不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响*
2016-12-19赵海军马凤山冯雪磊
赵海军 马凤山 刘 港② 郭 捷 冯雪磊②
ZHAO Haijun① MA Fengshan① LIU Gang①② GUO Jie① FENG Xuelei①②
不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响*
赵海军①马凤山①刘 港①②郭 捷①冯雪磊①②
储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow，在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上，对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论，研究结果表明：(1)当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时，在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区，水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制； (2)层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著，当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时，层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用，当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时，最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用，随着优势结构面的增多和差应力的增大，水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大； (3)储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程，尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式，增大水力裂隙扩展高度，但相比于储层埋深，水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。
页岩气 水力压裂 结构面 断层 裂缝网络
ZHAO Haijun①MA Fengshan①LIU Gang①②GUO Jie①FENG Xuelei①②
0 引 言
页岩气是指以吸附、游离或溶解状态赋存于泥页岩地层中的天然气，具有自生、自储、吸附成藏等地质特点(Curtis， 2002； 张金川等， 2004)。全球页岩气技术可采资源总量为187.6万亿立方米(姜福杰等， 2012)。尽管页岩气资源丰富，但是页岩气储层孔隙度、渗透率极低(一般小于1mD)，储层内的天然节理、裂隙通常无法提供经济开采所需的渗流通道，因而需要对储层进行人工水力压裂改造，使岩体开裂、节理裂隙活化贯通形成具有高度水力联系的缝网结构(Cipolla， 2008； 唐颖等， 2011)，以提高储层岩体的渗透性和页岩气产量(BC Oil and Gas Commission， 2012； Bunger et al.，2013)。
储层岩体内的天然裂缝是水力压裂形成复杂缝网结构的基础(Gale et al.，2007)，水力裂缝遇到天然裂缝时的止裂、转向、分叉和穿过等力学行为是水力压裂形成复杂裂缝网络的主要机制(周健等， 2008； 张然等， 2014; 侯振坤等， 2016)。水力压裂条件下，不同尺度、不同强度的岩体结构面与水力裂缝的相互作用机制和扩展贯通模式往往有着较大的差别。由于岩体天然结构面的强度通常远小于岩石基质的强度，在水力压裂引起的差应力增高及储层非均质缺陷等因素影响下，储层岩体内通常不仅发生小尺度裂隙的张-剪破坏，还存在节理和断层等大尺度结构面的张拉、剪切、滑移和错断等复杂的力学行为(郭印同等， 2014; 姜浒， 2014; 李芷等， 2015)。
正是由于水力压裂条件下天然缝网的活化贯通对页岩储层水力压裂改造效果具有极其重要的影响，因而许多学者进行了理论分析和试验分析(Eshiet et al.，2013; Liu et al.，2014; Zhou et al.，2014)。例如，周健等(2008)、张然等(2014)对水力裂缝与天然结构面的相互影响和作用机制进行了研究，李芷等(2015)、门晓溪等(2014)对受层理影响下的水力压裂裂缝扩展规律进行物理模拟和数值模拟分析。然而，以往研究建立的水力裂缝与天然裂隙相互作用准则及破坏机制是在一些力学和数学假定条件下提出的，建立的力学模型和相似模型与实际情况差别较大，裂缝扩展过程中的水力耦合破坏过程难以精确刻画，提出的相互作用准则或机制只适用于特定模型和条件。此外，作为储层岩体中大尺度的结构面，断层不仅会对水力压裂裂缝扩展方向及缝网形态产生重要影响(Alexander et al.，2011; Fisher et al.，2011)，其自身也存在受大规模压裂开采扰动而发生活化变形和破坏的问题(Maxwell et al.