页岩气藏天然裂缝剪切破裂研究

摘 要：页岩气的资源量巨大、需求量极高特点使得它在全球能源中有着不可替代的地位，也是目前油气藏所开发的重点。在页岩储层低孔超低渗透的物性情况下，需要通过水平钻井以及压裂改造来实现页岩气的有效开采。在天然裂缝时闭合的前提下，根据裂缝交点处满足的裂缝相交准则进行力学分析，基于破裂机理相关理论， 从不同裂缝相交角对临界剪切破坏的影响、不同水平应力差对临界剪切破坏的影响以及天然裂缝内聚力的影响三方面进行分析，为天然裂缝剪切破裂研究提供了手段。

关键词：页岩气;天然裂缝;相交准则;剪切破裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.035

0 引言

根据资源量的初步估算和地质类比法分析，我国有着优质的地质条件孕育页岩气，与美国页岩气资源量不相上下[1]。因此，作为一个石油对外依存度超过50%的国家，我国应该从美国页岩气革命成功的经验中获得启示，即重视页岩气工业的发展，建立一套成熟完整的开发体系。页岩储层中天然裂缝的存在决定着压裂过程中能否形成缝网，准确了解天然裂缝相交水力裂缝的作用过程和机理是掌握裂缝缝网的形成机理的前提[2]。

研究分析水力和天然裂缝在相交开始时刻的破裂方式以及延伸方式的前提是水力裂缝前方有着一条天然裂缝是相交作用开始时刻的状态，随着时间推移水力裂缝不停伸展从而慢慢靠近天然裂缝，逐步伸展的水力裂缝在和天然裂缝产生相交作用前无任何转向[3]。本文研究了不同裂缝相交角对临界剪切破坏的影响、不同水平应力差对临界剪切破坏的影响、天然裂缝内聚力对临界剪切破坏的影响三方面，为天然裂缝剪切破裂研究提供了手段。

1 破裂机理

在裂缝出现剪切破裂的情况下，由于裂缝交点处压力较小，无法达到直接穿过天然裂缝的力学条件，因此，此类模型的前提是天然裂缝时闭合的，裂缝交点处的压力满足Warpinski裂缝相交准则。

通过线性摩擦理论可知，在天然裂缝面自身的力学强度无法干扰裂缝之间的滑动作用的情况下，天然裂缝就会产生剪切滑动[4]，其临界滑动状态关系式为：

式中，τ0—天然裂缝的内聚力，MPa;

T—远场应力作用的天然裂缝上的剪切力分量，Mpa;

Kf—摩擦系数。

结合应力场以及天然裂缝的方位，利用二维应力解得：

2 模型建立

首先需要说明的是，在裂缝延展到交点时，因为压裂液的滤失影响到天然裂缝内部压力下降，导致天然裂缝内部其它位置的压力都会小于交点处的液体压力。通过裂缝相交准则可知：剪切破裂可能会产生在水力裂缝与天然裂缝相交后的天然裂缝位置处，而剪切破裂会导致大量压裂液的滤失，这个状态下水力裂缝的延伸路径不会改变，然而交点处的液体压力会下降。

此处需要说明的是，在模型的力学参数设计中，必须要考虑水力裂缝尖端的特殊应力场（断裂力学），即裂缝尖端应力场与地应力场，否则仅仅依据Blanton公式推导会出现较大偏差，在求解水力裂缝尖端液体压力时出现错误。

3 计算结果及分析

根据上述模型，以此模型为理论基础进行计算分析，基础数据见下表，单一地分析各参数时采用控制变量法。

根据水力裂缝与天然裂缝相交后发生剪切破裂的数据表进行了以下计算分析。

3.1 不同裂缝相交角对临界剪切破坏的影响

可以从公式推导得出，在赋值之后得出裂缝交点液体压力与裂缝相交角的关系如图1。

从图1显示的数据与发生剪切破裂的应力对比得出，两条裂缝相交角度的变化范围是约30°—60°时，剪切破裂會产生在天然裂缝位置处。

从公式推导中还可以得出的是，摩擦系数的存在是起到斜率的作用，当天然裂缝出现剪切破裂时，水力裂缝和天然裂缝相交位置的液压的值与摩擦系数的取值成正比，即摩擦系数越大，液压越高。由此可知，因为天然裂缝面抗剪切破裂的强度也与摩擦系数成正比关系，即摩擦系数的值越大的情况下，天然裂缝抗剪切的强度也越大，天然裂缝就越不容易出现剪切破裂。

3.2 不同水平应力差对临界剪切破坏的影响

最大最小水平主应力差与裂缝交点液体压力的关系式经过推导得出如下关系：

图2表示的情况是，当水平主应力差值（水平最大主应力与水平最小主应力的差值）分别为0到5Mpa之间的时候，两条裂缝相交位置的液压跟着两条裂缝相交角度的变化情况。在这里取了三个特殊值，即30°，45°，与90°，从三幅图中可以看出，水平主应力差值和两条裂缝交点处的液压的值成反比关系，即水平主应力差值越大，两条裂缝交点处的液压越小。但当两条裂缝正交（90°）的时候，不仅两者的递增关系发生了变化，而且所需的裂缝交点液体压力变得很大，因此当裂缝夹角很大甚至正交时，水力裂缝在接触天然裂缝时很难发生剪切破裂，一般在此时会发生水力裂缝直接穿过天然裂缝的情况。

3.3 天然裂缝内聚力对临界剪切破坏的影响

下图是内聚力分别为2MPa、3MPa以及 4MPa 的情况时，两条裂缝相交角度和裂缝交点处的液压的关系图。当天然裂缝内聚力的取值越大的时候，天然裂缝与水力裂缝交点处的液体压力的值也越大，天然裂缝的内聚力对裂缝交点液体压力的影响是起到截距的作用，起到直线递增的关系。

4 结论及认识

（1）通过裂缝相交准则以及破裂机理分析研究了力学行为，研究了不同裂缝相交角对临界剪切破坏的影响、不同水平应力差对临界剪切破坏的影响、天然裂缝内聚力对临界剪切破坏的影响三方面，为天然裂缝剪切破裂研究提供了手段。

（2）在天然裂缝发生剪切破裂的情况下，随着两条裂缝相交角度的增加，天然裂缝与水力裂缝交点处的液体压力先降低然后增加;随着水平主应力差值的增大，天然裂缝与水力裂缝交点处的液体压力的值越来越小。

（3）当天然裂缝内聚力的取值越大的时候，天然裂缝与水力裂缝交点处的液体压力的值也越大，天然裂缝的内聚力对裂缝交点液体压力的影响是起到截距的作用，起到直线递增的关系。

参考文献：

[1]张金川，姜生玲，唐玄等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业，2009，29（12）：1-6.

[2]江凯禧，彭丽，何文祥等.页岩气储层非均质性研究——以四川盆地下寒武统筇竹寺组为例[J].海洋地质前沿，2014，30（08）：47-53.

[3]张东晓，杨婷云，吴天昊等.页岩气开发机理和关键问题[J].科学通报，2016，61（01）：62-71.

[4]侯冰，陈勉，王凯等.页岩储层可压性评价关键指标体系[J].石油化工高等学校学报，2014，27（06）：42-49.

作者简介：刘晶莉（1985-），女，湖北潜江人，本科，工程师，研究方向：地质动态分析。