頁(yè)巖油多儲(chǔ)集層穿層壓裂縫高擴(kuò)展特征

王燚釗，侯冰，王棟，賈振華

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

0 引言

中國(guó)頁(yè)巖油經(jīng)過(guò)10多年的勘探歷程，多地區(qū)、多層系獲得了產(chǎn)能突破，將成為常規(guī)油氣主要接替資源之一[1]。國(guó)內(nèi)各大油氣田借鑒國(guó)外體積改造經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了體積壓裂技術(shù)探索與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的增產(chǎn)效果[2]，但陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)集層一般縱向產(chǎn)層多，薄厚不均，層間弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，水力裂縫縫高難延伸，常規(guī)手段難以進(jìn)行大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)。穿層壓裂技術(shù)是溝通頁(yè)巖油多個(gè)儲(chǔ)集層，提高薄夾層資源利用率的有效手段。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)穿層壓裂技術(shù)進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。頁(yè)巖油儲(chǔ)集層不同巖性疊置現(xiàn)象明顯，砂巖泥質(zhì)紋層、頁(yè)巖層理等天然結(jié)構(gòu)面發(fā)育，掌握水力裂縫與天然結(jié)構(gòu)面的溝通準(zhǔn)則對(duì)實(shí)現(xiàn)穿層壓裂至關(guān)重要[3-7]。前人研究了多巖性組合地層穿層壓裂，提出了頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層穿層壓裂效果評(píng)價(jià)體系，建立了頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的水力裂縫縫高控制方法[8-16]，發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)力差、界面強(qiáng)度、紋層厚度等是影響水力裂縫穿透天然裂縫能力的內(nèi)在因素[17-24]，壓裂液排量、黏度等是影響水力裂縫與天然裂縫交互作用的外在因素[25-30]。然而以往的研究多集中在單一巖性的頁(yè)巖、碳酸鹽巖等儲(chǔ)集層的縫高控制上，較少涉及多巖性疊置的頁(yè)巖油儲(chǔ)集層穿層壓裂研究。

渤海灣盆地東濮凹陷古近系沙河街組三段發(fā)育頁(yè)巖油，但儲(chǔ)集層致密，自然產(chǎn)能低，且湖相泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，層間膠結(jié)面弱，水平地應(yīng)力差大[31-33]，壓裂層位、施工參數(shù)的選擇是實(shí)現(xiàn)該層段穿層壓裂的關(guān)鍵。本文針對(duì)東濮凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)集層體積壓裂直井，采用井下巖心開(kāi)展不同儲(chǔ)集層壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究頁(yè)巖油儲(chǔ)集層中典型裂縫形態(tài)與施工參數(shù)的相關(guān)性，結(jié)合全局嵌入內(nèi)聚力單元的數(shù)值模擬方法，分析水力裂縫穿層擴(kuò)展規(guī)律。

1 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層水力壓裂物理模擬

1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)

濮156井位于東濮凹陷南部，鉆探深度3 707 m，目標(biāo)層位為沙三段下亞段。實(shí)驗(yàn)取濮 156井 3 400～3 660 m深度的6塊頁(yè)巖油儲(chǔ)集層巖心（見(jiàn)圖1），進(jìn)行頁(yè)巖油儲(chǔ)集層水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)。1#—6#巖心取心深度依次為 3 420，3 422，3 424，3 656，3 659，3 663 m，其中3#—6#巖心所在層位TOC值、Ro值等均達(dá)到有利頁(yè)巖層系標(biāo)準(zhǔn)[34]。1#和2#巖心不發(fā)育天然裂縫，僅有厚1～2 mm的黑色條帶狀薄夾層；3#巖心層理明顯，且層間膠結(jié)弱；4#、6#巖心天然裂縫不明顯；5#巖心中存在一組方解石充填的高角度縫，裂縫寬度約0.5 mm。

圖1 濮156井沙三段下亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)集層巖心照片

將全直徑巖心用混凝土包裹成30 cm×30 cm×30 cm的試樣，澆筑過(guò)程保持巖心在試樣中間（見(jiàn)圖2），靜置48 h后從試樣表面向下鉆孔15 cm至巖心中間位置，再采用環(huán)氧樹(shù)脂膠固井。利用真三軸壓裂系統(tǒng)開(kāi)展水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)。

