断层影响下的页岩气储层水力压裂模拟研究*

冯雪磊 马凤山 赵海军 郭 捷

(①中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029， 中国)(②中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国)(③中国科学院大学， 北京 100049， 中国)

0 引 言

页岩气的商业化开采产生天然气行业革命，对世界能源格局产生重大影响(张金川等， 2008； Hughes， 2013； 张东晓等， 2015)。2012年涪陵焦石坝页岩气田实现了商业化开采，开启我国页岩气勘探开发的新局面(邹才能等， 2015)。页岩气的大规模开采得益于水平钻井技术和水力压裂技术的成功实施，水力压裂是将高压的压裂液注入到低渗致密页岩储层，进行压裂改造释放天然气的过程(Curtis， 2002； Javadpour et al.， 2007； 陈尚斌等， 2010)。然而深部储层注水压裂会产生地质力学和岩石力学问题(何满潮等， 2005)，储层水力压裂过程会导致深部断层岩体水力耦合破坏，进而引发岩体剪切破坏和地震活动(Ellsworth， 2013； Bao et al.，2016; Elsworth et al.，2016; Lei et al.，2017; Zhao et al.，2018; Bhattacharya et al.，2019)，同时断层岩体水力破坏导致压裂液突破顶板岩层和断层的封闭而运移到上部岩层，甚至对浅部的岩层尤其含水层存在较大威胁(Osborn et al.，2011; Vengosh et al.，2014; Reagan et al.，2015; Shannon et al.，2015)(图1)。因此研究水力压裂导致断层水力破坏及其对储层流体密闭稳定性的影响具有较大的工程和科学意义。

图1 断层水力破坏和压裂液泄露途径(Howarth et al.，2011)

研究表明大规模水力压裂导致的页岩储层封闭性改变方式主要有两种：一种是水力裂缝延伸突破封闭顶底板，另一种是注水压裂诱发断层活化(李廷微等， 2015; Reagan et al.，2015)。封闭顶底板是含气页岩储层上下部直接封堵气体逸散的低渗致密岩层，封闭性好的顶板、储层与底板组成油气封存箱，有效减少页岩气逃逸扩散(杨传忠等， 1994； 聂海宽等， 2012)，考虑页岩储层顶底板低渗致密和展布范围广等特征，水力裂缝导致顶底板变形破坏对于地层密闭完整性影响很小。然而大规模水力压裂引发的断层岩体水力破坏，不仅产生剪切滑移引发地震事件，还促进裂缝向地质体浅部延伸，形成高渗透性流体运移通道，增加了压裂液和油气向上覆岩层运移可能，显著影响储层的封闭性能(Hickman et al.，1995; 陈永峤等， 2003)。此外，上覆岩层出现高渗透性岩层时，与断层水力破坏区域贯通，更提高流体运移速度和压裂液污染上覆岩层或含水层的可能性(胡东风等， 2014； Small et al.，2014； Gallegos et al.，2015; 利振彬等， 2019)。因此注水导致断层水力破坏对页岩储层封闭性和近地表环境影响较大。

断层影响下地下深部岩层中流体注入的研究多见于常规储层，尤其集中于二氧化碳地质封存和增强地热系统开发(Majer et al.，2007; Frédéric et al.，2011)。研究发现注水导致地下深部岩体应力场改变和孔隙水压上升，引起断层岩体上下盘出现剪切破坏以及断层破碎带渗透率动态改变(Mbia et al.，2014; Martina et al.，2017)，此外，断层滑移破坏还与断层渗透性、断层产状与内部结构、岩石破坏强度、应力状态以及物理力学参数相关(Frédéric et al.，2011; Rutqvist， 2012； Pan et al.，2013)。随着页岩气商业化开采和水平钻井数量增加，注水导致断层破坏滑移受到更多关注和研究，尤其野外地震等级监测数据表明(Davies et al.，2013; Bao et al.，2016)，页岩储层大规模水力压裂改造导致断层剪切破坏，引发显著的地震活动(Lee et al.，2013; Mortezaei et al.，2015; Rutqvist， 2015; Lei et al.，2017)，但地震震级较小，一般属于小地震事件，例如在加拿大西部监测到3.9级和中国四川盆地的4.7级(Bao et al.，2016； Lei et al.，2017)。此外，注水导致深部断层岩体剪切滑移的机理研究和数值分析是依据莫尔-库仑剪切破坏准则和有效应力原理(Terzaghi， 1923; Jaeger et al.，1979)，孔隙水压上升导致断层平面法向有效应力下降，在水致弱化和强度弱化条件下，岩体应力莫尔圆和剪切破裂强度曲线移动，导致断层剪切破坏出现滑移活化(Sleep et al.，1992; Rutqvist et al.，2015; Zhao et al.，2018)。另外，在室内物理模拟试验研究中，样品尺寸一般在厘米级小尺度范围内，从宏微观角度分析含裂缝页岩在压剪应力状态下的破坏滑移过程，矿物颗粒挤压破碎微观分析和裂缝渗透率动态演化机理(陈建业等， 2012； Wu et al.，2017； Im et al.，2019)。

