天然裂縫分布對(duì)水力裂縫擴(kuò)展及近井筒孔隙壓力的影響

張小軍 ，李軍 ，2，張慧 ，連威 ，何龍 ，劉偉

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石化西南油氣分公司，四川 成都 610041）

0 引言

目前，頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵和核心技術(shù)是“水平井+多級(jí)壓裂”［1-7］，但由于頁巖儲(chǔ)層脆性大，且發(fā)育大量天然裂縫、層理弱面等結(jié)構(gòu)，因此會(huì)改變水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律［8-11］。在壓裂過程中，當(dāng)水力裂縫遇到天然裂縫時(shí)，可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向、溝通和穿過，導(dǎo)致水力裂縫擴(kuò)展不同于常規(guī)的對(duì)稱雙翼擴(kuò)展，近井筒附近壓力的變化規(guī)律也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變［12-15］。

針對(duì)含天然裂縫儲(chǔ)層水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律及壓裂后近井筒附近孔隙壓力的變化，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了一系列的探索和研究。1）在水力裂縫擴(kuò)展方面：Daneshy等［16-18］研究了天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響，巖樣中的弱結(jié)構(gòu)（如孔隙、微裂縫等）會(huì)影響水力裂縫的最終延伸路徑。Warpinski［19］研究表明，在水力裂縫遭遇天然裂縫后，存在直接穿過天然裂縫、天然裂縫張開后阻止水力裂縫延伸以及天然裂縫剪切破裂后阻止水力裂縫延伸3種方式。劉順等［20］研究表明，注入流體流量越大、距離水力裂縫越近、儲(chǔ)層彈性模量越大，則天然裂縫入口壓力越大，天然裂縫延伸也越長。2）在水力裂縫擴(kuò)展過程中近井筒孔隙壓力變化方面：Ge等［21］通過建立解析模型，計(jì)算了水力裂縫周圍產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力和孔隙壓力分布，并通過計(jì)算確定了天然裂縫活化所需要的額外孔隙壓力。Furui等［22］認(rèn)為壓裂改造作用會(huì)破壞儲(chǔ)層巖石，使其局部發(fā)生較大變形，從而產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)，同時(shí)，經(jīng)過壓裂作用之后，近井筒地帶會(huì)出現(xiàn)孔隙壓力較高的區(qū)域。趙金洲等［23-24］通過研究發(fā)現(xiàn)，水力裂縫擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力場，進(jìn)而引起局部應(yīng)力場增加。Lian等［25］基于現(xiàn)場微地震事件點(diǎn)，建立套管-水泥環(huán)-地層組合體模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究結(jié)果表明，在多級(jí)壓裂過程中，由于進(jìn)行多次的分段壓裂，局部儲(chǔ)層遭受多次壓裂作用，導(dǎo)致儲(chǔ)層的地應(yīng)力場發(fā)生重新分布，出現(xiàn)“應(yīng)力虧空現(xiàn)象”。

上述對(duì)于含天然裂縫儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展及近井筒孔隙壓力變化的研究，大多數(shù)未考慮天然裂縫分布情況對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律和壓裂后近井筒孔隙壓力的變化情況。本文基于長寧區(qū)塊壓裂井螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)解釋結(jié)果以及各段微地震信號(hào)分布特征的分析，利用有限元數(shù)值模型，建立了天然裂縫不同分布條件下的水力壓裂模型，對(duì)比分析了天然裂縫不同分布條件下水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，并明確了近井筒附近孔隙壓力的變化情況，最后分析了壓裂簇?cái)?shù)、壓裂液黏度和排量等壓裂參數(shù)對(duì)孔隙壓力變化的影響。

