速度， m/s k^N 為法向剛度， N/m F_i^S 為t 時刻 i 分量的切向力，N； u_i^s 為 t 時刻 i 分量的切向速度， m/s;k^s 為剪切剛度， N/m 。

微觀彈簧的抗拉強度和抗剪強度，與宏觀巖體的抗拉強度和抗剪強度的對應關系，計算式為

式中： F^Nmax 為彈簧抗拉強度， N ， F^Smax 為彈簧抗剪強度， N;a_t 為抗拉強度校正系數，無量綱； a_s 為抗剪強度校正系數，無量綱； T 為宏觀巖體抗拉強度， Pa C 為宏觀巖體抗剪強度， Pa;D 為單元尺寸， m;μ 為摩擦因數，無量綱。

當彈簧法向應力大于抗拉強度，或彈簧切向力大于抗剪強度時，彈簧發生拉伸破壞或者剪切破壞。微裂縫在彈簧發生破壞之后形成，此時對應的破壞彈簧的法向力和切向力均為0。

1.2 流體流動模型

模型涵蓋巖體基質滲流與水力裂縫管流的雙重運移機制，并允許兩者間流體交換。巖體基質滲流通過孔隙壓力場表征，而水力裂縫內的流體流動由離散化流體單元與管流網絡構成（圖1）。流體單元定位于破裂彈簧中心，當彈簧破裂形成新微裂縫時，模型自動生成新流體單元并通過管道連接至既有流動網絡。其中流體沿節點A至B管道的流量表達式為：

式中： q 為流體流量， m³/s k_r 為相對滲透率，無量綱； β 為無量綱校正系數，其大小根據流體單元尺寸和流體流動網絡的連通性自動進行線性差值獲得；a 為裂縫寬度， m;ρ_w 為流體密度， kg/m³ ；為流體黏度， Pa?s;g 為重力加速度， m/s² p^A 和 p^B 分別為節點A和B的流體壓力， Pa;z^A 和 z^B 分別為流體單元A和B的水頭， m 。

在流動時間步長 Δt 中，流體壓力增量 Δp 為：

式中： Δp 為流體壓力增量， Pa;q_i 為與節點 i 相連的管道流量， m³/s ： V 為節點體積， m³ ： K_F 為表觀流體體積模量，Pa; Δt_f 為時間步長，s。

通過同步求解流體運移、裂縫起裂擴展與巖體變形，實現力學模型與流體模型的全雙向耦合：1）流體壓力作用于力學模型節點及流體單元，誘發巖體變形與破裂，導致裂縫發生張性開啟或剪切滑移；2）巖體變形與破裂改變裂縫開度，動態調控裂縫網絡滲透率場；3流體壓力場隨巖體變形實時更新，滿足質量-動量守恒方程的強耦合條件。當尖端應力強度因子顯著小于斷裂韌性時，采用彈簧抗拉強度閾值判定裂縫擴展；當尖端應力強度因子接近斷裂韌性時，直接基于斷裂韌度準則判定裂縫擴展路徑[19]。

1.3 模型驗證

考慮到本文所采用的數值模擬方法為全三維模擬，且在本文層理模擬中，不存在上下隔層限制。因此，選擇基于黏性主導的Penny型裂縫擴展理論進行解析解驗證，假設模型尺寸為 10m×10m×10m 均質巖樣，巖石力學參數與后續模擬保持一致。數值模擬結果顯示（圖2），水力裂縫呈典型圓盤狀擴展，解析解與數值解對比分析表明，縫口開度與縫長演化曲線與Savitski理論解高度吻合，驗證了離散格子法在裂縫擴展模擬中的有效性。

圖2模型驗證Fig.2Model validation

1.4牛 物理模型設置

本文系統性建立了考慮層間巖石力學性質差異與層理面特性的穿層擴展模型。模型尺寸均為10m×10m×10m ，在該尺度下開展單簇裂縫擴展模擬，因此井筒直徑設置 125mm ，與現場一致，并筒位于模型正中心，在井筒中部設置1個射孔簇，每簇射孔段長度為 1m ，孔眼深度為 300mm 。模型一考慮層間巖石力學性質差異，上部遮擋層與下部遮擋層厚度均為 3.5m ，儲層厚度 3m ，并且分類設置各層巖石力學參數與物性參數。模型二考慮層理面特性，假設模型巖石力學性質與物性參數均質，但在井筒中心上下 3.5m 處設置層理面，并賦予層理面不同強度、傾角、開度以模擬層理面性質（圖3）。在所有模型中，假設初始孔隙壓力為0，該模型代表了儲層模擬中典型的有效應力和凈壓力。為了減少其他因素的干擾，模型中沒有考慮隨機分布的天然裂縫影響。此外，忽略了井筒摩阻和壓裂液濾失，模型網格分辨率 50mm ，滿足裂縫尖端應力奇異性捕捉需求。地應力場、巖石力學參數、壓裂液特性等關鍵參數詳見表1和表2。