，2008; Soltanzadehet al.，2009; De Pater et al.，2011; Warpinski， 2011; Rutqvist et al.，2013)，以及由此引发的环境问题(Gregory et al.，2011; Rozellet al.，2012; Brantley et al.，2014)。受水力压裂影响，断层活化导致的封闭性的破坏，会为地下流体、污染物提供运移通道(Osborn et al.，2011; Myers， 2012; Allen et al.，2013; Vidic et al.，2013; Warner et al.，2013)，会造成压裂流体泄露和环境污染问题(Kharak et al.，2013； Jackson et al.，2013)，还存在剪断水平井套管、诱发地震活动等灾害问题(Das et al.，2011; Refunjol et al.，2011; BC Oil and Gas Commission， 2012； Ellsworth， 2013; Warpinski， 2013)。
本文基于RFPA2D-Flow软件，从细观力学角度出发，考虑岩石材料的非均质性及裂隙萌生、扩展的渗流-应力-损伤破坏耦合影响，对水力裂缝与小尺度天然裂隙相互作用机理与扩展贯通模式进行了模拟分析，对受层理等优势结构面影响的水力压裂裂缝扩展演化规律进行了模拟分析，最后对大尺度断层结构影响下的水力压裂裂缝扩展进行了模拟分析，最后对不同尺度岩体结构面影响下的水力裂缝扩展机理及断层封闭性和活动性问题进行了讨论，研究结果对页岩气储层水力压裂设计和页岩气开发环境效应问题的研究具有一定的参考意义。
1 数值模型与试验方案
储层水力压裂是水力耦合作用下的岩体动力破坏过程，数值模拟方法及模拟试验工具的选择必须要能体现岩体在水力作用下的破裂、失稳过程。纵观目前水力压裂数值模拟方法和软件平台，RFPA2D-Flow是一个能够综合考虑岩体非均质性和裂缝扩展渗流-应力-损伤破裂的试验工具，可以对水力作用下的裂缝形成与演化行为进行模拟，其原理和计算结果的可靠性在许多文献中已有详细介绍(Tang et al.，2002; 李连崇等， 2003; 杨天鸿等， 2004; 门晓溪等， 2013)，本文不再赘述。本次研究基于该软件平台，对水力压裂裂缝扩展的结构面效应进行了多方面的模拟分析。
在水力裂缝与天然微裂隙相互作用模型方面，本文考虑了两个长椭圆形裂隙组合的平面应变模型。模型的几何尺寸为1000mm×1000mm，划分600×600个单元。水力裂缝与天然裂隙尺寸相同，长轴100mm，短轴5mmm，水力裂缝中心位于模型中心位置，天然微裂隙中心与水力裂缝中心在同一水平，两者中心相距100mm，天然微裂缝的倾角分别取0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。模型边界上水平及竖直方向围压分别为12MPa和8MPa。经前期多次试算，本研究中水力裂缝内壁施加15MPa的初始水压，单步增量为0.2MPa，直至裂缝扩展引起试样的宏观破坏。模型材料单元体力学非均质性服从Weibull分布函数，在模型参数中以均质度表征(Tang et al.，2002)。本项研究是从微观角度研究水力裂缝扩展与闭合裂隙与非闭合微裂隙相互作用规律，因而均质度相比其他模型设置高一些。以天然微裂隙倾角60°为例给出了该计算模型示意图 (图1)，模型材料力学输入参数(表1)。
图1 水力裂缝与天然微裂隙面模型示意图
表1 模型材料力学参数
Table1 Values of parameters in the numerical calculation
参数裂隙/层理断层岩石基质均质度223,7弹性模量/GPa151530泊松比0.30.30.25摩擦角/(°)252537抗压强度/MPa100100200抗拉强度/MPa101020渗透系数/m·d-10.010.010.001孔隙率0.10.50.1耦合系数0.10.30.01孔隙压力系数110.5
在储层层理结构面对水力压裂裂缝扩展影响方面，本文考虑了无结构面影响的对比模型、单组层理和两组交切结构面影响的模型这3种情形。
图2 层理结构面影响的水力压裂模型示意图
模型的几何尺寸和划分单元数与上述相同，层理间距20mm，单条层理厚度为一个单元的大小，水力压裂孔位于模型中心，圆孔半径为20mm。在单组层理模型中，层理倾角分别设置为0°、15°、30°、45°、60°和75°，模型边界上水平及垂直方向的围压分别为12MPa和8MPa。在交切结构面模型中，设置倾角为0°和30°的两组节理。鉴于数值计算模型应力承载局限，模型边界上水平及垂直方向的围压分别为12MPa和8MPa， 10MPa和10MPa两种地应力条件。在恒定注入率为0.1m3·s-1m-1条件下，模拟水力压裂过程，研究交切结构面在水平地应力与垂向地应力比值σH/σh为1.5倍和1倍情况下水力裂缝的扩展情况。在此，以层理倾角30°为例，给出了层理结构面影响的水力压裂模型示意图 (图2)，模型输入参数(表1)。
在断层结构对水力压裂裂缝扩展影响方面，本文考虑了压裂孔位于陡倾断层上盘和下盘两种典型情况。模型的几何尺寸和划分单元数与上述相同，本研究中断层带倾角设置为70°，断层带厚度设置为20mm，压裂孔半径20mm，压裂孔中心与断层边界水平距离150mm。模型边界上水平及垂直方向的围压分别为10MPa和8MPa，采用较为合理的注入率模拟断层对水力压裂裂缝扩展的影响。在此，给出了压裂孔位于陡倾断层上盘时的计算模型示意图 (图3)，模型输入参数见表1所示。