1 天然裂縫與微地震信號(hào)分布對(duì)比

1.1 天然裂縫識(shí)別概況

在水力壓裂過程中，當(dāng)水力裂縫與地層中的斷層、天然裂縫溝通后，大量壓裂液會(huì)進(jìn)入斷層和天然裂縫。當(dāng)天然裂縫等結(jié)構(gòu)被激活時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的微地震響應(yīng)。水力裂縫延伸到天然裂縫時(shí)，經(jīng)常能觀察到大量的微地震事件，并且微地震事件的震級(jí)越高，微地震的延伸方向越容易發(fā)生改變。

對(duì)于長寧×井天然裂縫的識(shí)別，綜合考慮微地震事件點(diǎn)數(shù)量、震級(jí)及矩張量反演結(jié)果，同時(shí)與地震屬性提取的螞蟻體結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到長寧×井的天然裂縫發(fā)育情況?；诂F(xiàn)場反演結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：長寧×井在水平段井控區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育4組天然裂縫，并且水平段趾端及中間段高震級(jí)、高剪切分量事件點(diǎn)明顯多于根端，延伸方向與水平段軌跡夾角較小。

1.2 壓裂段微地震信號(hào)分布特征

頁巖氣水平段儲(chǔ)層發(fā)育的天然裂縫會(huì)影響水力裂縫的擴(kuò)展，進(jìn)而影響水力壓裂的改造效果。通過分析長寧×井第1—6壓裂段、第10—28壓裂段微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：第1—3壓裂段微地震事件點(diǎn)沿近70°方向與井筒斜交并延伸明顯，第5壓裂段仍舊受天然裂縫影響，第6壓裂段微地震事件整體方向?yàn)榇怪本卜较颍f明裂縫開始沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展。第10—18壓裂段微地震事件點(diǎn)均沿著天然裂縫帶延伸，第19—21壓裂段受天然裂縫帶影響變小，裂縫開始在井筒東側(cè)沿垂直井筒方向延伸，但第22—28壓裂段微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，有另外一個(gè)方向的天然裂縫帶，仍舊主導(dǎo)裂縫的延伸方向。

上述實(shí)例說明，井筒周圍發(fā)育的天然裂縫對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展具有明顯的引導(dǎo)作用，水力裂縫很難突破天然裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸。根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于水力裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展延伸，不同于常規(guī)水力裂縫的對(duì)稱擴(kuò)展，從而導(dǎo)致局部改造效果差，水力壓裂改造效果呈現(xiàn)非對(duì)稱分布的現(xiàn)象。

2 水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律

儲(chǔ)層中天然裂縫的分布特征對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展具有較大影響，所以當(dāng)壓裂段附近天然裂縫的分布位置不同時(shí)，其對(duì)壓裂段內(nèi)水力裂縫擴(kuò)展的影響也會(huì)有所不同。根據(jù)前文對(duì)長寧×井微地震信號(hào)分布特點(diǎn)的分析，本節(jié)基于現(xiàn)場微地震資料和螞蟻體解釋結(jié)果，建立了水力壓裂數(shù)值模型，來分析天然裂縫不同分布條件下的水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

2.1 天然裂縫破裂分析

頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育的大量天然裂縫，是存在于巖石中的弱面結(jié)構(gòu)，在原始地應(yīng)力和地層孔隙壓力的作用下保持相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)利用水力壓裂作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造時(shí)，大量壓裂液被注入地層，會(huì)改變儲(chǔ)層原始地應(yīng)力和地層孔隙壓力的分布情況，在一定條件下，天然裂縫會(huì)發(fā)生破壞。

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，天然裂縫發(fā)生剪切破壞的條件為

式中：σH，σh分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；c 為內(nèi)聚力，MPa；μ為摩擦因數(shù)；σn為天然裂縫所受主應(yīng)力，MPa；θ為天然裂縫和 σh的夾角，（°）。

在水力壓裂過程中，壓裂液進(jìn)入天然裂縫后會(huì)影響縫內(nèi)正應(yīng)力分布。當(dāng)縫內(nèi)流體壓力超過天然裂縫面上的有效正應(yīng)力時(shí)，天然裂縫會(huì)發(fā)生張性破壞：

