临兴地区盒八段砂岩裂缝发育特征及其对压裂效果的影响

李建红，王延斌

中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083

水力压裂效果是致密砂岩气藏增储上产的重要影响因素[1-2]。压裂缝的扩展情况可以很好地体现水力压裂效果。目前监测压裂缝的手段可以分为两类：一类是利用温度、声波、放射性元素等测井方法，如陈前[3]用可控中子钆示踪成像测井结合致密砂岩特征得到了裂缝的密度、走向、高度等参数；另一类是微地震监测技术，如赵争光等[4]利用微地震监测技术成功监测了压裂缝，并对其进行成像处理。

国内外学者通过实验模拟等方法研究了压裂缝与天然裂缝的相交机理，发现天然裂缝在很大程度上会影响压裂缝的延展方向。Blanton[5]认为，天然裂缝与压裂缝的夹角大小和地应力差共同控制着压裂缝延展方向，当两者都较小时，压裂缝将转向天然裂缝方向；当两者都较大时，压裂缝将穿过天然裂缝。Lamont和Jessen[6]指出，水力裂缝与天然裂缝的夹角在60°～30°时，水力裂缝将会转向并且穿过天然裂缝。陈勉等[7]在水力压裂模拟中发现，水力裂缝穿过了天然裂缝，两者之间的夹角约为75°。马耕等[8]也发现水力裂缝会先沿着天然裂缝面延伸，然后沿着天然裂缝尖端延展或者朝最大主应力方向与天然裂缝的某个弱面突破。Warpinski等[9-10]观察到水力裂缝的2种扩展方式后，提出了判定天然裂缝剪切破坏的准则。Beugelsdijk等[11]利用控制变量法研究了天然裂缝与压裂缝之间的相互关系，发现压裂缝延伸状态受天然裂缝影响显著，且应力差主要影响压裂缝延伸方向。林鹤等[12]认为，活动性天然裂缝对压裂缝的几何形态有明显控制作用，非活动性天然裂缝则无明显影响。夏彬伟等[13]利用物理模拟试验系统，研究了不同缝间距、应力差、压裂排量对水平井多裂缝扩展规律的影响，结果表明，高应力差条件下，诱导应力场难以改变原始主应力的大小；降低裂缝转向的角度，裂缝更容易形成平行于最大主应力方向的横切缝。压裂效果的主控因素为天然裂缝与压裂缝的夹角和水平主应力差，其控制类型总结为渗透型、沟通型和捕获型3种。

目前，对鄂尔多斯盆地天然裂缝发育特征，已经进行了一系列的研究工作[14-16]。总体来说，临兴地区天然裂缝具有“高角度、小切深、小开度、延伸短”的特征，而在分布上差异性较大，如位于岩性突变界面和不整合面上的节理密度较大。国内有关临兴地区盒八段致密砂岩天然裂缝对压裂效果的影响并不清楚。因此，笔者以鄂尔多斯临兴地区盒八段致密砂岩为研究对象，基于野外节理观测及成像测井技术揭示研究区裂缝发育特征，利用微地震动态监测水力裂缝技术追踪压裂缝形成过程，深入分析天然裂缝对压裂效果的影响，为今后致密砂岩压裂方案提供指导性建议。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，面积约为37×104km2。该盆地自太古代-早元古代盆地基地形成以来，共经历了5期构造演化，盆地现存构造主要形成于喜马拉雅造山运动[17]。根据现今构造特点，鄂尔多斯盆地可划分为以陕北斜坡为主体的6个构造带，如图1(a)所示。

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘的晋西挠褶带上，横跨临县、兴县，面积约为2 600 km2。临兴地区由老到新发育了奥陶系、石炭-二叠系、三叠系和第四系地层，地层倾角为1°～5°[18]。本次研究层段为下石盒子组砂岩，该段岩性以灰色、棕红色泥岩与浅灰、灰黄砂岩互层为主，厚度大，总体表现为东南薄、西北厚的特点，砂地比(砂岩层厚度与地层厚度的比值)在0.34～0.68，与下伏山西组为整合接触[19-20]。