总的来说，目前注水导致断层水力破坏的研究主要是野外地震等级监测和室内小尺度裂缝渗透率演化，但目前已有监测手段难以区分小的地震事件尤其是微震事件是基于注水导致断层活化还是由大规模裂缝扩展导致，且断层能否大规模剪切滑移并引发破坏性地震亟待研究(Zhao et al.，2018)，另外断层水力破坏高度及形成高渗通道导致压裂液污染浅部地层的研究还在概念分析阶段(Reagan et al.，2015)。而室内小尺度物理模型相似试验较难表征断层岩体大尺度宏观结构特征以及地下多场耦合对于断层水力破坏的影响。目前，随着页岩气开采井数量的增多，储层压裂开采深度增加、压裂频次增多，深部大规模水力压裂造成断层活化而产生地震和环境问题引起社会和公众更多的关注，尤其是断层水力耦合破坏导致储层封闭性改变和流体向上逸散产生环境问题。

基于以上分析，本文以我国第1个商业化的页岩气田涪陵焦石坝气田为例(焦页一井)，建立水力耦合数值计算模型，主要研究内容包括： (1)储层高压注水导致岩石破裂方式改变和断层岩体剪切破坏机理分析。(2)研究不同注水压力下，储层和断层水力破坏高度、水力破坏区域的产生与扩展演化，评价断层水力破坏对页岩气储层封闭性的影响。(3)监测岩层变形和孔隙水压变化过程，分析流体沿高渗通道向上覆岩层运移机理，压裂液污染浅部地层危险性评价。

1 水力压裂导致岩体破裂和断层剪切破坏的力学机理

储层压裂改造注入的高压压裂液可以极大地改变地层局部应力状态，随着岩层内部孔隙水压力上升，岩石发生破裂方式改变。当孔隙压力超过围岩最小主应力和岩石抗拉强度之和时，岩体出现垂直于最小主应力方向的张性裂纹。当最大和最小主应力的差值较大时，孔隙压力上升会导致可能出现的裂缝表面剪应力增加且法向有效应力减小，根据莫尔-库仑剪切破坏准则(Jaeger et al.，1979)，应力莫尔圆移动，岩石出现剪切破裂(图2)。图2表明，涪陵焦石坝页岩储层位于地下深部，主应力差值很小，且致密页岩强度参数较高，因此在高注水压力条件下，储层岩石发生张破裂或张剪破裂可能会是一个较普遍的现象(Zhao et al.，2018)。此外，张性破裂或张剪破裂的混合破裂模式有利于形成大规模网状裂缝，成为页岩气回采的有效的渗流途径(Ellsworth， 2013)。但页岩储层网状水力裂缝扩展也会影响储层的密闭完整性(Gundersen et al.，2011; Orlic et al.，2013)。

图2 岩石破裂方式(陈建业等， 2012； Zhao et al.，2018)