式中：pf為縫內(nèi)流體壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)。

2.2 有限元數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場的微地震資料和螞蟻體解釋結(jié)果，相鄰2段壓裂段附近的天然裂縫分布位置分為以下4種：情況1，第1壓裂段一側(cè)分布天然裂縫；情況2，第1壓裂段兩側(cè)分布天然裂縫；情況3，相鄰壓裂段對(duì)角側(cè)分布天然裂縫；情況4，相鄰壓裂段全局分布天然裂縫。分別觀察其水力裂縫擴(kuò)展情況。

模型尺寸為120 m×120 m，模擬相鄰2段壓裂，且每段含3簇射孔，其中段長、簇間距取長寧×井的平均段長、簇間距，分別為50 m和15 m。根據(jù)現(xiàn)場螞蟻體追蹤預(yù)測(cè)結(jié)果，天然裂縫的走向與水平井筒的夾角多為30°～70°，所以在模型中隨機(jī)預(yù)設(shè)2組夾角為45°和60°的天然裂縫。通過對(duì)模型全局嵌入Cohesive孔壓單元來模擬水力裂縫在裂縫發(fā)育型地層擴(kuò)展，利用Cohesive孔壓單元的損傷開裂模擬裂縫的擴(kuò)展行為［26］。模型的網(wǎng)格類型采用流固耦合單元CPE4P，模擬飽和多孔介質(zhì)的頁巖儲(chǔ)層，預(yù)設(shè)裂縫的單元類型為COH2D4P，以此來模擬水力裂縫隨機(jī)擴(kuò)展過程。

模擬采用ABAQUS自帶soil模塊進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合分析，地應(yīng)力采用有效地應(yīng)力，采用集中點(diǎn)注入的方式進(jìn)行壓裂，在注入點(diǎn)附近沿最大主應(yīng)力方向設(shè)置長為1 m的預(yù)制裂縫，每段壓裂時(shí)長為10 s。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元數(shù)值模型參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對(duì)天然裂縫分布位置的4種情況分別進(jìn)行模擬，其計(jì)算結(jié)果云圖如圖1所示。其中，黑色圓圈代表水力裂縫和天然裂縫溝通點(diǎn)，黑色方框代表水力裂縫擴(kuò)展后孔隙壓力擾動(dòng)區(qū)。

圖1 不同天然裂縫分布條件下水力裂縫擴(kuò)展結(jié)果

從圖1可以看出：

1）第1壓裂段一側(cè)分布天然裂縫。在第1壓裂段的上側(cè)，第1簇裂縫在遭遇天然裂縫后，會(huì)停止向含天然裂縫一側(cè)擴(kuò)展，第2，3簇裂縫在擴(kuò)展過程中溝通了天然裂縫，更容易向含天然裂縫一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展；在第2段壓裂過程中，靠近第1段壓裂區(qū)的裂縫受到壓力干擾，不易向含天然裂縫一側(cè)擴(kuò)展。2段的水力裂縫均出現(xiàn)非均勻擴(kuò)展，導(dǎo)致井筒兩側(cè)的孔隙壓力擾動(dòng)出現(xiàn)了明顯的非對(duì)稱現(xiàn)象。

2）第1壓裂段兩側(cè)分布天然裂縫。在第1壓裂段，第1，2簇水力裂縫溝通井筒上側(cè)天然裂縫，第3簇水力裂縫溝通了下側(cè)天然裂縫；第2段壓裂過程中，靠近第1段的裂縫簇受到前一級(jí)壓裂的應(yīng)力干擾，裂縫的擴(kuò)展受到一定影響?？紫秹毫_動(dòng)區(qū)也呈現(xiàn)非對(duì)稱，但是擾動(dòng)范圍相比情況1有一定的增大。

3）相鄰壓裂段對(duì)角側(cè)分布天然裂縫。與前2種情況的結(jié)果類似，水力裂縫非均勻擴(kuò)展，但在第2段壓裂過程中，第1簇裂縫在溝通天然裂縫之后，與第1段的第3簇裂縫相互連通，使得第3簇裂縫擴(kuò)展長度增大，擴(kuò)大了孔隙壓力擾動(dòng)范圍。

