頁巖氣藏壓裂網(wǎng)狀裂縫形成機理及天然閉合裂縫激活機理

頁巖氣藏壓裂網(wǎng)狀裂縫形成機理及天然閉合裂縫激活機理

0頁巖壓裂造縫機理近年來，磺氣的開發(fā)引起了國際能源界的廣泛關(guān)注。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點。通常，頁巖氣儲集層為裂縫性低滲/特低滲儲集層，水平井分段清水壓裂改造（不加砂或少量加砂）是開采頁巖氣的有效技術(shù)手段。截至2010年，美國有85%的頁巖氣生產(chǎn)井采用水平井+多段壓裂技術(shù)采氣，如美國新田公司在Woodford頁巖部分開發(fā)井采用5～7段式壓裂，頁巖氣增產(chǎn)效果顯著。然而，由于頁巖氣儲集層的地質(zhì)、力學(xué)特征與常規(guī)油氣儲集層區(qū)別較大，對其壓裂造縫機理及壓裂影響因素尚未完全認識清楚，導(dǎo)致壓裂的設(shè)計、實施缺少定量的科學(xué)依據(jù)。脆性頁巖壓裂采用清水壓裂液，經(jīng)人工壓裂改造后形成高度密集的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)高黏度壓裂液壓裂形成兩條對稱的翼型裂縫具有本質(zhì)區(qū)別。已有的基于巖石準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析的二維、擬三維及全三維壓裂理論模型難以表征頁巖裂縫特征?；陧搸r壓裂的裂縫擴展屬于脆性材料的動態(tài)斷裂的認識，本文采用巖石斷裂動力學(xué)理論研究網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)的形成機理，分析施工排量等人為因素以及地應(yīng)力、天然裂縫產(chǎn)狀、儲集層巖石力學(xué)參數(shù)等自然因素與裂縫延伸的關(guān)系，探討最小臨界排量的計算方法，并研究不加砂清水壓裂激活天然閉合裂縫的機理及裂縫面滑移量的計算方法，分析不同條件下天然裂縫激活效率，以期為頁巖氣壓裂設(shè)計與實施提供科學(xué)依據(jù)。1裂縫轉(zhuǎn)向過程主要影響因素的確定依據(jù)Gale等的研究，水力裂縫在井筒附近沿最大地應(yīng)力方向延伸（見圖1），在遇到天然裂縫后形成左右兩個一級分支裂縫，一級分支裂縫在延伸到其端部后會發(fā)生轉(zhuǎn)向繼續(xù)沿最大地應(yīng)力方向延伸，遇到天然裂縫后將形成兩個二級分支裂縫（見圖1）。以此類推，水力裂縫與天然裂縫相互交錯，形成高度密集的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。如果壓裂液排量較小，水力裂縫在溝通天然裂縫后壓力就會低于發(fā)生轉(zhuǎn)向需要的壓力，隨著壓裂液注入，壓力逐漸上升直至裂縫在左端或右端發(fā)生轉(zhuǎn)向，該轉(zhuǎn)向過程可用斷裂靜力學(xué)方法來研究；而為了形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，需要天然裂縫左右端同時滿足裂縫轉(zhuǎn)向條件，左右端分支裂縫同時延伸所需壓力高于裂縫準(zhǔn)靜態(tài)擴展所需的壓力，因此，必須采用斷裂動力學(xué)的方法來研究所需的排量。以最小地應(yīng)力方向（井軸方向）為X，最大地應(yīng)力方向為Y建立坐標(biāo)系（見圖1），以第n級分支裂縫為例，裂縫面單位法向矢量為：作用在裂縫面上的正應(yīng)力可由下式算得：圖2為一級分支裂縫與水力壓裂縫關(guān)系示意圖。天然裂縫的長度記為2a，水力裂縫與天然裂縫的交點將天然裂縫分為a1、a2兩段（其中a1<a2）。采用疊加原理分別計算天然裂縫內(nèi)充滿壓裂液時其一級分支裂縫端部的動態(tài)應(yīng)力強度因子：由（3）式可知，A點動態(tài)應(yīng)力強度因子較B點小，只需A點滿足裂縫轉(zhuǎn)向條件則B點自動滿足，因此：由（2）—（4）式可以確定裂縫轉(zhuǎn)向所需的縫內(nèi)壓力，根據(jù)縫內(nèi)壓力條件可以確定排量。