当水力压裂区域内存在断层时，大规模水力压裂引起岩体孔隙水压力上升以及断层岩体应力状态的改变。在新的应力状态以及孔压条件下，岩体有效应力状态莫尔圆发生改变和移动(图3)。同时，高注水压力导致裂缝在断层内扩展，断层内部出现水力破坏区域扩大。断层内部孔隙水压力增大导致断层结构面的有效应力降低，断层结构面抗剪强度减小，出现断层上下盘岩体之间黏结性下降， 如图3所示，当断层结构面的应力状态达到断层活化破裂程度时，断层上下盘出现滑移错动，出现剪切破裂并引发地震活动(Sleep et al.，1992; Zhao et al.，2018)，同时断层内部会出现一定高度范围的水力耦合破坏区域，岩石的孔隙率和渗透率升高，形成油气资源和压裂液逸散的快速通道(赵海军等， 2016)。

图3 孔压上升导致剪切滑移(陈建业等， 2012； Zhao et al.，2018)

2 研究区地质背景简介

涪陵焦石坝页岩气藏作为我国第一个商业化页岩气田，位于四川盆地外缘地区，主要处于隔槽式变形带和槽档过渡带。焦石坝构造主体为似箱状背斜形态，即顶部宽缓，两翼陡倾。从断层展布规律看，断层数量多且尺度规模大，延伸较远，“通天”断裂较多(胡东风等， 2014)。经历了多期的构造改造，整个沉积区域被断层切割明显，地层纵横向连续性较差，断裂对页岩气保存的影响较普遍(图4)。

图4 焦石坝地区地质构造示意图-焦页1井(胡东风等， 2014)

涪陵焦石坝五峰组—龙马溪组页岩气储层、顶板和底板岩层的弹性模量较高、泊松比较低，岩石的脆性指数较高。储层位于地下2500～3000m的深度，垂向地应力平均值为50MPa，水平地应力平均值为53MPa，地应力差异系数较低，易形成网状裂缝(郭旭升， 2014)。焦石坝1井的岩石破裂压力为57～86MPa，注水施工压力范围为40～90MPa(梁豪， 2014； 郭旭升， 2014)。龙马溪组—五峰组页岩储层厚度约为30m，上部封闭盖层顶板岩层为泥岩、粉砂质泥岩，下部底板岩层为灰岩，岩石强度高且完整性好，岩层厚度约为30～40m左右(郭旭升， 2014)。此外页岩气储层水力压裂是分段进行的，焦页1井有15个井段，每一个压裂井段的范围是90m左右，每一水平压裂井段有三簇，每簇之间的距离是30m。

3 断层对页岩气水力压裂影响的数值模拟

3.1 模拟方法和数值模型建立

储层注水压裂过程是渗流场和应力场耦合作用的结果(宋力等， 2005； 姚池， 2013)。因此储层的水力压裂是较复杂的深部多物理场耦合问题。由于深部岩石力学问题很难进行现场实验，室内的物理模拟试验又难以还原复杂地质构造和应力状态，利用多物理场数值分析方法能够较接近实际情况来模拟深部多物理场耦合下储层水力压裂的过程。Comsol是以有限元方法为基础的一款多物理场耦合分析软件，通过求解偏微分方程组来实现多物理场耦合，利用数学方法对真实物理现象进行仿真(王瑞等， 2013； Navarro et al.，2014)。因此本文采用Comsol软件模拟压裂过程中断层水力破坏对于储层封闭性的影响，断层水力破坏涉及到压裂液流体流动、地应力、固体力学等多物理因素(Lei et al.，2016)。

数值模型采用软件中固体力学和地下水流模块来模拟应力场和渗流场耦合过程，具体表征方程如下：

应力场：

(1)

渗流场：

(2)

式中：G为剪切模量；v为泊松比；α为biot系数；p为孔隙水压力；φ为孔隙率；ρ为流体密度；k为渗透率；μ为黏滞系数；εvol=ε1+ε2+ε3为体积应变。

水力破坏准则包括张破坏准则和剪切破坏准则。

张破坏准则：

p=σ3+T

(3)

式中：T为岩石抗拉强度。

剪切破坏准则：

τ=c+μ(σn-p)，μ=tanφ

(4)

其中

(5)