圖2 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層全直徑巖心包裹示意圖

采用與3#—6#巖心具有相近深度的樣品進(jìn)行凱瑟爾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。將兩組凱瑟爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，基于相似準(zhǔn)則計(jì)算得到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)三向應(yīng)力[6]為：上覆應(yīng)力38.3 MPa，水平最大主應(yīng)力37.1 MPa，水平最小主應(yīng)力32.4 MPa。通過(guò)相似比例系數(shù)以及單值條件量構(gòu)成的相似準(zhǔn)則條件[6]，確定三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)的排量分別為 35 mm3/min（對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)排量 4.5 m3/min）和50 mm3/min（對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)排量6.7 m3/min）；壓裂液黏度分別為3 mPa·s和10 mPa·s。沿井筒方向施加上覆地應(yīng)力，以模擬直井壓裂。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用滑溜水壓裂液體系，添加熒光劑示蹤。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及壓后水力裂縫形態(tài)類型如表2所示。

表1 凱瑟爾實(shí)驗(yàn)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

表2 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

1.2.1 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層巖心典型水力裂縫形態(tài)

壓裂實(shí)驗(yàn)后觀察試樣中的巖心，發(fā)現(xiàn)巖心中水力裂縫根據(jù)形態(tài)主要?jiǎng)澐譃槭挚p、階梯縫和一型縫，3種裂縫形態(tài)依次對(duì)應(yīng)的巖心為無(wú)高角度縫砂巖、頁(yè)巖、含高角度縫砂巖（見(jiàn)圖3）。2#紫紅色粉砂巖中有2條紋層（見(jiàn)圖1b），水力裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向起裂，縱向擴(kuò)展時(shí)穿透兩條紋層，并在第 2條紋層轉(zhuǎn)向，形成十字縫。3#深灰色頁(yè)巖中水平層理明顯，水力裂縫沿水平最大主應(yīng)力方向起裂，縱向穿透兩條層理后被阻礙，轉(zhuǎn)向第3條層理，形成階梯縫。可見(jiàn)3#頁(yè)巖中水力裂縫縱向延伸明顯受到層理限制。5#灰色粉砂巖中發(fā)育一組方解石充填的高角度縫，壓裂液沿高角度縫漏失，水力裂縫主要沿高角度縫擴(kuò)展，形成一型縫。

圖3 結(jié)構(gòu)面影響下的水力裂縫形態(tài)（紅色虛線代表結(jié)構(gòu)面，黃色線代表人工裂縫）

不同巖性及天然裂縫形態(tài)導(dǎo)致頁(yè)巖油儲(chǔ)集層不同層的水力裂縫有明顯差異。無(wú)天然裂縫的砂巖層中水力裂縫呈十字型，層理明顯的頁(yè)巖層中水力裂縫呈階梯型，天然裂縫發(fā)育的砂巖層中水力裂縫呈一字型；砂巖中水力裂縫在縱向上呈條帶狀延伸（如2#巖心），頁(yè)巖中水力裂縫易受層理誘導(dǎo)橫向擴(kuò)展（如3#巖心）。

從泵壓曲線看出（見(jiàn)圖4），2#巖心較致密，水力裂縫起裂困難，破裂壓力最高為13.7 MPa，曲線在2.5 min處有一次明顯的波動(dòng)，說(shuō)明裂縫延伸受到了紋層的阻礙。5#巖心中高角度縫為壓裂液泄流提供了通道，破裂壓力降低至8.8 MPa，裂縫起裂后曲線平緩，表明水力裂縫延伸過(guò)程未受明顯阻礙，只形成一條沿高角度縫的主裂縫。3#巖心層理膠結(jié)弱，水力裂縫容易開(kāi)啟層理，破裂壓力最?。?.1 MPa），曲線分別在4.8 min和5.6 min時(shí)出現(xiàn)了波動(dòng)，對(duì)應(yīng)水力裂縫縱向擴(kuò)展時(shí)兩次受到頁(yè)巖層理的阻礙。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，東濮凹陷沙三段下亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)集層致密砂巖、裂縫型砂巖、頁(yè)巖的破裂壓力依次減小。