第n級分支裂縫排量（Qn）與泵排量（Q）的關(guān)系為：忽略縫內(nèi)沿寬度、高度方向的流動以及裂縫連接點、端部的復(fù)雜流動，視壓裂液流動為沿裂縫長度方向的一維層流，該假設(shè)對細長的頁巖水力裂縫是適合的。陽友奎等假定流體不可壓縮，基于流量等效原則，得出第n級分支裂縫縫內(nèi)壓力（p(y)）與Qn的一般關(guān)系：嚴(yán)格來說，p(y)為沿縫長分布的函數(shù)，F(xiàn)(y)、P(y)為呈近似線性分布的函數(shù)。對細長裂縫來說，壓力變化梯度很小，此處取均值（F=2.607;P=84.53）。由（2）—（6）式可以確定分支裂縫同時轉(zhuǎn)向所需的臨界排量。2無相對滑移條件下的導(dǎo)流能力不加砂清水壓裂技術(shù)提高巖石滲透率的依據(jù)是：天然縫面不吻合且縫面粗糙，在裂縫擴展時水力裂縫將開啟早已存在的天然裂縫，天然裂縫面上剪切應(yīng)力釋放使得縫面滑移，壓裂結(jié)束后天然裂縫具有較高導(dǎo)流能力。圖3是某頁巖氣井的巖心（含天然裂縫）進行壓縮試驗后出現(xiàn)縫面滑移的照片，可見其斷面粗糙不平，說明天然裂縫的縫面原本就是粗糙的。為研究縫面滑移對導(dǎo)流能力的影響，筆者利用TAW-1000深水孔隙壓力測試系統(tǒng)進行了不同縫面滑移量下的導(dǎo)流能力測試。實驗流程如下：(1)利用單軸壓縮開啟Φ25mm標(biāo)準(zhǔn)巖心中的天然裂縫，形成的裂縫面貫穿巖心兩端；(2)測試無相對滑移條件下的導(dǎo)流能力，圍壓條件30MPa，測試壓差5MPa，測試介質(zhì)為清水；(3)將左側(cè)巖心的下部及右側(cè)巖心的上部切割（切割量為1mm），拼合后縫面錯開即縫面出現(xiàn)滑移（滑移量等于切割量），然后測量此縫面滑移量下的導(dǎo)流能力。(4)重復(fù)步驟(3)，依次取切割量為2～15mm。導(dǎo)流能力按下式計算：圖4為測得的導(dǎo)流能力與縫面滑移量的關(guān)系曲線。由圖可見，滑移初始階段，導(dǎo)流能力隨縫面滑移量的增大逐漸上升；滑移達4.5mm時，導(dǎo)流能力急劇上升；滑移達8mm后，導(dǎo)流能力趨于穩(wěn)定。利用巖石斷裂力學(xué)理論可以定量分析實際壓裂時影響天然裂縫面滑移的因素。壓裂前作用在閉合裂縫面上的剪應(yīng)力為：根據(jù)等效力系原理，水力裂縫開啟天然裂縫，剪應(yīng)力釋放導(dǎo)致的縫面滑移量等價于在開啟的裂縫面上施加同樣大小、方向相反的剪應(yīng)力所產(chǎn)生的滑移量。由于此處一般只關(guān)心相對位移大小，因而筆者對剪應(yīng)力的方向或者正負不加以區(qū)分，求取剪應(yīng)力作用下裂縫面的滑移量：其中，Ⅱ型應(yīng)力強度因子的計算式為：由此可見，閉合天然裂縫開啟后其導(dǎo)流能力由裂縫面的滑移量決定，而滑移量與地應(yīng)力、天然裂縫尺寸與產(chǎn)狀、地層彈性參數(shù)有關(guān)。3計算和分析的例子和分析3.1計算和分析邊界負荷3.1.1臨界排放量特征為了研究天然裂縫尺寸、裂縫產(chǎn)狀與臨界排量的關(guān)系，利用（2）—（6）式計算了不同天然裂縫（具不同傾角、不同夾角、不同裂縫尺寸）條件下的臨界排量，結(jié)果見圖5和圖6。假設(shè)頁巖氣藏埋深2170m，σh、σH、σv分別為34.8MPa、47.7MPa、56.5MPa。由圖5可見，天然裂縫的產(chǎn)狀對其臨界排量影響很大。臨界排量隨傾角增大而增加，傾角等于90°時，臨界排量達最大值且為常數(shù)；傾角小于90°時，隨裂縫與井筒夾角的增大，臨界排量先減小后增大，垂直井筒方向的裂縫臨界排量最小。由圖6可見，天然裂縫尺寸越大需要的臨界排量越高，這與大型天然裂縫對壓裂產(chǎn)生負面影響的報道相符。由圖6還可看出，a2恒定時，a越小則臨界排量越低，說明水力裂縫與天然裂縫的端部相交對產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫更有利。