图3 断层带影响的水力压裂模型示意图
2 模拟结果与分析
2.1 水力裂缝与天然微裂隙相互作用
在远场应力及注水压力持续增大条件下，水力裂缝在其两端会出现拉张应力区，在靠近天然裂隙面一侧，天然裂隙的存在会改变局部应力场的分布规律，在水力裂缝与天然裂隙之间会产生拉张应力区，该区域微元体的张拉破坏会为水力裂缝的扩展提供有利扩展条件。图4 为水力裂缝与不同倾角非闭合微裂隙相互作用的模拟结果。从图上可以看出，除直立微裂隙模型外，水力裂缝均与靠近水力裂缝一端天然微裂隙发生相互“吸引”式的转向扩展和贯通破坏，并没有出现水力裂缝径直扩展并穿越天然微裂隙的现象。不同产状微裂隙模拟结果的细微不同之处在于：当天然微裂隙倾角小于等于60°时 (图4a～d)，水力裂缝与天然微裂隙产生的张拉破坏没有迎面对接贯通，而是水力裂缝扩展破坏区于天然微裂隙下端三分之一处相贯通； 当天然微裂隙倾角达到75° (图4e)，水力裂缝扩展破坏区与天然微裂隙近于中部破坏区对接贯通； 当天然微裂隙直立时 (图4f)，水力裂缝也并非径直与天然微裂隙贯通， 此外在图4 所有的模型中，远离水力裂缝一端的天然微裂隙均出现了翼形裂缝扩展破坏，并且该破坏区域范围随水力裂缝扩展的进行逐渐扩大。
图4 不同倾角非闭合微裂隙对水力裂缝扩展的影响
模型微单元体的破坏往往伴随着显著的声发射活动，为了研究水力裂缝与天然微裂隙相互作用的微元体破裂细观过程，图5 给出了以倾角60°的天然微裂隙为例的声发射图分布图。从图中可以看到，在水力裂缝水压力增加初期，水力裂缝两尖端最先出现了较为密集的声发射事件 (图5a)，随着水力裂缝内水压力的不断增大，水力裂缝与天然微裂隙周围的应力场会发生一定的变化，在水力裂缝与靠近天然微裂隙一端区域内产生了拉张应力区，并且在远离水力裂缝的天然微裂隙一端也会出现拉应力集中区。上述特征，可以在图6 中的水力裂缝与天然微裂隙相互作用主应力迹线分布图中得到诠释。从图6 中可以明显的看到，在两裂隙区间及周围，主应力迹线发生了显著偏转，在水力裂缝两端及天然微裂隙上端靠外侧区域转变为拉张应力区。随着水力裂隙与天然微裂隙间单元体拉张破坏和转向扩展 (图5c)，水力裂缝与天然微裂隙扩展破坏区最终贯通 (图5d)。从裂缝扩展贯通过程可以看出，远离水力裂缝一端的天然微裂隙翼形破坏区并非是水力裂缝贯通后的继续扩展破坏，而是水力裂缝受注水压力增大及裂缝扩展导致的天然微裂隙尖端应力场偏转所诱发的渐近式拉张破坏行为。
图5 水力裂缝与非闭合微裂隙相互作用声发射图
图6 水力裂缝与非闭合微裂隙相互作用主应力迹线分布图
图7 不同倾角闭合微裂隙对水力裂缝扩展的影响
闭合微裂隙对水力裂缝扩展的影响显著区别与上述非闭合裂隙。不同倾角闭合微裂隙对水力裂缝扩展的影响模拟结果(图7)。从图上可以看出，在闭合裂隙倾角小于等于75°时，水力裂隙与闭合裂隙沿袭了相互“吸引”式破坏的特征。然而，当裂隙产状直立时，水力裂隙径直扩展，直接穿越闭合裂隙。在闭合裂隙影响模拟的声发射特征方面，依然延续了前述非闭合裂隙的特征，无论是水力裂隙的扩展，还是闭合裂隙牵引式的破坏，均以微元体渐渐式张破坏为主要特征。
图8 天然微裂隙倾角与模型失稳的临界压力关系
水力裂缝与不同倾角天然微裂隙扩展同样存在应力累积阶段、裂纹稳定扩展和非稳定扩展3个典型阶段。不同倾角天然微裂隙影响下的水力裂缝起裂压力一致，但是存在一定的差异。如图8 所示，对于闭合裂隙，水力裂缝贯通失稳的临界压力在小范围内起伏，规律不明显。相比之下，对于非闭合裂隙，当天然微裂隙倾角小于60°时，模型失稳的临界压力随天然微裂隙倾角的增大而增大，尤其是倾角小于30°时增幅比较明显， 30°到60°区间增幅变缓，当倾角大于60°时，模型失稳的临界压力保持一致，不再发生变化。由此可见，水力裂隙与天然微裂隙小角度相交时，有利于水力裂缝的扩展和贯通，而大角度相交时，天然裂隙对水力裂缝扩展的阻碍作用逐渐增强。
2.2 层理结构面对水力压裂裂缝扩展影响
储层水力压裂改造形成具有水力联系的缝网结构，其中泥页岩天然层理结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著。为了对比研究受层理结构面影响的水力压裂裂缝扩展特征，首先进行了无结构面的非均质岩体水力压裂模拟试验，模拟结果如图9 所示。从图9 中可以看到，无结构面影响水力压裂获取了在围绕压裂井的密集裂缝网络。因为模型最大主应力为水平方向，因而椭圆形裂缝区域的长轴方向与水平最大主压应力方向一致，裂缝发育密集，而纵向方面裂缝发育程度则较低。此外，水力压裂施工过程中的压裂排量大小对水力压裂效果的影响，也在研究中得到充分的体现。对比图8a和图9b中不同排量水力压裂缝网密度和形态特征发现，压裂排量大小与激发产生的裂缝数量和改造区域大小具有正相关关系，后续的模拟所采用的压裂排量与图9b相一致。
图9 无结构面影响的水力压裂裂缝网络模拟结果
图10 不同倾角单组层理结构面对水力压裂裂缝扩展的影响(孔隙水压力分布图)
图10为不同倾角单组层理结构面影响下的水力压裂裂缝扩展模拟结果。从图上可以看出，水力压裂产生的裂缝网络受层理结构面影响十分显著，压裂产生的水力裂缝主干网络沿层理结构面展布，尤其在层理结构面倾角小于等于60°时，这一特征最为显著。当层理结构面倾角大于等于75°时，远离压裂孔的水力裂缝发生了一定的偏转，其扩展方向趋同于水平最大主应力方向，该特征在图10f中75°层理结构面模型中体现的最为明显。在陡倾产状条件下(图10f)，水力压裂孔左侧一开始就出现了穿越层理结构面的水力裂缝，而且此裂缝带与最大主压应力方向一致。由此可见，在缓倾层理结构面控制的压裂储层中，层理结构面的走向对水力裂隙的扩展起控制作用，而随着层理结构面倾角由缓变陡的过程中，最大主压应力在控制水力裂缝发育主控方向方面逐渐发挥重要影响。