圖4 不同巖心中結(jié)構(gòu)面對(duì)泵壓曲線的影響

1.2.2 壓裂液黏度及排量對(duì)水力裂縫的影響

由于頁(yè)巖油儲(chǔ)集層滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)，壓裂液黏度及排量均會(huì)對(duì)水力裂縫形態(tài)造成影響。2#巖心和 4#巖心均為致密砂巖，分別采用較低排量（35 mm3/min）和較高排量（50 mm3/min）壓裂。2#巖心中水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向起裂，穿透并開(kāi)啟一條水平紋層，形成十字縫；4#巖心中水力裂縫在井周沿最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力兩個(gè)方向起裂，其中最大主應(yīng)力方向的主裂縫穿越并開(kāi)啟了一條紋層，形成 3條交叉的水力裂縫（但是本文仍將其視為十字縫，只不過(guò)形態(tài)更為復(fù)雜），與2#巖心相比水力裂縫形態(tài)在大排量作用下更復(fù)雜。從泵壓曲線看，4#巖心的破裂壓力（13.8 MPa）稍大于 2#巖心（13.5 MPa）（見(jiàn)圖 5）。2#巖心在 2.5 min時(shí)再次憋壓，對(duì)應(yīng)水力裂縫遇到紋層受阻；4#巖心泵壓曲線在 3.1 min與 5.9 min時(shí)出現(xiàn)明顯降幅，對(duì)應(yīng)水力裂縫起裂與溝通水平紋層的過(guò)程。

圖5 壓裂液參數(shù)對(duì)泵壓曲線的影響

4#巖心與6#巖心均為致密砂巖，分別采用低黏（3 mPa·s）和高黏（10 mPa·s）滑溜水壓裂。6#巖心中水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向起裂，垂向穿透紋層，形成十字縫；而4#巖心中形成了3條交叉的水力裂縫，水力裂縫形態(tài)更復(fù)雜（見(jiàn)圖6）。從泵壓曲線看出6#巖心破裂壓力為14.5 MPa，在9.2 min再次憋壓，對(duì)應(yīng)水力裂縫開(kāi)啟紋層。

圖6 不同壓裂液參數(shù)影響下的水力裂縫形態(tài)（紅色虛線代表結(jié)構(gòu)面，黃色虛線代表人工裂縫）

2 頁(yè)巖油多儲(chǔ)集層穿層壓裂數(shù)值模擬

通過(guò)頁(yè)巖油不同儲(chǔ)集層真三軸物模實(shí)驗(yàn)，初步認(rèn)識(shí)了直井壓裂不同儲(chǔ)集層中裂縫的延伸規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水力裂縫是否穿透層理決定了裂縫形態(tài)的發(fā)育，但僅通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無(wú)法量化界面強(qiáng)度等因素對(duì)縫高的影響，為此，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)頁(yè)巖油多巖性疊置儲(chǔ)集層水力裂縫的穿層擴(kuò)展進(jìn)行研究。

2.1 全局嵌入內(nèi)聚力單元方法

本文數(shù)值模擬采用的軟件是2017版ABAQUS，采用基于有限元的全局嵌入內(nèi)聚力單元方法。內(nèi)聚力模型能模擬裂縫尖端兩個(gè)界面的分離，定義了類似于頁(yè)巖這種半脆性材料中裂紋尖端的塑性和軟化效應(yīng)，相比線彈性力學(xué)模型，內(nèi)聚力模型能得到更加精確的裂縫形態(tài)。本文采用全局嵌入內(nèi)聚力單元方法，即將內(nèi)聚力單元批量嵌入單元網(wǎng)格之間，裂縫沿單元邊開(kāi)裂[35]。

2.1.1 內(nèi)聚力單元本構(gòu)模型

采用基于牽引分離規(guī)律的線彈性本構(gòu)模型描述水力裂縫擴(kuò)展問(wèn)題，內(nèi)聚力單元在損傷前滿足線彈性關(guān)系：

2.1.2 水力裂縫起裂準(zhǔn)則

裂縫起裂遵循最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，法向拉應(yīng)力或切向應(yīng)力達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)破壞：

