頁巖氣藏天然裂縫剪切破裂研究

摘 要：頁巖氣的資源量巨大、需求量極高特點(diǎn)使得它在全球能源中有著不可替代的地位，也是目前油氣藏所開發(fā)的重點(diǎn)。在頁巖儲(chǔ)層低孔超低滲透的物性情況下，需要通過水平鉆井以及壓裂改造來實(shí)現(xiàn)頁巖氣的有效開采。在天然裂縫時(shí)閉合的前提下，根據(jù)裂縫交點(diǎn)處滿足的裂縫相交準(zhǔn)則進(jìn)行力學(xué)分析，基于破裂機(jī)理相關(guān)理論， 從不同裂縫相交角對(duì)臨界剪切破壞的影響、不同水平應(yīng)力差對(duì)臨界剪切破壞的影響以及天然裂縫內(nèi)聚力的影響三方面進(jìn)行分析，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

關(guān)鍵詞：頁巖氣;天然裂縫;相交準(zhǔn)則;剪切破裂

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

0 引言

根據(jù)資源量的初步估算和地質(zhì)類比法分析，我國有著優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)條件孕育頁巖氣，與美國頁巖氣資源量不相上下[1]。因此，作為一個(gè)石油對(duì)外依存度超過50%的國家，我國應(yīng)該從美國頁巖氣革命成功的經(jīng)驗(yàn)中獲得啟示，即重視頁巖氣工業(yè)的發(fā)展，建立一套成熟完整的開發(fā)體系。頁巖儲(chǔ)層中天然裂縫的存在決定著壓裂過程中能否形成縫網(wǎng)，準(zhǔn)確了解天然裂縫相交水力裂縫的作用過程和機(jī)理是掌握裂縫縫網(wǎng)的形成機(jī)理的前提[2]。

研究分析水力和天然裂縫在相交開始時(shí)刻的破裂方式以及延伸方式的前提是水力裂縫前方有著一條天然裂縫是相交作用開始時(shí)刻的狀態(tài)，隨著時(shí)間推移水力裂縫不停伸展從而慢慢靠近天然裂縫，逐步伸展的水力裂縫在和天然裂縫產(chǎn)生相交作用前無任何轉(zhuǎn)向[3]。本文研究了不同裂縫相交角對(duì)臨界剪切破壞的影響、不同水平應(yīng)力差對(duì)臨界剪切破壞的影響、天然裂縫內(nèi)聚力對(duì)臨界剪切破壞的影響三方面，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

1 破裂機(jī)理

在裂縫出現(xiàn)剪切破裂的情況下，由于裂縫交點(diǎn)處壓力較小，無法達(dá)到直接穿過天然裂縫的力學(xué)條件，因此，此類模型的前提是天然裂縫時(shí)閉合的，裂縫交點(diǎn)處的壓力滿足Warpinski裂縫相交準(zhǔn)則。

通過線性摩擦理論可知，在天然裂縫面自身的力學(xué)強(qiáng)度無法干擾裂縫之間的滑動(dòng)作用的情況下，天然裂縫就會(huì)產(chǎn)生剪切滑動(dòng)[4]，其臨界滑動(dòng)狀態(tài)關(guān)系式為：

式中，τ0—天然裂縫的內(nèi)聚力，MPa;

T—遠(yuǎn)場應(yīng)力作用的天然裂縫上的剪切力分量，Mpa;

Kf—摩擦系數(shù)。

結(jié)合應(yīng)力場以及天然裂縫的方位，利用二維應(yīng)力解得：

2 模型建立

首先需要說明的是，在裂縫延展到交點(diǎn)時(shí)，因?yàn)閴毫岩旱臑V失影響到天然裂縫內(nèi)部壓力下降，導(dǎo)致天然裂縫內(nèi)部其它位置的壓力都會(huì)小于交點(diǎn)處的液體壓力。通過裂縫相交準(zhǔn)則可知：剪切破裂可能會(huì)產(chǎn)生在水力裂縫與天然裂縫相交后的天然裂縫位置處，而剪切破裂會(huì)導(dǎo)致大量壓裂液的濾失，這個(gè)狀態(tài)下水力裂縫的延伸路徑不會(huì)改變，然而交點(diǎn)處的液體壓力會(huì)下降。

此處需要說明的是，在模型的力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)中，必須要考慮水力裂縫尖端的特殊應(yīng)力場（斷裂力學(xué)），即裂縫尖端應(yīng)力場與地應(yīng)力場，否則僅僅依據(jù)Blanton公式推導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，在求解水力裂縫尖端液體壓力時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述模型，以此模型為理論基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見下表，單一地分析各參數(shù)時(shí)采用控制變量法。