式中：c为岩石黏聚力；μ为内摩擦系数；φ为内摩擦角；σv为垂直地应力；σh为水平地应力；δ为断层倾角80°；τ为断层平面剪应力；σn为断层平面法向应力。

根据焦石坝构造区域地质条件和焦页1井施工技术参数，建立二维数值计算模型(图5)。模型一共设置上部覆盖岩层、高渗地层、封闭顶板、储层、封闭底板和下部岩层。贯穿封闭顶板及上覆岩层的大尺度断层不仅破坏了页岩气封闭性，成为气体散失通道，而且会连通上覆高渗透层，加速气体扩散运移(胡东风等， 2014)。因此上部覆盖岩层中设置为高渗地层，且与断层相连接，模拟分析上覆高渗岩层和水力耦合破坏区域形成高渗逸散通道这一可能工况。依据研究区地质背景，模型中每一岩层厚度简化设置为30m，考虑断层的存在以及边界影响，地层的宽度设置为200m。根据一个压裂井段的范围大约为90m，因此在100m范围内设置3个注口，且间距为30m。

图5 数值计算模型

3.2 模拟条件与模型参数

模型的左边界和下边界为限制位移边界，上边界设置垂直地应力为50MPa，水平地应力为53MPa，且上覆压力梯度假设沿深度为23MPa·km-1。模型左右边界设置为“不流动”边界，上下边界设置为自由流动边界，3个注水口的注水压力为40～90MPa，对应于焦页1井注水施工压力范围。模型中所需的岩石物理力学参数如表1所示。

表1 数值模型参数(Rutqvist et al.，2013; 郭旭升， 2014)

4 模拟结果分析

4.1 水力破坏区域演化

根据涪陵页岩气田页岩气藏焦页1井储层施工压力范围为40～90MPa。因此模拟分析不同注水压力条件下，断层及其破碎带对页岩气储层大规模水力压裂的影响。储层大规模注水压裂产生水力裂缝，水力裂缝产气区域又可统称为水力破坏区域。结果显示注水压力升高，水力破坏区域延伸到断层，并沿着断层扩展延伸。储层水力压裂产生的破坏区域和断层内的水力破坏区域形成压裂液和页岩气运移通道。断层内水力破坏区域表征了断层对储层水力压裂和储层密闭稳定性的影响程度。依据水力破坏准则，数值计算结果中储层、断层、封闭顶板岩层内部的水力破坏范围如图6所示，深蓝色为发生水力破坏区域，浅色为未发生水力破坏区域。

图6 水力压裂下岩体水力破坏区域

低注水压力条件下水力压裂产生的破坏区域有限，3个注水口附近的水力破坏区域没有出现连通，局限于注水口附近，注水压裂产生的破坏区域没有延伸到断层及其破碎带内(图6)。岩层水平主应力较高，岩石裂缝沿着最大主应力方向发展，因此水力破坏区域在水平方向延伸明显。高注水压力升高使得3个注水口产生的水力破坏区域明显扩大，且破坏区域出现叠加并且相互影响，导致中间注水口附近的水力破坏区域最大。最左侧注水口附近的水力破坏区域受到断层的影响，断层及破碎带内出现了水力破坏区域。注水压力的升高使得断层带内的破坏区域扩大，断层内水力破坏高度上升，突破了储层的限制。

此外，高注水压力导致储层水力破坏区域不断扩展，图6d中间注水口产生的破坏区域突破了上部封存顶板限制，导致顶板岩层的底部出现水力破坏。且注水压力进一步升高，3个注水口产生的水力破坏区域都突破了储层的封闭，封闭顶板底部的水力破坏区域扩大，局部打破了储层的封闭性(图6e和图6f)。更高注水压力条件下断层带内的破坏区域逐渐扩展，断层带内水力破坏区域不仅继续沿着垂向方向发展，断层带横向方向也出现水力破坏区域。注水压力逐渐升高使得断层带内的水力破坏区域突破顶板封闭而延伸到上覆岩层，严重破坏储层封闭性。断层存在扩大了储层水力破坏范围，延伸了水力破坏高度。

图6中展示的储层水力压裂破坏区域范围表明，水力破坏局部区域突破封闭顶板和底板，但整体上对储层的封闭作用仍然有效。同时注水压裂施工过程应考虑较大范围的水力破坏区域，利于页岩气的回收速率。断层水力破坏高度尽管会扩展水力破坏范围，但是图6结果表明，断层只是局部出现了水力破坏区域，因此断层内较难出现大规模的破坏，难以存在诱发破坏性大地震的可能。