通常情况下，压裂储层内可能存在两组或两组以上的优势结构面，原生结构面的交切组合有利于储层压裂形成密集和大区域的缝网结构。图11 给出了受倾角0°和30°两组交切结构面影响的水力压裂裂缝扩展模拟结果。对比图10 可以发现，受两组交切结构面影响的储层压裂产生的水力裂缝数量和改造区域明显要优于单组结构面的情形。此外，在研究过程中也考虑了压裂储层地应力环境对压裂缝网形态的影响。在图11 中，当水平应力与垂直应力比值σH/σh为1.5时(水平应力12MPa，垂直应力8MPa)(图10a)，水力激发的裂缝网络呈长椭圆形，长轴基本上与水平最大主应力一致。当水平应力与垂直应力比值σH/σh为1时(水平应力12MPa，垂直应力12MPa)(图11b)，同等计算时步条件下(可表征为水力压裂持续时间)，水力激发的裂缝网络大小要逊于前者，在裂缝数量减小的同时，裂缝网络区域形态趋近圆形。
图11 不同地应力环境下两组结构面对水力压裂裂缝扩展的影响(孔隙水压力分布图)(相同压裂持续时间)
2.3 断层结构对水力压裂裂缝扩展影响
如前所述，断层构造在储层封闭性和压裂开采的环境效应问题方面都有重要影响。图12 给出了受断层带影响的水力压裂裂缝扩展模拟结果，压裂孔分别位于断层上盘和下盘两种情况时，受断层带影响的水力压裂缝网形态有着明显的差别。如图12a所示，当压裂孔位于断层上盘时，水力裂缝进入断层带后会沿断层带向上扩展，极大地提高了水力裂缝的发育高度。此外，受水平最大主压应力影响，部分裂缝穿越断层带沿水平方向扩展。当压裂孔位于断层下盘时，从图12b中可以看到，断层带的存在对水力压裂裂缝扩展方向产生了明显影响，水力裂缝沿断层带向下纵深扩展，同样受水平最大主压应力影响，部分水力裂缝直接穿越断层向外扩展。相比而言，压裂孔位于断层上盘时，断层带对水力压裂裂缝扩展形态和水力改造范围影响更为显著。
图12 断层带影响的水力压裂裂缝扩展模拟结果
为研究断层带影响下的水力压裂破坏渗流过程，以压裂孔位于断层上盘为例，图13 给出了受断层带影响的水力压裂渗流矢量场。由于本研究模型中预置的断层带渗透性较压裂储层渗透性高一个数量级，因而在压裂初始阶段 (图13a)，沿断层带方向渗流矢量表现的比较明显。随着压裂过程的持续，压裂产生的水力裂缝沿断层带进行扩展的同时，产生了穿越断层破坏带的渗流矢量分布 (图13b)。在水力压裂后期，从图13c，图13d中可以看到，压裂过程中的水力耦合作用主要体现在3个方面：激发远离断层一侧的水力破坏，诱发沿断层带的水力破坏和穿越断层带的水力破坏。
如前所述，水力压裂施加的排量大小对储层缝网的改造范围具有显著影响，同样，压裂过程中的排量大小对断层的扰动方式和扰动程度也有一定差异。当排量较小时 (图13a)，压裂产生的水力裂缝进入断层带并沿断层带短距离扩展后，随即发生转向穿越断层沿水平最大主压应力方向扩展。相比之下，当排量增大到本文正常采用的排量时 (图13b)，压裂产生的水力裂缝沿断层带向上扩展的优势十分明显。由此可见，在断层影响区，低排量压裂对于保持断层封闭性，减轻断层活化范围和活化程度是比较有效的措施。
图13 断层带影响的水力压裂渗流矢量场
图14 低排量压裂时水力裂缝与断层相互作用(最小主应力分布云图)
3 讨 论
3.1 天然微裂隙对水力裂缝扩展的影响
在水力裂缝与天然裂隙相互作用方面，国内外学者进行了多方面的研究，并提出了不同的判别方法。Daneshy(2003， 2004)研究指出天然裂缝的尺寸对水力裂缝扩展影响较大，小尺度的天然裂缝对水力裂缝扩展影响很小，但大尺度的天然裂缝可显著改变水力裂缝扩展的方向。Norman et al.(1963)通过实验认为天然裂缝的方位、强度及主应力差是影响水力裂缝与天然裂缝交互行为的主要因素。Blanton(1986)指出水力裂缝与天然裂缝间的差应力大小和相交角度是影响水力裂缝扩展方向的主要因素。Warpinski et al.(1987)研究指出水力裂缝遇天然裂缝时，水力裂缝进入天然裂缝后，天然裂缝发生剪切破坏导致水力裂缝沿其继续扩展。Renshaw et al.(1995)研究表明，水力裂缝垂直于界面拓展时，流体会沿着界面渗透一段距离后突破界面并沿原方向延伸，但只建立了逼近角为90°时的穿过判断准则。周健等(2008)通过物理模拟实验认为，水力裂缝与天然裂缝间的岩石力学性质、主应力差、裂缝面摩擦系数及两者逼近角度是决定天然裂缝是否发生剪切滑移的主要因素。张然等(2014)基于弹性力学理论建立了水力裂缝穿越天然裂缝的判断准则，并给出了给定逼近角情况下水力裂缝穿越天然裂缝的主应力比值范围。程万等(2014)通过对三维空间下水力裂缝尖端应力场以及天然裂缝面应力场分析，建立了水力裂缝穿过天然裂缝的判别准则，并采用大尺寸真三轴水力压裂实验模拟研究了不同产状天然裂缝、地应力对水力裂缝扩展的影响。
