天然裂缝性地层水力裂缝扩展规律的三维数值模拟研究

席一凡+李连崇+李明+黄波+张潦源+李爱山

摘 要：该文基于RFPA3D并行程序，建立水力裂缝遭遇天然裂缝的三维计算模型。数值计算结果表明，天然裂缝在水力裂缝扩展过程中的影响比较明显，当入射角较小时，水力裂缝易于转入天然裂缝并在缝内延伸；当入射角较高时，水力裂缝易于直接穿过天然裂缝。另外，天然裂缝的胶结强度越低，水力裂缝易于天然裂缝内延伸。

关键词：天然裂缝 水力裂缝 入射角 胶结强度

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0041-03

世界上有大量油气储存在低渗裂缝性储层中，当今工业的发展使得人们对于石油与天然气的需求大幅增加，裂缝性油气藏在行业中所占比例越来越高。此类油气藏中天然裂缝发育且分布复杂，基质渗透率低[1-2]。Blanton[3]的实验发现，水力裂缝扩展方向的主要影响因素是逼近角和水平主应力差。周健等[4]的研究表明，裂缝性储层天然裂缝发育充分，对水力压裂方向有着重要影响。

该文使用基于有并行有限元方法的RFPA3D程序，考虑储层的非均匀性，并将天然裂缝设置成完全充填裂缝，通过模拟不同的入射角以及天然裂缝的胶结强度，研究天然裂缝性储层水力裂缝的扩展规律。

1 数值计算模型

如图1所示，模型的长、宽和高分别为：30 m、20 m和20 m，将模型划分为120×80×80個单元，远场主应力σy、σx、和σz设为35 MPa、28 MPa和32 MPa。天然裂缝长度L为10 m，规定最大主应力方向与天然裂缝的夹角为入射角θ模型中心沿最大主应力方向预制一条短缝来模拟射孔射孔中心距天然裂缝中心的距离S为7 m，设置缝内流量为0.05 m3/s，加载方式为非稳态加载。模型基质的材料力学参数的选取参考文献[5]，对于天然裂缝物理力学参数，将充填天然裂缝的抗拉强度设定在0.15 MPa和1.5 MPa，按照压拉比为10，取其单轴抗压强度1.5 MPa和15 MPa。具体模型物理力学参数见表1，并设置3组工况，各工况所对应的入射角及天然裂缝胶结强度相关参数见表2。

2 模拟结果及分析

表3是水力裂缝在各工况下的扩展形态，包括了声发射图以及最小主应力图。

声发射是岩石破裂过程中最基本的特征，结合声发射图可以从空间形态上分析水力裂缝的扩展模式。

另外，最小主应力图有助于从力学角度分析水力裂缝遇到天然裂缝时的扩展机理。

2.1 入射角对裂缝扩展影响

对比Case1和Case3的模拟结果。从这两种工况的声发射俯视图可以看出，Case1（入射角为45°）中的水力裂缝在遇到天然裂缝前，水力裂缝沿着最大远场主应力方向扩展，当水力裂缝遇到天然裂缝后，天然裂缝发生膨胀、开裂，继而水力裂缝偏离原扩展方向，会在裂缝交接处沿着天然裂缝的方向发生偏转，并延伸至天然裂缝的端部，然后转向、继续沿着最大远场主应力的方向扩展；Case3（入射角为90°）中的水力裂缝扩展模式则截然不同，在遇到天然裂缝后，水力裂缝在干扰点近似直接穿过天然裂缝，继续沿着原方向即最大远场主应力的方向扩展（裂缝虽然在局部有少量分叉行为，但宏观上，裂缝较平整、规则，无偏转、扭转现象）。

通过分析最小主应力图，可以发现，Case1中水力压裂裂缝在接触到天然裂缝时，在图中椭圆范围内，沿着天然裂缝方向会形成一个明显的最大拉应力集中区域，使其产生拉破坏，从而水力裂缝会沿着天然裂缝的方向发生偏转； Case3中沿着天然裂缝方向，即椭圆范围内，并没有拉应力的集中区域，而是会在水力裂缝的原扩展方向上产生最大拉应力集中区域，从而天然裂缝对水力裂缝的扩展路径并没有产生十分明显的影响。因而，在其他条件不变时，随着入射角的增大，水力裂缝更易于直接穿过天然裂缝。

2.2 天然裂缝胶结强度对裂缝扩展影响

对比Case2和Case3的模拟结果。Case3的水力裂缝扩展模式此前以及分析过，在此不再赘述。从Case2的声发射图可以看出：天然裂缝的界面效应比较明显，胶结物强度的降低，使得水力裂缝无法直接穿过天然裂缝。

同样，通过分析最小主应力图，可以发现，Case2中水力裂缝在遭遇天然裂缝时，在图中椭圆范围内，沿着天然裂缝方向会形成一个最大拉应力集中区域，使其产生拉破坏，从而水力裂缝会沿着天然裂缝的方向发生偏转。因而，在其他条件不变时，天然裂缝强度越低时，水力裂缝越容易转入天然裂缝并在天然裂缝内延伸。

3 结语

（1）裂缝性储层中存在的天然裂缝会对水力裂缝的扩展产生非常重要的影响，其中水力裂缝与天然裂缝之间的入射角以及天然裂缝的胶结强度是影响水力裂缝扩展的重要因素。

（2）入射角越小，天然裂缝胶结强度越低，水力裂缝越容易受到天然裂缝的吸引而转向天然裂缝，反之水力裂缝更趋于直接穿过天然裂缝，沿着原来的方向扩展。

（3）拉应力在水力裂缝的形成、发展、延伸和贯通过程中起到了十分重要的作用：入射角越小，天然裂缝胶结强度越低，在水力裂缝遭遇天然裂缝时，沿着天然裂缝的方向上更容易形成最大拉应力区，使得水力裂缝的扩展方向发生偏转。

参考文献

[1] 叶静，胡永全，任岚，等.裂缝性地层水力裂缝复杂形态延伸分析[J].大庆石油地质与开发，2013，5（5）：92-97.

[2] 衡帅，杨春和，曾义金，等.页岩水力压裂裂缝形态的试验研究[J].岩土工程学报，2014，7（7）：1243-1251.

[3] Blanton T L.An experimental study of interaction between hydraulically induced and pre-existing fractures[C].SPE 10847，1982.

[4] 周健，陈勉，金衍，等.裂缝性储层水力裂缝扩展机理试验研究[J].石油学报，2007，28（5）：109-113.

[5] 李志超，李连崇，唐春安.水平井定向射孔裂缝起裂与穿层特征数值分析[J].石油与天然气地质，2015，3（3）：504-509.