4.2 断层水力破坏面积和高度

涪陵焦石坝区块页岩气藏封闭顶板和底板的突破压力较高，顶板突破压力为69.8～71.2MPa，底板的突破压力为65.4～70.1MPa。水力破坏区域大小和高度反应了储层大规模水力压裂作用的效果，也间接表征储层注水压裂对封闭顶板和断层内水力破坏的程度，揭示了断层存在对于页岩气储层水力压裂的影响。图7显示不同注水压力下模型、储层、断层、顶板区域内水力破坏面积。

图7 水力破坏区域体积(单位厚度)

随着注水压力增加，水力破坏区域逐渐扩大，当注水压力达到60MPa，水力破坏区域增加趋势减弱，因封闭顶板和底板比较致密，孔隙率和渗透率比较低，需要较高的注水压力才能在顶板盖层和底板产生水力破坏，并且顶板和底板新产生的水力破坏区域远离注水口，沿程消耗水头能量。图7中模拟的结果分析得到，注水压力大于70MPa时，顶板盖层出现水力破坏区域并随着注水压力上升而明显增加，数值模拟结果显示顶板的突破压力在70MPa左右，与实际现场结果相一致(郭旭升， 2014)。

由图8分析得到，断层带内水力破坏高度随着注水压力升高而上升，注水压力达到最大90MPa时，断层内部水力破坏高度达到80m左右，是储层水力破坏高度的2倍左右，但断层水力破坏区域是局部的，而不是整个断层区域出现了大规模水力破坏。断层存在扩大了储层水力破坏范围，延伸了水力破坏高度，断层带内水力破坏严重影响储层封闭性。

图8 断层水力破坏高度

4.3 孔隙压力演化和压裂液流动分析

高压流体在岩层中产生裂缝且流体沿着扩展裂缝快速运移。注水压裂过程中，注水口附近首先产生水力破坏，压裂液沿着裂缝水头损失，孔隙水压力逐渐降低，因此水力破坏区域范围影响岩石孔隙水压力的大小和流体速度，反之孔隙水压力和流速也会影响水力裂缝的延伸和破坏区域的形成。断层及其破碎带内的孔隙率和渗透率比较高，岩石强度低，注水压裂易在断层内产生水力破坏区域，与上部高渗地层贯通形成流体快速逸散的通道(图9)。

图9 孔隙压力演化和压裂液流动方向

较低注水压力使得水力破坏区域主要集中于注水口附近，孔隙水压力云图显示注水口附近区域孔隙水压力较高，远离注水口孔隙水压力逐渐降低。受较小的注水压力和储层范围的限制，封闭顶板和底板区域内岩层的孔隙水压力很小或者几乎为零。由图7中孔隙压力云图分析得到，注水压力上升导致岩石的孔隙水压力越高，水力破坏区域扩大，使得岩层的孔隙率和渗透率上升，压裂液流动的阻力减小，储层内部的孔隙水压力梯度变大。流体在较高的孔隙水压力作用下能够突破储层进入封闭顶板和封闭底板(图9c)，封闭顶板岩层底部的孔隙压力随着注水压力升高而增大。封闭顶板和底板的岩层致密，孔隙率和渗透率较低，压裂液沿着裂缝流动的水头能量损失较大，岩层孔隙水压力梯度较小。

图9中箭头大小和方向表示压裂液流体的速度大小和方向，注水口附近的压裂液流速很快，且最左侧注水口压裂液流速和大小明显受到断层的影响。流体进入断层后，由于断层内部较高的孔隙率和渗透率，断层内孔隙水压力较大且流速高，断层内箭头指向也表明流体沿着断层快速向上流动。高渗透率、低强度断层成为压裂液快速流动的通道，使得压裂液能够突破上部顶板岩层的封闭进入高渗地层。另外，图9中高渗地层中的压裂液流动箭头水平指向表明流体沿断层进入了高渗岩层，高压流体不仅沿着断层垂向流动，也沿着高渗岩层横向流动，提高压裂液和气体的逃逸扩散风险。

