页岩气藏网状裂缝系统的岩石断裂动力学

赵海峰，陈勉，金衍，等

目的：脆性页岩压裂采用清水压裂液，经人工压裂改造后形成高度密集的网状裂缝系统，其与传统高黏度压裂液压裂形成两条对称的翼型裂缝具有本质区别。已有的基于岩石准静态力学分析的二维、拟三维及全三维压裂理论模型难以表征页岩裂缝特征。基于页岩压裂的裂缝扩展属于脆性材料的动态断裂的认识，本文引入岩石断裂动力学理论研究网状裂缝系统的形成机理，分析施工排量等人为因素以及地应力、天然裂缝产状、储集层岩石力学参数等自然因素与裂缝延伸的关系，探讨最小临界排量的计算方法，并研究不加砂清水压裂激活天然闭合裂缝的机理及裂缝面滑移量的计算方法，分析不同条件下天然裂缝激活效率，以期为页岩气压裂设计与实施提供科学依据。方法：为了形成复杂的网状裂缝，水力裂缝在沟通天然裂缝后需要在天然裂缝左右端同时满足裂缝转向条件，采用断裂动力学的方法求出裂缝转向条件，并且推导出第n级分支裂缝排量（Qn）与泵排量的关系以及第n级分支裂缝缝内压力与Qn的关系；计算了不同天然裂缝（具不同倾角、不同夹角、不同裂缝尺寸）及不同地层弹性模量条件下的临界排量；利用TAW-1000深水孔隙压力测试系统进行了不同缝面滑移量下的导流能力测试，通过实验结果与岩石断裂力学理论定量分析得出剪应力作用下裂缝面的滑移量计算公式，对不同倾角、不同弹性模量、不同泊松比条件下天然裂缝面在压裂过程中的滑移量进行了计算。结果：（1）天然裂缝的产状对其临界排量影响很大。临界排量随倾角增大而增加，倾角等于 90°时，临界排量达最大值且为常数；倾角小于 90°时，随裂缝与井筒夹角的增大，临界排量先减小后增大，垂直井筒方向的裂缝临界排量最小；天然裂缝尺寸越大需要的临界排量越高，这与大型天然裂缝对压裂产生负面影响的报道相符，水力裂缝与天然裂缝的端部相交对产生网状裂缝更有利。（2）地层弹性模量越大，临界排量越低。泊松比与临界排量没有直接关系，但弹性模量高的地层往往泊松比较低。岩石动态断裂韧性（KId）对KId对临界排量的影响非常大，KId的变化与加载速率相关。（3）天然裂缝的方位、倾角对其激活效果影响很大：倾角很大、接近于90°时，裂缝面的滑移量很小（＜2 mm），激活效果差；裂缝倾角很小时激活效果也不利，尤其对垂直井筒方向的裂缝，但小倾角裂缝总体滑移效果优于大倾角裂缝；倾角30°～60°的中角度裂缝激活效果最佳，且垂直井筒方向的裂缝滑移量达到极大值。弹性模量增加对裂缝滑移起抑制作用，地层泊松比的变化对裂缝滑移量的影响很小。裂缝面滑移量与裂缝长度成正比，长天然裂缝更容易在压裂中激活。结论：页岩压裂只有在大排量下才能形成高效沟通天然裂缝的网状缝，存在形成网状裂缝的临界排量。给出了裂缝面滑移量以及最小临界排量的计算方法。闭合天然裂缝开启后其导流能力由裂缝面的滑移量决定，滑移量与地应力、天然裂缝尺寸与产状、地层弹性参数有关。本文建立的页岩气储层缝网系统岩石断裂动力学理论为页岩气压裂的设计与实施提供了科学依据，对压裂井段优选、压裂设计、压裂效果评估都具有实际指导意义。

来源出版物：石油勘探与开发, 2012, 39(4): 465-470

入选年份：2015