3.1.2低彈性模量韌性地層中的壓裂效果圖7為臨界排量與地層彈性模量關(guān)系曲線。由該圖可見，地層彈性模量越大，臨界排量越低，這也定量解釋了在高彈性模量脆性地層中射孔、壓裂效果理想，而在低彈性模量韌性地層中壓裂效果不理想的原因。由（2）—（6）式可知，泊松比與臨界排量沒有直接關(guān)系，但彈性模量高的地層往往泊松比較低，所以在實踐中會有低泊松比地層易于壓裂的經(jīng)驗。巖石動態(tài)斷裂韌性（KⅠd）對臨界排量的影響非常大，KⅠd的變化與加載速率相關(guān)，因此，準(zhǔn)確測定KⅠd是需要重點研究的課題。3.2裂縫激活效果為了分析天然閉合裂縫的激活效果，利用（2）式、（8）—（10）式對不同傾角（β）、不同彈性模量（E）、不同泊松比（v）條件下天然裂縫面在壓裂過程中的滑移量進行了計算，結(jié)果見圖8、圖9和圖10。假設(shè)頁巖氣藏埋深2170m，σh、σH、σv分別為34.8MPa、47.7MPa、56.5MPa。由圖8可知，天然裂縫的方位、傾角對其激活效果影響很大：傾角很大、接近于90°時，裂縫面的滑移量很?。?lt;2mm），激活效果差；裂縫傾角很小時激活效果也不利，尤其對垂直井筒方向的裂縫，但小傾角裂縫總體滑移效果優(yōu)于大傾角裂縫；傾角30°～60°的中角度裂縫激活效果最佳，且垂直井筒方向的裂縫滑移量達到極大值。由圖9、圖10可知，彈性模量增加對裂縫滑移起抑制作用，地層泊松比的變化對裂縫滑移量的影響很小。由（9）式可知裂縫面滑移量與裂縫長度成正比，說明長天然裂縫更容易在壓裂中激活。4實驗結(jié)果與分析頁巖壓裂只有在大排量下才能形成高效溝通天然裂縫的網(wǎng)狀縫，存在形成網(wǎng)狀裂縫的臨界排量。給出了裂縫面滑移量以及最小臨界排量的計算方法。計算結(jié)果表明：臨界排量隨傾角增加而增加，傾角等于90°時，臨界排量達最大值且為常數(shù)；臨界排量隨夾角先減小后增加，且對垂直井筒方向的裂縫達到極小值；天然裂縫長度越大、地層彈性模量越低需要的臨界排量越高。閉合天然裂縫開啟后其導(dǎo)流能力由裂縫面的滑移量決定，滑移量與地應(yīng)力、天然裂縫尺寸與產(chǎn)狀、地層彈性參數(shù)有關(guān)：裂縫傾角很大或很小時，縫面滑移量小，對裂縫激活不利，30°～60°傾角裂縫激活效果最佳；彈性模量增加對裂縫滑移起抑制作用，泊松比變化對滑移量影響很??；長天然裂縫更容易在壓裂中激活。本文的研究成果為頁巖氣壓裂的設(shè)計與實施提供了科學(xué)依據(jù)，對壓裂井段優(yōu)選、壓裂設(shè)計、壓裂效果評估都具有實際指導(dǎo)意義。符號注釋：X——全局坐標(biāo)（沿最小地應(yīng)力方向），m;Y——全局坐標(biāo)（沿最大地應(yīng)力方向），m；β——天然裂縫傾角，(°)；θ——天然裂縫走向與井軸夾角，(°)；n——分支級數(shù)；n——裂縫面單位法向矢量；σn——裂縫面上的正應(yīng)力，MPa；σh——水平最小地應(yīng)力，MPa；σH——水平最大地應(yīng)力，MPa；σv——上覆壓力，MPa;a——裂縫半長，m;a1——水力裂縫與天然裂縫的交點與A點距離，m;a2——水力裂縫與天然裂縫的交點與B點距離，m;KA——A點動態(tài)應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2;p——縫內(nèi)壓力，MPa;KB——B點動態(tài)應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2;KⅠd——動態(tài)斷裂韌性，MPa·m1/2;Qn——分支裂縫排量，m3/min;Q——泵排量，m3/min;x——局部坐標(biāo)（沿縫寬方向），m;y——局部坐標(biāo)（沿縫長方向），m；μ——壓裂液黏度，Pa·s;E——地層彈性模量，MPa;h——實際儲集層中裂縫高度，m；ρ——壓裂液密度，kg/