以往关于水力裂缝与天然裂缝相互作用研究模型有3个鲜明特点：(1)在天然裂隙模型方面，几乎在所有的理论模型和物理模型中，天然裂隙都被假定为闭合裂缝或制作成一定厚度的充填裂缝； (2)在水力裂隙与天然裂缝间距离方面，无限逼近角的存在实际上已经假定水力裂缝尖端与天然裂缝边缘处于无限接近状态； (3)在水力裂缝扩展接近和进入天然裂缝内的过程方面，理论模型中都假定水力裂隙沿远场水平最大主应力方向直线扩展。基于上述特点，以往研究趋同于认为，水力裂缝遭遇天然裂缝时存在两类情况：一种是水力裂缝直接穿过天然裂隙扩展，另一种是水力裂缝首先进入天然裂隙，裂缝内孔隙水压力增大导致其剪切破坏，然后水力裂隙沿其扩展并在其端部转为翼形扩展。因此，逼近角度、水平应力差往往被视为水力裂缝穿越天然裂缝或导致天然裂隙剪切破坏的关键因素，并以此确定临界逼近角或临界水平应力差。
图15 水力裂缝扩展与闭合裂隙和非闭合裂隙相互作用贯通示意图
然而，通过大量模拟试验研究表明，天然裂缝的长度、闭合性，以及与水力裂缝间的距离这些因素，都会显著改变两裂缝间岩体及裂缝周围应力场的分布，继而产生与以往研究不同的裂缝相互作用机理和贯通模式。本研究将尺寸较大的结构面归为层理和断层结构面影响，此处的天然微裂隙与水力裂缝尺寸相同，从两者相互作用模型的几何尺寸来讲，与以往模型是相似的。通过研究发现，受水力裂隙扩展尖端应力场重分布及非闭合裂隙对局部应力场的影响，当水力裂缝扩展靠近有限尺寸非闭合裂隙时，水力裂缝扩展尖端与非闭合裂隙间的主应力迹线会发生一定角度的偏转 (图6b)。在水力裂缝靠近非闭合裂隙一端，最大主应力趋同于两裂缝尖端连线的方向，而且最小主应力也由此前的压应力转为拉张应力。从图5 中可以看出，正是由于水力裂缝尖端密集张破坏与非闭合裂隙间微元体累进性的张破裂的发展，才最后导致了水力裂缝与天然非闭合裂隙的贯通，而且这一规律体现在多种典型的边界应力环境下。此外，正如声发射过程图5 和应力场图6 所示，在远离水力裂缝的非闭合裂隙一端，由于受非闭合裂隙周围应力场的偏转影响，最小主应力由压应力转为拉张应力。在水力裂隙与非闭合裂隙未贯通前，远离水力裂缝的非闭合裂隙一端就已经逐渐产生了拉张破坏区，并非是水力裂缝与天然裂隙贯通后的水力裂隙扩展所致。
通过对模拟结果的概化，可建立水力裂隙与天然微裂隙相互作用贯通模式简易示意图 (图15)。除直立裂隙外，无论是闭合还是非闭合微裂隙，水力裂隙与微裂隙相互作用和贯通模式相近，不同之处在于闭合裂隙贯通后容易出现沿着天然裂隙的分叉扩展行为。对于直立裂隙来讲，只有闭合裂隙才存在水力裂隙径直穿过的情况，非闭合直立裂隙依然沿袭陡倾非闭合裂隙贯通扩展模式。总而言之，图15 归纳出了水力裂隙与天然裂隙相互作用的3个典型破坏区：(1)贯通区-水力裂缝与微裂隙间累进性张破坏区； (2)微裂隙尖端扩展区-裂隙尖端应力场偏转所诱发的渐近式张破坏区； (3)分叉扩展区-水力裂缝贯通闭合裂隙后，沿微裂隙继续扩展过程中流体压力大于小主应力与岩石抗拉强度之和出现的穿出破坏区。
3.2 优势结构面对水力破坏与压裂缝网形态的影响
页岩储层中的层理、天然裂缝等非连续优势结构面的存在是储层水力压裂改造形成复杂水力裂缝网络的前提。由于天然结构面的强度远小于岩石基质的强度，因而在高水压力作用下，天然结构面的法向拉应力达到其抗拉强度时，结构面会优先发生张拉破坏。高压流体进入天然结构面后，存在继续以张拉破坏为机制的水力扩展行为，也存在主应力偏转、储层非均质缺陷等因素影响下的剪切破坏或转向、分叉等复杂力学行为。
尽管目前针对水力裂缝与天然裂缝相互作用机制的研究较多，但都集中于单一水力裂缝与一条天然裂缝相互作用的研究。针对页岩储层层理等优势结构面对水力压裂裂缝扩展的影响研究不多，例如，李芷等(2015)依据Chuprakov et al.(2010)认为的层理面非对称性张开模型，建立了层理面张-剪破坏的理论模型，定义了量纲化的张开区长度和剪切区长度，并认为层理剪切区为流体提供主要导流通道，然而该研究只是基于理论模型，缺乏关于水力裂缝与层理面相互作用的张破坏和剪破坏区实证。孙可明等(2016)基于扩展有限元法对层理结构面影响下的水力压裂进行了模拟，发现层理法向与最小地应力方向夹角增加时，形成的裂纹面积减小，但该研究仅是对单个层理面的扩展研究，没有考虑成组节理面的协同效应和差应力对层理扩展的影响。许丹等(2015)针对页岩储层中具有一定厚度的纹层结构对水力裂缝扩展影响进行了研究，纹层结构较薄时可视为储层岩体层理结构面，但其试验激发的主裂缝空间展布并非紧密围绕压裂井，弱纹层结构面也未成为主水力裂缝通道。衡帅等(2015)研究了受页岩层理影响的断裂韧性各向异性研究，并进行了页岩水力压裂试验，试验验证了层理结构面在压裂缝网形成中的诱导和控制作用。从上述研究可以看出，以往关于层理等优势结构面对水力压裂裂缝扩展的影响主要集中在物理模拟方面，相比于小尺度样品压裂，甚至是相似材料压裂试验，真三轴大尺度页岩水力压裂试验在反映层理结构面对压裂缝网形成过程中的影响和控制作用更为显著和真实。此外，在数值模拟方面，由于水力压裂裂缝扩展是一种非稳态的扩展(Daneshy， 2004)，目前具备模拟多结构面影响下的水力压裂破坏的模拟方法和软件十分稀少。门晓溪等(2013)采用RFPA软件研究了页岩层理面对水力压裂裂缝网络的影响和控制作用，该研究采用缓慢的水头加载方法模拟压裂过程，相对而言是一种静态加载压裂过程，与真实的大排量快速动态水力压裂破裂机制有别。本研究是基于排量法模拟真实压裂过程，并建立了多组层理结构面模型，从模拟结果图10 和图11 来看，它反映的层理结构对水力压裂裂缝网络形态的控制作用更为显著。
图16 单组层理结构面对水力压裂裂缝扩展的影响
图17 页岩气水力压裂造成的岩体破坏、断层活动和(微)地震来源(a)，北美页岩气产量与页岩储层压裂诱发地震次数关系图(b)