4.4 断层和顶板变形和孔隙压力模拟分析

页岩气储层的大规模水力压裂过程中，高压注水可能产生有毒压裂液和气体逃逸扩散等环境问题，流体的扩散逃逸的可能通道是突破上部封闭顶板和沿着断层水力破坏区域，因此断层和顶板岩层对于页岩气藏的封闭和水力压裂过程中可能产生的环境效应尤为重要。本文在数值计算模型中断层和顶板岩层底部设置监测线，对注水过程中岩层内部孔隙水压力进行监测，研究封闭顶板及断层内部孔隙水压力分布特征，分析判断储层注水突破封闭顶板可能性和断层带内高渗透破坏区域范围。

高压注水导致断层内部的孔隙水压力明显升高，且离注水口近的断层区域孔隙水压力最高(图10)。沿着断层带孔隙压力逐渐减小，与上部高渗地层连接的断层区域，孔隙水压力变化趋势较缓。断层高孔隙水压力显示水力破坏区域的高渗透性，表明局部性贯通通道形成，进一步影响储层封闭性。但断层内部出现高孔隙水压力的长度范围有限，再次佐证了断层出现水力破坏是局部的。此外沿断层带一定长度范围内都保持较高的孔隙水压力，表明在长时间以及多阶段较高注水压力极端条件下，沿断层出现高渗透性通道的可能性较大，存在流体沿着高渗透通道运移到上面含水层的风险性，进一步的研究应关注长时间注水压裂下断层带内孔隙水压力和渗透率的动态响应规律。

图10 监测线1-断层内孔隙水压力

断层内部岩石强度低，断层破碎带内孔隙率和渗透率较高，并且注水压力越高，流体迁移的速度越大，注水口附近的断层区域流体扩散的速度最高(图11)。当注水压力达到最大时，断层内流速最大可达到2cm·s-1，流体快速逸散消耗水头能量，影响了储层的压裂效率，也增加了流体上移扩散并污染上覆岩层风险。

图11 监测线1-断层内压裂液流速

顶板岩层底部的孔隙压力监测结果表明，储层注水压裂使得水力破坏区域延伸较远，注水口相互影响，使得中间注水口100m处顶板底部孔隙压力偏高(图12)，另外断层内部较高的孔隙率和渗透率，使得断层孔隙压力升高。顶板的岩层底部孔隙压力在注水压力达到最大90MPa时，孔隙压力已经超过了50MPa，顶板岩层底部发生较大的变形破裂，导致储层顶板封闭性能下降。

图12 监测线2-顶板底部孔隙水压力

5 讨 论

5.1 断层水力破坏及其危险性评价

多物理场模拟分析得到储层注水压力较高时，储层水力破坏区域能够突破封闭顶底板的限制，断层存在扩大了储层水力破坏的范围，延伸了水力破坏高度，且断层水力破坏高度是储层水力破坏高度的两倍左右，与前人的模拟结果相一致(赵海军等， 2016)。断层水力破坏不仅导致了储层封闭性的改变，也影响储层水力压裂过程，能量损失使储层水力压裂难以形成复杂网状裂缝进而降低页岩气开采价值。尽管在涪陵焦石坝页岩气储层中，顶板以及上覆岩层的厚度较大，岩层比较致密，断层内水力破坏区域延伸不远，但很大程度上增加了流体泄露的风险。同样的水力破坏高度和范围对于上覆岩层较薄的页岩气储层会有更大的风险(Verdon et al.，2013; Wang et al.，2016)，例如美国Marcellus页岩气田中储层最浅埋深在地下500m(Jasechko et al.，2017)，而浅部含水层深度为200m，压裂液沿断层泄露污染浅部含水层风险性更大。此外，在常规储层勘探开采中，地下深部污染物运移到地表需要上万年的时间，但页岩储层水力压裂的流体扩散运移时间同比将减少几十年或几百年，断层或者断裂带的存在将进一步减少时间，这对于地下水质有重要影响，且这种影响应该利用监控系统来追踪污染物和气体的运移(Myers， 2013; Gassiat et al.， 2013)。