圖3模型示意圖Fig.3Schematic diagram of the basic model

表1 基本參數

2 結果與討論

2.1層間巖石力學性質對水力裂縫穿層擴展的影響

2.1.1 層間應力差

將上部和下部遮擋層的最小水平主應力設置為 30，35，40，45，50MPa ，其余參數保持與表1一致，分析層間應力差異對水力裂縫高度擴展的影響，結果如圖4所示。

表2單因素分析參數Table2Single factor analysis parameters

從圖4可以看出，當上部遮擋層與下部遮擋層最小水平主應力與儲層一致時，裂縫形態接近圓形，擴展較為均勻。當上部遮擋層和下部遮擋層的最小水平主應力小于儲層 5～10MPa 時，水力裂縫更容易穿層擴展，更易穿過低應力地層，相比均勻應力狀態，縫高從 4.1m 增加至 5.6m 。當上部遮擋層和下部遮擋層的最小水平主應力大于儲層5～10MPa時，水力裂縫縫高受到限制，裂縫形態趨于扁平化，更傾向于沿水平方向延伸，主要原因還是高應力區域導致凈壓力下降，降低了裂縫尖端應力強度，抑制了水力裂縫垂向擴展。當上部遮擋層和下部遮擋層的最小水平主應力小于地層垂向應力5MPa后，水力裂縫由水平擴展轉變為層間穿層擴展，整體與傳統觀點一致。

圖4層間應力差異對穿層擴展的影響

Fig. 4The influence of interlayer stress contrast on fracture propagation

2.1.2層間巖石彈性模量差異

傳統觀點認為，上部遮擋層與下部遮擋層的彈性模量越高，裂縫開度限制越嚴重，導致水力裂縫垂向擴展受限，但數模得到了不同的結論。圖5展示了在層間巖石彈性模量差異的情況下（遮擋層彈性模量設置為15、30、45、60GPa）的水力裂縫穿層擴展特征。當上部遮擋層和下部遮擋層的彈性模量為 15GPa ，低于儲層彈性模量時，水力裂縫難以穿過層面，垂直擴展受到限制，主要原因可能是低模量地層縫寬較大，水力裂縫尖端能量卸載所致。隨著上部遮擋層和下部遮擋層的彈性模量增大，水力裂縫的垂直擴展更易實現，裂縫高度逐漸增加，原因是高模量地層盡管限制了縫寬，但是小縫寬也導致水力裂縫尖端能量集中，因此更容易穿層擴展。當上部遮擋層和下部遮擋層彈性模量從 60GPa 降低至 15GPa 之后，裂縫高度從 4.6m 降低至 3.3m. 而水力裂縫長度從 4.5m 增加至 4.9m 。

這一現象似乎與傳統觀點有所不同，但本質上為高彈性模量地層限制了縫寬，在注入液量一致的前提下，縫高更容易突破。部分前人研究也得到了相似的觀點，Gu等[36]研究表明，當從低彈性模量巖層擴展至高彈性模量巖層時，水力裂縫在擴展至界面前停止；當從高彈性模量巖層至低彈性模量巖層，水力裂縫先穿透后在低彈性模量巖層擴展一定距離后停止。王翰[37]通過Aabqus數值模擬認為，隔層彈性模量較大會導致裂縫縫寬較小，裂縫縫高較大。在現場實踐中往往認為是高彈性模量地層穿層擴展難度大，但實際上高彈性模量地層也帶來較大的應力值，可能在現場實踐中是高應力值限制了水力裂縫穿層擴展，但從巖性角度被誤認為是彈性模量造成的。

2.2不同層理面差異影響下的裂縫垂向擴展

在分析層間穿層擴展性質差異的基礎上，還分析了層理面性質（包括層理傾角、層理內聚力）、應力差異（水平應力差、垂向應力差）注入排量和壓裂液黏度等工程參數對含層理面頁巖穿層擴展的影響，保持層理開度、排量、水平應力差不變，模擬運行時間為 10s ，通過單因素正交分析，建立了含層理面頁巖穿層擴展判別圖版。

圖5層間巖石彈性模量差異對穿層擴展的影響 Fig.5The influence of interlayer elastic modulus contrast on fracture propagation