由于储层中弱结构面的抗张、抗剪强度都往往要低于岩石基质的抗张、抗剪强度，因而在水力裂缝扩展过程中，天然弱结构面更易于优先破坏，导致水力裂缝顺其扩展而沟通更远区域的结构面。在岩石破坏中，张破坏机制发挥着重要作用。高水压力作用下，压裂岩体局部应力状态发生较大改变，当空隙水压力超过最小主应力σ3与岩石的抗拉强度之和时，在垂直于σ3方向，裂缝起裂形成张开型裂缝，非均质岩石单元体微观张破坏累积和贯通往往会导致岩石最终的宏观剪切破坏。正如图16 所示，在水力裂缝沿层理结构面扩展过程中，水力裂缝扩展尖(前)端最小主应力均为拉张应力，而且其对应的声发射图上可以看出，水力裂缝沿层理面扩展过程中，层理面的破坏以张破坏为主，剪破坏仅零星分布(见图16b右上白色圈点分布)。然而，在实际压裂过程中，岩石裂隙结构的张-剪混合型破裂是十分普遍的。在局部应力场中，水力裂缝很有可能在空隙水压力未达到σ3时就已经发生了剪破坏。水力压裂形成的裂缝开度方面，张破坏形成的水力裂缝往往会因压力的消散而发生不同程度的闭合，而剪切破坏形成的水力裂缝其开度会得以较好的保持，因此，水力压裂过程中剪切破坏为主导的裂隙网络则是最有利于页岩气的渗流和产出的水力缝网结构(Colleen Barton， 2009; Ellsworth， 2013)。此外，从图8 所反映的不同倾角单组层理结构面对水力压裂裂缝扩展的影响来看，水力裂缝在起裂扩展初期都是沿着层理弱结构面起裂的。本文模型中的最大主压应力为水平方向，层理结构面倾角较小时，主水力裂缝沿层理结构面扩展，反映出了层理面对水力压裂裂缝扩展的重要影响和控制作用。随着层理面倾角的增大，水力裂缝扩展优势方向受层理走向控制逐步减弱，受水平最大主压应力影响逐步增强，裂缝开始贯穿层理结构面，发生转向、分叉等形成较为复杂的裂缝网络。当压裂储层受两组优势结构面影响时，如图11 所示，总体上压裂形成的主水力缝网仍沿原有的优势结构面张开而扩展，而且较高的差应力环境有利于压裂裂缝的形成和改造区域的扩大。
3.3 水力压裂对断层活动性和封闭性的影响
储层压裂区断层的存在会对水力压裂缝网形态和压裂效率产生不利影响，而且水力压裂也会对断层局部的封闭性产生一定影响。如图17 所示，断层带作为一种大尺度的结构面，由于其内部物质抗拉、抗压强度均小于储层岩石基质，因而当水力裂缝扩展进入断层带后，容易引发断层结构的水力破坏，极大提高裂缝的发育高度的同时，可能会造成大尺度断裂结构活化和诱发地震等问题(BC Oil and Gas Commission， 2012)，导致断层结构局部封闭性失效(Ellsworth， 2013)，为油气和压裂液向上运移提供通道(Myers， 2012)，继而可能威胁浅表地下水和生态环境(Vidic et al.，2013； Brantley et al.，2014)。
断层封闭性是指断层对油气的封闭能力(吕延防等， 2005)，以往对断层封闭性的研究主要集中在断层结构和物性方面(俞凌杰等， 2011)，是一种静态条件下的断层原始封闭性的研究(黄学等， 2008)。传统油气开发中，泥页岩作为油气封闭盖层，在页岩气中泥页岩作为储层时，封闭机制发生改变。从工程地质力学研究的角度，页岩储层中的断层封闭性主要是以断层垂向渗透性为主要研究对象。在本文中，如图12 和图13 所示，受水力压裂影响，在水力压裂影响范围内，水力裂缝沿断层带扩展，断层垂向渗透性增强，成为快速渗流的通道。
由于储层压裂区域地应力、地质构造条件和压裂参数的差异，高压流体时常会诱发尺寸较大断层结构的剪切活化，导致断层封闭性失效。大尺度断层结构的活化不仅会影响水力裂隙的扩展方向和范围，还会诱发能级较高的地震活动。如图17 所示，近年来，北美页岩气产量与页岩气开发过程中的地震次数呈现正相关关系，其中，有几例与页岩气储层水力压裂活动有关联的、地震震级高于常规压裂微地震震级的地震事件，例如， 2011年英国Blackpool附近的Preese Hall页岩气井区相继发生了两起显著的地震活动事件，震级分别为1.5和2.3级，Depater et al.(2011)通过场地调查研究发现，压裂范围内存在一个先前未曾探明的隐伏断层，压裂流体进入到该隐伏断层诱发了断层活化； 在2011年1月，位于美国俄克拉荷马州的Eola field页岩气井区，在压裂作业后的24h内发生了43起震级1.0～2.8级的地震活动，震中分布在压裂井周围5km内，俄克州地调局通过场地调查和室内压力扩散物理模型研究发现，无论在发震时间上还是在空间上，该地震活动都与水力压裂作业有着密切的联系(Holland， 2011)； 宾夕法尼亚州的Marcellus页岩是美国最主要的页岩气田之一，该页岩气田所在区域的天然地震活动属于较低水平，但自2005压裂作业以来，密集发生了6起2.0级以上的显著地震事件，最大震级2.3级(Ellsworth， 2013)，地震活动的位置和时间都显示出了与压裂作业的高度相关性(Kim， 2013)； 此外， 2009年加拿大西部Hom River Basin页岩气田也发生了一系列显著的地震事件，最大震级3.6级(BC Oil and Gas Commission， 2012)； BC油气委员会研究发现(BC Oil and Gas Commission， 2012)，在压裂井附近发育多条断层，水力压裂过程中高压流体侵入断层带，处于临界应力状态的断层发生活化破裂产生了地震活动。