根據(jù)水力裂縫與天然裂縫相交后發(fā)生剪切破裂的數(shù)據(jù)表進(jìn)行了以下計(jì)算分析。

3.1 不同裂縫相交角對(duì)臨界剪切破壞的影響

可以從公式推導(dǎo)得出，在賦值之后得出裂縫交點(diǎn)液體壓力與裂縫相交角的關(guān)系如圖1。

從圖1顯示的數(shù)據(jù)與發(fā)生剪切破裂的應(yīng)力對(duì)比得出，兩條裂縫相交角度的變化范圍是約30°—60°時(shí)，剪切破裂會(huì)產(chǎn)生在天然裂縫位置處。

從公式推導(dǎo)中還可以得出的是，摩擦系數(shù)的存在是起到斜率的作用，當(dāng)天然裂縫出現(xiàn)剪切破裂時(shí)，水力裂縫和天然裂縫相交位置的液壓的值與摩擦系數(shù)的取值成正比，即摩擦系數(shù)越大，液壓越高。由此可知，因?yàn)樘烊涣芽p面抗剪切破裂的強(qiáng)度也與摩擦系數(shù)成正比關(guān)系，即摩擦系數(shù)的值越大的情況下，天然裂縫抗剪切的強(qiáng)度也越大，天然裂縫就越不容易出現(xiàn)剪切破裂。

3.2 不同水平應(yīng)力差對(duì)臨界剪切破壞的影響

最大最小水平主應(yīng)力差與裂縫交點(diǎn)液體壓力的關(guān)系式經(jīng)過推導(dǎo)得出如下關(guān)系：

圖2表示的情況是，當(dāng)水平主應(yīng)力差值（水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力的差值）分別為0到5Mpa之間的時(shí)候，兩條裂縫相交位置的液壓跟著兩條裂縫相交角度的變化情況。在這里取了三個(gè)特殊值，即30°，45°，與90°，從三幅圖中可以看出，水平主應(yīng)力差值和兩條裂縫交點(diǎn)處的液壓的值成反比關(guān)系，即水平主應(yīng)力差值越大，兩條裂縫交點(diǎn)處的液壓越小。但當(dāng)兩條裂縫正交（90°）的時(shí)候，不僅兩者的遞增關(guān)系發(fā)生了變化，而且所需的裂縫交點(diǎn)液體壓力變得很大，因此當(dāng)裂縫夾角很大甚至正交時(shí)，水力裂縫在接觸天然裂縫時(shí)很難發(fā)生剪切破裂，一般在此時(shí)會(huì)發(fā)生水力裂縫直接穿過天然裂縫的情況。

3.3 天然裂縫內(nèi)聚力對(duì)臨界剪切破壞的影響

下圖是內(nèi)聚力分別為2MPa、3MPa以及 4MPa 的情況時(shí)，兩條裂縫相交角度和裂縫交點(diǎn)處的液壓的關(guān)系圖。當(dāng)天然裂縫內(nèi)聚力的取值越大的時(shí)候，天然裂縫與水力裂縫交點(diǎn)處的液體壓力的值也越大，天然裂縫的內(nèi)聚力對(duì)裂縫交點(diǎn)液體壓力的影響是起到截距的作用，起到直線遞增的關(guān)系。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）通過裂縫相交準(zhǔn)則以及破裂機(jī)理分析研究了力學(xué)行為，研究了不同裂縫相交角對(duì)臨界剪切破壞的影響、不同水平應(yīng)力差對(duì)臨界剪切破壞的影響、天然裂縫內(nèi)聚力對(duì)臨界剪切破壞的影響三方面，為天然裂縫剪切破裂研究提供了手段。

（2）在天然裂縫發(fā)生剪切破裂的情況下，隨著兩條裂縫相交角度的增加，天然裂縫與水力裂縫交點(diǎn)處的液體壓力先降低然后增加;隨著水平主應(yīng)力差值的增大，天然裂縫與水力裂縫交點(diǎn)處的液體壓力的值越來越小。

（3）當(dāng)天然裂縫內(nèi)聚力的取值越大的時(shí)候，天然裂縫與水力裂縫交點(diǎn)處的液體壓力的值也越大，天然裂縫的內(nèi)聚力對(duì)裂縫交點(diǎn)液體壓力的影響是起到截距的作用，起到直線遞增的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金川，姜生玲，唐玄等.我國頁巖氣富集類型及資源特點(diǎn)[J].天然氣工業(yè)，2009，29（12）：1-6.

[2]江凱禧，彭麗，何文祥等.頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性研究——以四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組為例[J].海洋地質(zhì)前沿，2014，30（08）：47-53.

[3]張東曉，楊婷云，吳天昊等.頁巖氣開發(fā)機(jī)理和關(guān)鍵問題[J].科學(xué)通報(bào)，2016，61（01）：62-71.

[4]侯冰，陳勉，王凱等.頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)體系[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2014，27（06）：42-49.

作者簡介：劉晶莉（1985-），女，湖北潛江人，本科，工程師，研究方向：地質(zhì)動(dòng)態(tài)分析。