2.2.1 層理面性質

首先討論了層理面內聚力對裂縫垂向擴展的影響（圖6a），內聚力大小設置為 0MPa， 5MPa， 1（ MPa、 15MPa ，其他基礎參數如表1所示。當層理面的內聚力小于 5MPa 時，層理面限制了水力裂縫垂向擴展，形成了“工”字縫。隨著內聚力的增加，當層理面內聚力達到 5MPa 之后，水力裂縫穿層擴展，且形態和縫高相似，呈“豐”字縫特征。固定內聚力大小為 5MPa ，討論了不同層理傾角對穿層擴展的影響規律（圖6b），層理面傾角分別設置為 15^° 、30^°、45^°、60^°， 其他基礎參數如表2基準值所示。當層理面傾角小于 45^° 時，水力裂縫以穿層擴展為主，裂縫形態呈“豐”字縫特征，且隨著層理傾角增加，水力裂縫縫寬呈現明顯的增加趨勢。當層理面傾角大于 45^° 之后，水力裂縫遇層理界面水平轉向，壓裂液層理界面濾失，呈“土”字縫特征。這也表明，當層理面傾角較大時，水力裂縫擴展呈現明顯的非對稱擴展現象，水力裂縫穿透上下界面的概率可能存在一定差異。

圖6層理面性質對水力裂縫垂向擴展的影響Fig.6The influence of bedding plane properties on the vertical propagation of hydraulic fracture

2.2.2 應力差異

在立體開發區，隨著地層壓力的虧空，根據四維應力場反演結果，水平應力差和垂向有效應力呈現增加趨勢，再部署加密井進行壓裂施工，其層理縫激活和水力裂縫垂向擴展與初次壓裂存在差異。因此，本文在保持其余參數與表2所示一致的情況下，分別設置了不同的水平應力差和垂向應力差以模擬立體開發區的水力裂縫穿層擴展規律，水平應力差分別設置為 0MPa ， 5MPa ， 10MPa ！ 15MPa 垂向應力差分別設置為 0MPa， 5MPa， 10MPa， 15 MPa 。從圖7a中可以明顯看出，當水平應力差增加時，層理激活困難，水力裂縫呈垂向擴展趨勢。具體而言，當水平應力差為 0MPa 時，水力裂縫呈明顯的“工”字縫特征，且由于重力分異作用，上下層理面開啟程度存在差異，下部層理面激活明顯高于上部層理面；當水平應力差為 5MPa 時，水力裂縫仍然呈“工”字縫特征，但存在部分穿透；當水平應力差大于 10MPa 之后，水力裂縫穿層擴展，呈“豐”字縫特征。圖7b討論了不同垂向應力差下的水力裂縫穿層擴展特征，與水平應力差類似，當垂向應力差為 0MPa 時，水力裂縫呈“工”字縫特征，上下層理面開啟程度均一；當垂向應力差為5MPa時，水力裂縫呈現明顯的“土”字縫特征，且上部層理激活面積明顯低于下部層理；當垂向應力差大于 5MPa 之后，水力裂縫穿層擴展，上下層理面均未發生激活。

圖7應力差異對水力裂縫垂向擴展的影響

Fig.7The influence of stress contrast on the vertical propagation of hydraulic fracture

2.2.3 注入排量

圖8展示了在不同注入排量條件下的裂縫高度擴展結果，其他參數如表2基準值所示，模擬排量從 2m³/min 增加至 8m³/min 。當注入壓裂液排量為 2m³/min 時，水力裂縫在達到層理邊界時縫高停正擴展，轉為水平方向延伸；當注入壓裂液排量增加至 4m³/min 時，水力裂縫大部分仍以水平方向延伸為主，但出現輕微垂向方向穿透；當注入壓裂液排量大于 4m³/min 時，水力裂縫穿透層理面，其高度和裂縫開度隨著注入排量的增加而顯著增大。對于層理極為發育的頁巖儲層，高排量注入是使裂縫穿層擴體的重要措施，有利于裂縫穿透層理面并在縱向上實現深層改造，促進頁巖儲層的有效開發。對于密切割壓裂工藝而言，提高單簇排量是保障水力裂縫縫高延伸的關鍵。

圖8注入排量對水力裂縫垂向擴展的影響 Fig.8The influence of injection rate on the vertical propagationofhydraulic fracture

圖9壓裂液黏度對水力裂縫垂向擴展的影響 Fig.9The influence of fracturing fluid viscosity on the vertical propagation ofhydraulic fracture

括垂向應力差、水平應力差、層理面內聚力、單簇排量等因素開展單因素正交分析，建立層狀頁巖穿層擴展判別圖版（圖10），進而指導壓裂施工設計參數優化。當水平應力差為 0MPa 時，垂向應力差從5MPa增加至 10MPa ，內聚力從 0MPa 增加至15MPa ，水力裂縫以沿層理擴展為主，縫高受限極其嚴重，此時在工藝上應該考慮進一步增加排量等優化措施，提升水力裂縫穿層擴體能力。隨著水平應力差逐步增加至 5～10MPa ，水力裂縫穿層擴展概率增加，隨著內聚力增加，水力裂縫從沿層理擴展逐步轉變為穿層擴展。當水平應力差大于 15MPa 之后，水力裂縫均以穿層擴展為主。