在流体压力作用下的断层活化破裂的力学机理上，页岩气储层压裂工程与其他传统注入工程触发的地震活动是相似的，都可以从有效应力模型中得到解释。传统深部注入工程曾经诱发的地震活动相对较为强烈，例如美国Rock Mountain Arsenal污水回注诱发的地震活动最高震级达4.8级(1967.8)(Ellsworth， 2013)，美国Paradox Valley咸水回注诱发的地震活动最高震级达4.3级(2005.5)(Ellsworth， 2013)，这些诱发地震都已经达到了破坏性地震的标准(Gutenberg et al.，2010)。但是，相比于传统深部注入工程，页岩气储层压裂具有如下几个主要方面的特点：(1)尽管压裂流体注入率高，但分段压裂过程短，通常持续2个小时左右(DOE， 2013; Rutqvist， 2013)； (2)由于压裂持续时间很短而且是局部的，因此在低渗透性岩层中，流体压力扩散仅在离水力裂缝很近的区域(Smith et al.，2000)； (3)相比于传统深部注入工程，水力压裂向地层中注入的流体体积很小，而且还有一部分压裂液返排至地表(DOE， 2013)，因此，地层内总体净注入体积小； (4)大部分具备工业开发价值的页岩气(Curtis， 2002; Bowker， 2007)储层厚度多在数十米范围内，储层厚度小埋深大，压裂对地层应力场的扰动限制在局部范围； (5)考虑到具备工业开发价值的页岩气储层的保存条件(聂海宽等， 2012)，目标压裂区存在处于临界应力状态的深大断层的可能性极小； (6)由地震震级能量关系知，相邻两个地震震级间能量约为32倍(Hanks et al.，1979; Gutenberg et al.，2010)，激发处于临界应力状态的断层发生更高能级的地震活动需要稳定和持续的高压注入支撑。简言之，页岩气储层水力压裂虽然会诱发小尺度断层结构的活化破裂和微地震活动，但是压裂作业区很难兼备触发破坏性地震的地质条件和能量支撑条件。目前数起与页岩气水力压裂有关地震震级都较小，震级在2.0级左右，最大为3.6级，未产生破坏或对生产设施等构成威胁。相比于全球每年1.3×105次3.0～3.9级，及1.3×106次2.0～2.9级(US Geological Survey， 2015)的天然地震，页岩储层水力压裂引起的断裂活化和触发地震影响是很小的。
当压裂区内断层带发生活化时，水力裂缝沿断层带的发育高度可作为断层活化范围的一个重要指标。如图18 所示，目前研究表明，与断层发生活化有关的水力裂隙发育高度可达正常高度的1～2倍，其中大于350m的约占1%(Davies et al.，2012)。在本文的研究中，对比图8b和图11a可以发现，水力裂缝沿断层带向上扩展，受断层影响的水力裂缝发育高度基本为正常值的2倍，与以往文献研究高度一致。另外，根据(Warpinski et al.，2012)提供的地震震级、能量及滑动面积、滑动半径及位移量关系可以的出，水力压裂激发小尺度节理裂隙缝网活化产生的微地震(震级<-1.0)，剪切活化半径在11m以内甚至更小尺度内，而由断层活化触发较高能级地震活动时，剪切活化区域仅在仅在百米左右，相比2000～3000m的储层埋深，断层活化范围也只是局部性的。由此可见，尽管压裂诱发的断层活化可以增大水力裂隙纵向扩展的高度，但其纵向活化破坏的范围还是十分有限的。
图18 断层影响下的水力裂隙发育高度影响模型、实际统计结果及模拟结果
4 结 论
本文对不同尺度岩体结构面影响下的水力压裂裂缝扩展行为及规律进行了模拟分析和讨论，得出以下主要结论：
(1)储层岩体中的天然裂隙是水力压裂形成复杂裂缝网络的基础，水力裂缝与一定距离范围内的非闭合裂隙相互作用机制和贯通模式有别于天然闭合裂隙。受水力裂隙扩展尖端应力场重分布及非闭合裂隙对局部应力场的影响作用，在水力裂缝靠近非闭合裂隙区域，主应力迹线发生偏转，形成拉张应力区，水力裂缝与非闭合裂隙间微元体的累进性张拉破坏，最终导致了水力裂缝与天然非闭合裂隙的贯通。此外，远离水力裂缝一端的非闭合裂隙翼形破坏区并非水力裂缝贯通后的继续扩展破坏，而是孔隙水压力增大及水力裂缝扩展导致的天然裂隙尖端应力场偏转所诱发的渐渐式拉张破坏行为。
(2)层理等优势结构面对水力压裂裂缝扩展机制及缝网形态影响十分显著，当水平地应力为最大主压应力时，缓倾层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用，随着层理结构面倾角的增大，最大主压应力在水力裂缝扩展方向方面逐渐发挥重要影响，水力裂缝逐渐出现贯穿层理结构面、转向、分叉等行为，形成较为复杂的裂缝网络。当压裂储层受多组优势结构面影响时，主水力缝网仍以优势结构面张开扩展为主，较高的差应力环境有利于缝网的形成和储层改造区域的增大。
(3)作为大尺度的软弱结构面，断层结构对水力压裂缝网形态和压裂开采的环境效应方面都有重要影响，然而相比于传统深部流体注入工程而言，页岩气储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程，尽管断层的存在可以影响水力裂缝的扩展模式，增大水力裂隙纵向扩展的高度，但是相比于储层埋深，水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的影响程度是十分有限的。
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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 1008- 08