临兴地区由于受印支、燕山、喜山等期次构造运动的影响，断层较发育，主要以逆断层为主，走向主要为NW向、NE向和近SN向，基本发育在向斜、背斜等构造部位[图1(b)][21]。

2 天然裂缝发育特征

笔者采用野外地质调查和成像测井解释天然裂缝方法获取了临兴地区天然裂缝的发育特征。受地层出露情况和地形地貌影响，实际野外节理观测地点无法覆盖整个研究区(表1)。因此，结合电成像测井方法对天然裂缝产状统计，进而查明研究区的天然裂缝发育特征。

天然裂缝在成像测井(图2)中以正(余)弦函数曲线的形式表现[22]。正(余)弦函数的最低点(点A)表明了天然裂缝的倾角，中心点表示天然裂缝的倾向，倾角按式(1)计算。

图2 成像测井解释天然裂缝

tanγ=t/d

(1)

式中，t为正(余)弦函数最高点与最低点的差值，m；d为钻井井径，m；γ为天然裂缝倾角，(°)。

野外地质调查区域出露地层由顶到底分别是石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组和本溪组地层，下石盒子组为重点观测对象。野外观测发现，临兴地区以剪节理为主，节理面光滑平直，节理缝隙宽度稳定；不同区域、不同层段的节理，在数量、方向和表面性质都有差异：位于岩性突变界面和不整合面的节理密度较大，且节理一般终止于岩性突变界面和不整合面；应力强度高的地方，节理长度更大。下石盒子组底部节理具有高倾角、数量少且集中发育，像梯子一样互相切割的特征(图3)。野外节理观测结果结合测井解释该区天然裂缝大约400条，结果显示，NEE、NNE、NWW和NNW为主要走向(图4)，97%的天然裂缝倾角分布在50°～90°之间，倾角大于70°的天然裂缝比例达77%。由此判断临兴地区天然裂缝具有高倾角的特征，这是因为临兴地区地层倾角普遍小于5°，且喜山期和燕山期的水平挤压应力也较小[23]。

图3 临兴地区野外节理观测

图4 临兴地区天然裂缝玫瑰花图

分区域研究发现，临兴地区发育两组天然裂缝，北东区域以NNW向天然裂缝为主，辅以少量NE向天然裂缝；其他区域天然裂缝以NE向为主。这与临兴地区整体构造有关(图5)。

图5 临兴天然裂缝平面分布

临兴地区自燕山期以来发育3种节理组合样式[24]：第一种节理组合样式的产状为NNW向与NNE向，燕山运动早期，太平洋洋壳向西俯冲挤压华北地台，对鄂尔多斯东缘产生EW向挤压应力，所以第一种组合样式形成于燕山早期；第二种节理组合样式的产状为NWW向与NNW向，燕山运动晚期，特提斯洋壳向北俯冲挤压、太平洋板块向NW向俯冲挤压华北板块，使盆地内产生NW向挤压应力，形成了一系列NE向的小褶皱构造，所以第二种组合样式的天然裂缝应形成于燕山晚期；第三种节理组合样式产状为NNE向与NWW向，形成于喜山期，是由于印度板块与欧亚板块碰撞，导致盆内受到NE方向的挤压应力所致。

3 天然裂缝对压裂效果的控制

3.1 天然裂缝对压裂缝的控制

大量的压裂缝物理模拟实验和野外露头观测[7-9]发现，天然裂缝与压裂缝的夹角(逼近角)和水平主应力差共同控制着压裂缝遭遇天然裂缝时的延展情况，其基本类型可以分为3种[25-27]：