5.2 储层封闭性改变和流体逸散可能性通道

注水压裂导致断层内部出现局部的水力破坏，但难以形成大规模滑移破坏，而流体可以在长时间范围内沿着破坏性高渗通道逃逸扩散，因此流体向上逸散可能性通道的研究至关重要。

注水压裂影响甚至严重破坏储层封闭性，因复杂地质构造条件和施工工艺，储层高压流体存在多种可能性逸散通道。已有研究分析了深部压裂液的泄漏途径可能工况主要包括水力裂缝贯通井道或小断层活化导致套管破裂，休眠断层或断裂的重新激活，水力裂缝贯通地质体大尺度垂直构造裂缝，封闭顶板和底板破裂，工程活动范围内已有钻井或者废弃未堵塞钻井贯通，浅部水泥封堵环和套管破坏失效以及上覆高渗透岩层贯通断层活化区域形成高渗透通道(李廷微等， 2015; Reagan et al.，2015； 冯雪磊等， 2016)。图13展示了流体向上运移的情景概念图：图13a和图13b展示断层或大尺度断裂影响下，流体可能上移通道。然而已有的研究包括本文研究结果表明，断层出现大规模的活化引发破坏性大地震可能性很小，往往会在强度弱化的断层构造区域出现局部水力破坏区域，形成高渗透通道，当连接上部高渗透性地层时，在长时间高水压工况下，压裂液扩散上覆地层的可能性较高(图13b)。图13c显示储层水力裂缝向上突破储层限制进入封闭顶板，进而贯通存在的构造垂直裂缝，进而形成流体逸散快速通道。但页岩储层具有自生自储特点以及低渗致密的储-盖封闭体系特征(邹才能等， 2015)，存在大规模构造垂直裂缝可能性较小，而一些局部发育的裂缝或断层等结构面往往具有更低的渗透性，尤其是断层核内(陈建业等， 2012)，且水力压裂改造区域往往远离通天断裂带。图13d和图13e分析了垂直井密封性丧失，图13d破裂情景表明，水平钻井的水力裂缝延伸到垂直钻井，导致封堵水泥环功能失效，断层、裂缝等结构面存在导致垂直井壁在地应力下剪切破坏，进而导致套管损坏(张智等， 2019)，井壁对压裂液以及页岩气封堵失效。浅部已破碎地层更容易发生水泥环封堵失效而产生压裂液漏失(图13e)，因浅部的上覆岩层往往存在较破碎地层并且浅部地层靠近地下含水层，而且已有的研究监测表明含水层的压裂液漏失来源于垂直钻井浅部封堵失效的概率较大(Gallegos et al.，2015; Reagan et al.，2015)，因此相比深部断层和高渗地层的流体漏失上移，浅部钻井密封失效问题也应给予更多关注。总的来说，储层封闭性改变导致高压流体向上覆地层运移，逸失扩散路径往往是高渗透性通道，除了基于地质构造背景和压裂工况考虑贯通性通道，深部断裂或者断层破碎带等通道的渗透率动态演化也是控制长时间高压流体的扩散高度和逃逸路径的关键因素。

图13 污染物向上运移通道的破坏情景

6 结 论

本文以商业化开采的页岩气藏为例，利用渗流场和应力场耦合的数值方法来分析断层影响下储层水力压裂过程。

一方面，水力压裂过程中断层会改变水力破坏区域形态并且扩展了水力破坏空间。较高注水压力导致储层水力破坏区域扩大到封闭顶板和封闭底板。储层水力破坏区域明显受到断层影响，断层内部的水力破坏区域延伸了储层水力破坏的高度，注水压力达到最大时，断层水力破坏的高度是储层破坏高度的两倍，破坏储层密闭完整性。此外断层水力破坏区域扩展消耗了储层水压能量，导致储层水力压裂效率降低，影响页岩储层的压裂改造。

另一方面，水力压裂在断层内难以产生贯通性水力破坏区域，小地震事件可能性远大于破坏性地震出现。但孔隙压力和压裂液流动方向云图结果显示断层内部水力破坏区域与上部高渗透岩层贯通时，明显加快了压裂液和页岩气的逃逸速度，会增大有毒压裂液污染上部地层的风险，降低了页岩气资源经济开发价值。因此后续研究应持续关注可能性高渗逸散通道出现及其渗透性演化规律。