INFLUENCE OF DIFFERENT SCALES OF STRUCTURAL PLANES ON PROPAGATION MECHANISM OF HYDRAULIC FRACTURING
In shale gas reservoirs， natural rock mass structural planes usually have significant influences on hydraulic fracturing treatment. This study uses the RFPA2D-Flow program. It considers the coupling seepage-stress-failure process of crack initiation， propagation， and damage. It simulates hydraulic fracturing process of rock mass in heterogeneous rock mass with different scales of natural structural planes. Though numerical simulation and discussion， the main conclusions can be drawn as follows：(1)When a hydraulic fracture encounters a natural unclosed crack， the principal stress trajectories would be deflected and a tensile stress zone would be created between the hydraulic fracture and the natural crack due to the increased pore pressure and propagation of the hydraulic fracture. Thus， the emergence and coalescence of tensile failure of the micro-units eventually causes the connection between the hydraulic fracture and the natural crack.(2)Bedding planes have pronounced effects on hydraulic fracturing. When the strikes of the maximum principal stress and the bedding planes intersect at a small angle， the bedding planes control the propagation of the hydraulic fractures. Otherwise， both the maximum principal stress and the bedding planes dominate the expansion of the fracture network. In addition， with the increase in structural planes and differential stresses， the scope and complexity of the stimulated fracture network increase simultaneously.(3)Hydraulic fracturing treatment is a short dynamic damage process. Although the existing of a fault structure can greatly affect the propagation model of the hydraulic fracturing and enhance the growth height of the hydraulic fracture， the damage to fault sealing capacity and activity caused by hydraulic fracturing is still limited compared with the depth of the reservoir.
Shale gas， Hydraulic fracturing， Structural plane， Fault， Fracture network
10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.031
2016-06-06;
2016-07-27.
中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB10030602)，国家自然科学基金项目(41372325， 41372323， 41402280)资助.
赵海军(1981-)，男，博士，副研究员，从事工程地质与岩石力学方面的研究. Email: zhaohaijun@mail.iggcas.ac.cn
TE371
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