(1) 穿越型：逼近角和水平主应力差都较大时，压裂缝将穿过天然裂缝沿着最大主应力方向扩展，如图6(a)所示。

(2) 沟通型：逼近角较小、水平主应力差比俘获型大而小于穿越型时，压裂缝将沟通天然裂缝，然后从天然裂缝的某个薄弱面突破，如图6(b)所示。

(3) 俘获型：逼近角和水平主应力差都较小时，压裂缝被较大规模的天然裂缝所捕获，压裂缝从天然裂缝的端部扩展，如图6(c)所示。

图6 天然裂缝控制压裂缝类型(据边利恒[28]修改)

压裂曲线的变化特征可以体现出天然裂缝对压裂缝的控制类型[28]，结合天然裂缝发育特征将临兴地区压裂曲线特征总结为以下3类：

(1) 上升型：最小水平主应力方向为NNW，主应力差大于20 MPa，逼近角大于60°，施工压力在30～45 MPa，上升型压裂曲线主要分布在北部、南部地区，以L-12为其典型代表，如图7(a)所示。

(2) 平缓型：最小水平主应力方向为NE，主应力差小于15 MPa，逼近角在45°～60°，施工压力在35～50 MPa。平缓型压裂曲线分布在临兴地区北东部、中西部地区，以L-9井为其典型代表，如图7(b)所示。

(3) 波动型：最小水平主应力方向为SSE，主应力差在15～20 MPa，逼近角小于45°，施工压力在35～50 MPa。波动型压裂曲线以L-8井为其典型代表，如图7(c)所示。

图7 压裂曲线划分类型

3种类型的压裂曲线都有不同程度的波动，只是波动型的幅度更大、频率更高，这可能是因为该井周围天然裂缝规模最大。

3.2 天然裂缝对压裂效果的控制

在压裂缝的破裂过程中，较大或密集破裂将引起较高的破裂能量释放，而在其终端与周边能量通常急剧地降低。这个高的能量梯度包络区，即是裂缝的主体或轮廓。本文利用微地震监测技术获得压裂缝的高度、长度和倾向等参数(表2)，通过压裂期间主要破裂能量梯度图监测压裂缝的形成过程，结合天然裂缝的发育特点，系统分析天然裂缝对于压裂效果的控制。基于天然裂缝对压裂缝控制类型及其压裂曲线，选择L-101、L-103、L-8三井分析临兴地区天然裂缝对压裂效果的影响。

表2 压裂缝参数

根据现场实测结果，L-103井盒八段地层最小水平主应力方向为NW57°，水平主应力差约为20 MPa，天然裂缝发育方向近似为NW28°，逼近角超过60°，压裂曲线为上升型。通过对破裂能量梯度图[图8(a)]分析发现，在未受天然裂缝影响之前[图8(a)(1)～(2)]，盒八段砂岩压裂缝沿最大水平主应力方向延伸；当延伸到天然裂缝时，压裂缝与天然裂缝呈大角度相交[图8(a)(3)～(4)]，但因其水平主应力差较大，只有SE向天然裂缝压开；压裂缝穿过天然裂缝后，一直延着最大水平主应力方向前进[图8(a)(5)]，并无方向上的改变。

图8 L-103微地震监测

这是典型的穿越型控制类型。一般情况下，压裂缝在穿过天然裂缝时会使其膨胀开启，但此处水平主应力差较大，天然裂缝周围诱导应力场难以改变原始最大水平主应力，压裂缝偏转程度极低，且较大逼近角导致更多能量用于压裂造缝，无法开启天然裂缝，压裂缝总体形态呈长条形。在相同施工压力条件下，该井缝网波及体积不及L-101井的一半，其压裂效果较差。