4）相鄰壓裂段全局分布天然裂縫。相較于前3種情況，水力裂縫和天然裂縫的溝通點(diǎn)有了明顯的增多。在經(jīng)過2段的壓裂之后，孔隙壓力擾動(dòng)范圍及擾動(dòng)值均明顯增大。

整體而言，當(dāng)井筒附近分布天然裂縫的時(shí)候，水力裂縫的擴(kuò)展均會(huì)受到天然裂縫的影響，發(fā)生非均勻擴(kuò)展，從而導(dǎo)致井筒兩側(cè)的孔隙壓力擾動(dòng)區(qū)也呈現(xiàn)非對(duì)稱的現(xiàn)象。但當(dāng)壓裂段全局分布天然裂縫時(shí)，其水力裂縫和天然裂縫的溝通點(diǎn)會(huì)明顯多于其他情況，而且孔隙壓力的擾動(dòng)范圍及擾動(dòng)值也都大于其他3種情況。

3 近井筒孔隙壓力變化規(guī)律

為了進(jìn)一步明確水力裂縫的非均勻擴(kuò)展對(duì)近井筒附近孔隙壓力的影響，分別對(duì)不同天然裂縫分布條件下近井筒水平方向和垂直方向的孔隙壓力變化進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)此，分別選取沿井筒水平方向和垂直井筒方向上的2條路徑，來分析對(duì)比4種情況下水力裂縫擴(kuò)展后近井筒附近的孔隙壓力變化情況。

3.1 沿井筒水平方向孔隙壓力變化規(guī)律

不同天然裂縫分布條件下，壓裂后沿井筒水平方向上的孔隙壓力分布如圖2所示。

圖2 沿井筒水平方向孔隙壓力變化規(guī)律

從圖2可以看出：在不同天然裂縫分布條件下，經(jīng)過壓裂之后，沿井筒水平方向上的孔隙壓力分布規(guī)律相似。在前3種情況下，壓裂引起的孔隙壓力擾動(dòng)值（相較于壓裂前的初始孔隙壓力值）較小，多在20 MPa左右，但在第4種情況下，孔隙壓力的擾動(dòng)值較大，多大于30 MPa。

天然裂縫的存在，導(dǎo)致水力裂縫非對(duì)稱擴(kuò)展，進(jìn)而引起壓裂液非均勻擴(kuò)散，孔隙壓力在局部位置會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)峰值。如在情況2中，孔隙壓力在水平距離40 m和75 m處達(dá)到25 MPa；情況4中，孔隙壓力在水平距離100 m左右達(dá)到37 MPa。

3.2 垂直井筒方向孔隙壓力變化規(guī)律

不同天然裂縫分布條件下，壓裂后垂直井筒方向上的孔隙壓力分布如圖3所示。

圖3 垂直井筒方向孔隙壓力變化規(guī)律

從圖3可以看出：經(jīng)過2級(jí)壓裂之后，情況4的孔隙壓力擾動(dòng)范圍會(huì)大于其他3種情況，且4種情況下井筒上側(cè)的擾動(dòng)范圍均大于下側(cè)；前3種情況下，孔隙壓力擾動(dòng)值的最大值并無變化，但情況4的孔隙壓力擾動(dòng)值的最大值在井筒附近發(fā)生較大變化，最大值達(dá)38 MPa。

綜合上述水力裂縫非均勻擴(kuò)展對(duì)近井筒附近孔隙壓力的影響分析可以得出，在天然裂縫的影響下，水力裂縫發(fā)生非均勻擴(kuò)展，使得近井筒孔隙壓力增大，且擾動(dòng)范圍呈現(xiàn)非對(duì)稱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致水平井筒在水力壓裂作業(yè)后承受非均勻外擠載荷。