圖9為排量 2m³/min 情況下，不同壓裂液黏度對水力裂縫穿層擴展的影響，黏度分別設置為低黏（10mPa?s） 、中黏 （20mPa?s） 、高黏 、膠液 （50mPa?s） 。可以看出隨著黏度的增加，水力裂縫更容易穿層，當黏度為高黏以下時，水力裂縫僅有輕微穿層，當液體為膠液時，水力裂縫發生了明顯穿層。綜合考慮，根據縫內凈壓力計算公式[38]，凈壓力是排量、壓裂液黏度、彈性模量、縫高、縫長的函數，凈壓力越大，水力裂縫更易穿層。

2.2.4壓裂液黏度

3 成果應用

2.3穿層擴展圖版建立

選取了影響水力裂縫穿層擴展的關鍵因素，包紅星地區主體位于湖北省利川市、重慶市石柱縣境內，構造上處于川東高陡褶皺帶石柱復向斜，主要勘探潛力層系為二疊系吳家坪組吳二段頁巖，儲層總厚度為 19.1m， ，吳家坪組吳二段 ③ 一 ⑤ 小層，品質最優厚度 15.8m ，厚度偏薄。吳家坪組縱向非均質性強，隔夾層發育，發育灰巖、凝灰巖條帶，水力裂縫穿層難度大、支撐劑通過困難、SRV天然受限。其中， ③ 小層黏土礦物含量 23% ，硅質含量47% ，發育24條凝灰巖薄夾層條帶，層理縫發育；④ 一 ⑤ 小層黏土礦物含量 12% ，硅質含量 43% ，隔夾層條帶和層理縫相對不發育。前期以地質甜點為主要選層指標，優選吳二段 ③ 小層進行水平井鉆探并試氣，盡管突破但產量不高。

圖10水力裂縫穿層擴展圖版

Fig.10Chart of hydraulic fracture propagation

紅星區塊吳家坪組 ③ 一 ④ 小層垂向應力差8～12MPa ，水平應力差 4～9MPa ， ③ 中層理內聚力2～4MPa ， ④ 小層層理內聚力 4～7MPa 。通過圖版判斷認為， ③ 小層受隔夾層和水平縫發育影響，水平縫開啟多，內聚力小，液體濾失大，縫高受限，裂縫呈“T”、“工”字型擴展。 ④ 小層層理激活較難，隔夾層阻隔效應弱，液體濾失小，裂縫呈“十”、“1”字型縱向擴展，水力裂縫改造體積較大。進而深化地質甜點評價和壓裂改造工藝創新，地質上進一步優選靶窗，將水平井靶窗由前期的地質更甜的③ 小層上移至 ③ 上 ④ “地質 + 工程”雙甜點層段，并配套大排量施工工藝促使水力裂縫穿層擴體，改造體積相對提升 20% ，縫控儲量提升 17.8% ，預測EUR提升 30% ，現場微地震監測顯示單井改造縫長提升 23.1% ，每米改造體積提升 41.2% ，測試產量提升近 100%（11.6 萬 m³/d 提升至23.6萬 m³/d。

4結論

（1）采用三維離散格子法研究了層間巖石力學性質及層理面性質對水力裂縫穿層擴展的影響，對比了層間應力差、層間巖石彈性模量差異、層理面傾角、層理面內聚力、垂向/水平應力差異、注入排量等因素下的穿層擴展行為，并建立了穿層擴展判別圖版，指導了紅星地區地質工程甜點優化。

（2）當上部遮擋層和下部遮擋層的水平最小主應力小于儲層 5～10MPa 時，水力裂縫傾向于穿層擴展。隨著上部遮擋層和下部遮擋層的彈性模量增大，水力裂縫的垂直擴展更易實現，裂縫高度逐漸增加，得到了與傳統理論不盡相同的認識?，F場實踐中，高彈性模量地層往往伴生高應力值，高應力地層限制了水力裂縫穿層擴展，但從巖性角度可能被誤認為彈性模量所致。

（3）初步考慮單簇排量、垂向應力差、水平應力差、層理內聚力等因素建立了水力裂縫穿層擴展圖版，并在涪陵地區紅星頁巖氣調整地質工程甜點中取得具體應用。但后續應充分考慮壓裂液黏度、層理濾失、層理密度等因素繼續迭代升級圖版。

（4）初步分析了影響層理開啟的主控因素，但結果仍不能完全解釋北美初次壓裂后取心層理激活相對不足的問題，后續需要充分考慮巖石力學性質、縫內凈壓力等因素校正水力裂縫穿層擴展理論。

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