L-101井盒八段地层现场实测最小水平主应力方向为NW29°，水平主应力差为9 MPa，天然裂缝发育方向为NW74°，逼近角40°，其压裂曲线为平缓型。对L101井盒八段地层破裂能量梯度图(图9)观测发现，压裂缝与天然裂缝相交后[图9(a)(4)]，延伸方向偏向SE向，这是因为压裂缝沟通天然裂缝并从某个薄弱面突破，据此判断该井天然裂缝控制压裂缝的模式为沟通型。在水平主应力差较小条件下，天然裂缝周围诱导应力场将改变原始主应力，压裂缝延伸方向发生偏转[图9(a)(5)]，且较小逼近角导致天然裂缝部分开启，所以该井压裂缝总体形态呈长条形，但较L-103井(穿越型)更宽，缝网波及体积达13.86×105m3，压裂效果更好。虽然L-101井与L-103井的逼近角相差20°，但水平主应力差较小仍是L-101井压裂效果更好的主要原因。

图9 L-101微地震监测

L-8井盒八段地层现场实测最小水平主应力方向约为NE55°，水平主应力差约为19 MPa，天然裂缝发育方向在NE77°左右，波动型压裂曲线。通过对L-8井盒八段地层能量梯度图研究可知，天然裂缝与压裂缝以45°相交[图9(a)(5)]，水平主应力差较大，导致压裂缝总体形态更复杂。综合判断该井的控制类型，应该划分为俘获型与穿越型的复合模式：压裂缝一方面沿最大主应力方向扩展，同时沿着天然裂缝端部扩展，所以出现两个压裂缝，主压裂缝走向平行于最大水平主应力方向，次压裂缝走向近似平行于天然裂缝。这是因为L-8井水平主应力差较大，最大水平主应力不易被天然裂缝周围的诱导应力场所影响，压裂缝方向不改变，而较小的逼近角有利于天然裂缝的开启，所以L-8井次压裂缝发育，波及体积达到26.46×105m3，这种情况的压裂效果是最好的。与L-103典型的穿越型对比可知，逼近角越小，压裂效果越好。

图10 L-8微地震监测

天然裂缝开启效果越好意味着压裂效果越好，通过对比三井压裂效果发现，穿越型控制类型压裂效果最差，沟通型较好，俘获型最好；较小的逼近角及水平主应力差有利于天然裂缝的开启，压裂效果好。但值得注意的是，压裂区域水平主应力差是确定的，逼近角过小会导致天然裂缝只开启一侧，而较大的逼近角将会使压裂缝直接穿过天然裂缝，这都将导致压裂效果无法最大化，所以应根据具体情况选择逼近角大小。当压裂区域水平主应力差较大时，应选择较小的逼近角，以沟通型控制类型压裂为宜；当压裂区域水平主应力差较小时，应适当增加逼近角大小，以俘获型控制类型压裂可以达到最佳压裂效果。

4 结 论

(1) 野外节理观测及成像测井技术解释结果表明，临兴地区天然裂缝优势发育方向为NEE、NNE、NWW和NNW；NW向天然裂缝形成于燕山晚期，NE向天然裂缝形成于喜山期；盒八段地层倾角小于5°导致天然裂缝倾角普遍偏大；临兴东北部以NW向天然裂缝为主，其余地方以NE向为主。

(2) 临兴地区盒八段砂岩压裂曲线分为3类：沟通型压裂曲线，主应力差小于15 MPa，逼近角在45°～60°，主要分布在北东、北西部地区；俘获型压裂曲线，主应力差在15～20 MPa，逼近角小于45°，主要发育在中西部；穿越型压裂曲线，主应力差大于20 MPa，逼近角大于60°，主要分布在北、南部地区。

(3) 对比三井压裂效果发现，穿越型控制类型压裂效果最差，沟通型较好，俘获型最好；较小的逼近角及水平主应力差利于天然裂缝的开启；当压裂区域水平主应力差较大时，应选择较小的逼近角，以沟通型控制类型压裂为宜；当压裂区域水平主应力差较小时，应适当增加逼近角大小，以俘获型控制类型压裂可达到最佳压裂效果。