4 孔隙壓力變化敏感性因素分析

綜合分析圖1—3可以得出，當(dāng)壓裂段附近分布天然裂縫時(shí)，在進(jìn)行壓裂作業(yè)后，近井筒附近的孔隙壓力會(huì)呈現(xiàn)明顯的非均勻特征。因此，為了降低近井筒孔隙壓力的非均勻分布程度，需要從壓裂參數(shù)入手調(diào)整。本節(jié)以長寧×井單段壓裂為例，壓裂段長度為60 m，開展不同壓裂參數(shù)——壓裂簇?cái)?shù)、壓裂液黏度與排量對(duì)頁巖儲(chǔ)層近井筒孔隙壓力變化規(guī)律的影響研究，為通過優(yōu)化水力壓裂參數(shù)降低孔隙壓力的非均勻分布程度提供理論依據(jù)。圖4—6分別為不同壓裂簇?cái)?shù)、壓裂液黏度和排量對(duì)近井筒附近孔隙壓力的影響曲線。

圖4 壓裂簇?cái)?shù)對(duì)近井筒孔隙壓力的影響

圖5 壓裂液黏度對(duì)近井筒孔隙壓力的影響

圖6 壓裂液排量對(duì)近井筒孔隙壓力的影響

從圖4可以看出，壓裂簇?cái)?shù)對(duì)井筒水平方向上孔隙壓力的影響較大。當(dāng)壓裂簇?cái)?shù)較少時(shí)，裂縫間的應(yīng)力干擾較小，孔隙壓力在裂縫處出現(xiàn)波動(dòng)；隨著壓裂簇?cái)?shù)的增加，裂縫間的應(yīng)力干擾增大，孔隙壓力擾動(dòng)值不斷增大，但是其波動(dòng)程度不斷降低，整個(gè)壓裂段內(nèi)的孔隙壓力值逐漸趨于平穩(wěn)。

從圖5可以看出：壓裂液黏度對(duì)近井筒孔隙壓力的影響較小，但是隨著壓裂液黏度的增加，孔隙壓力在遠(yuǎn)離壓裂區(qū)域的地方逐漸減小，僅在壓裂區(qū)域處有較大的波動(dòng)，且波動(dòng)范圍減小。

從圖6可以看出：隨著壓裂液排量的增加，近井筒孔隙壓力會(huì)發(fā)生顯著的增大，并且受壓裂液波及的區(qū)域會(huì)有小幅上升。

綜合上述壓裂簇?cái)?shù)、壓裂液黏度及排量對(duì)近井筒孔隙壓力的影響分析可以得出：對(duì)于天然裂縫發(fā)育段，增加壓裂段內(nèi)的壓裂簇?cái)?shù)以及適當(dāng)降低壓裂液黏度、排量，可以在一定程度上降低孔隙壓力的不均勻分布，從而改善套管周圍的非均勻外擠載荷。

5 結(jié)論

1）當(dāng)壓裂段附近分布天然裂縫時(shí)，會(huì)影響水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。當(dāng)水力裂縫遇到天然裂縫時(shí)會(huì)出現(xiàn)穿過天然裂縫、溝通天然裂縫以及停止擴(kuò)展等情況，使得水力裂縫呈現(xiàn)非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象，近井筒附近的孔隙壓力擾動(dòng)區(qū)也相應(yīng)地呈現(xiàn)非對(duì)稱性。

2）天然裂縫的分布位置不同，對(duì)水力裂縫的影響也各不相同。當(dāng)壓裂段全局分布天然裂縫時(shí)，其水力裂縫和天然裂縫的溝通點(diǎn)會(huì)明顯增多，而且孔隙壓力的擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)值也會(huì)明顯增大。

3）在天然裂縫發(fā)育段，增加壓裂段內(nèi)的壓裂簇?cái)?shù)以及適當(dāng)降低壓裂液黏度、排量，可以在一定程度上降低孔隙壓力的不均勻分布。