2.1.3 水力裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則

裂縫起裂后的擴(kuò)展基于有效位移的損傷演化準(zhǔn)則，定義損傷變量D：

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)域地層條件，建立擬三維水力裂縫擴(kuò)展模型，模型尺寸 10 m×5 m，縱向巖性組合如圖 7a所示，將第①層砂巖、第⑤層砂巖、第⑨層砂巖設(shè)為產(chǎn)層，并在第⑨層中設(shè)置一組高滲透率、共軛的弱面，代表裂縫性砂巖中的天然裂縫。采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為0.15 m×0.15 m，在裂縫擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行局部加密（見(jiàn)圖7b）。采用與前文壓裂實(shí)驗(yàn)中巖心深度相近的砂巖-頁(yè)巖試樣，進(jìn)行真三軸實(shí)驗(yàn)測(cè)得模型中砂巖、頁(yè)巖的巖石力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表3），三向地應(yīng)力大小參照凱瑟爾實(shí)驗(yàn)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果設(shè)置（見(jiàn)表1）。為保證裂縫在縱向延伸，在緊鄰射孔點(diǎn)上下各設(shè)置 2個(gè)初始損傷單元。

表3 不同巖心的巖石力學(xué)參數(shù)

在模型頁(yè)巖層中設(shè)置層理面（見(jiàn)圖 7a中虛線），考慮砂巖-頁(yè)巖間存在巖性突變界面，在砂巖-頁(yè)巖接觸處設(shè)置巖性界面（見(jiàn)表 4）。為定量表征界面強(qiáng)度，根據(jù)儲(chǔ)集層和界面層內(nèi)聚力單元強(qiáng)度大小關(guān)系，定義了無(wú)因次界面強(qiáng)度，即：

圖7 模型網(wǎng)格劃分及巖性組合示意圖

表4 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層穿層壓裂數(shù)值模擬內(nèi)聚力單元關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)置壓裂層位、壓裂液排量、無(wú)因次界面強(qiáng)度 3個(gè)變量進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

模型中頁(yè)巖油儲(chǔ)集層中頁(yè)巖、砂巖縱向上交互發(fā)育，壓裂時(shí)人工裂縫在不同巖性層內(nèi)和層間擴(kuò)展時(shí)裂縫形態(tài)有差異。圖 8為在砂巖中射孔條件下得到的壓后位移云圖，排量1.8 m3/min，無(wú)因次界面強(qiáng)度0.4。對(duì)比圖8和圖3，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬得到的裂縫形態(tài)與真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)中巖心的典型裂縫形態(tài)基本吻合。水力裂縫擴(kuò)展至不同層位時(shí)形態(tài)不同，當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至層理發(fā)育的頁(yè)巖層時(shí)呈階梯縫，當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至較致密的砂巖層時(shí)呈十字縫，當(dāng)水力裂縫遇到裂縫性砂巖層中的天然裂縫時(shí)形成一型縫（見(jiàn)圖8）。

圖8 在砂巖中壓裂時(shí)模擬得到的不同時(shí)間點(diǎn)位移云圖

提取損傷內(nèi)聚力單元的破裂類型MMIXDME數(shù)據(jù)（M），M值為1表示單元產(chǎn)生剪切損傷，值為0表示單元產(chǎn)生拉張損傷，數(shù)值在二者之間表示拉張-剪切混合型損傷（見(jiàn)（5）式）。在Matlab中繪制地層中損傷單元定位圖（見(jiàn)表5）。

由表 5發(fā)現(xiàn)，水力裂縫在砂巖和頁(yè)巖內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，單元M值更接近0，破裂類型多為拉張型。在砂巖層壓裂、在頁(yè)巖層壓裂時(shí)水力裂縫均沿砂巖-頁(yè)巖界面產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，砂巖-頁(yè)巖界面抑制了縫高擴(kuò)展，而兩層同時(shí)壓裂模型中水力裂縫沿砂巖-頁(yè)巖界面的轉(zhuǎn)向較少，砂巖-頁(yè)巖界面對(duì)縫高的抑制作用不明顯。整體上水力裂縫在砂巖中縱向延伸，在頁(yè)巖中易受層理誘導(dǎo)橫向擴(kuò)展。

2.3.1 壓裂層位對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

為了更直觀地展示多因素的影響，統(tǒng)計(jì)出各模型壓裂后的縫高和損傷單元數(shù)，在Matlab中繪制考慮多因素的三維散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖9）。

圖9 頁(yè)巖油儲(chǔ)集層不同壓裂模型縫高及損傷單元數(shù)模擬結(jié)果

無(wú)因次界面強(qiáng)度及壓裂液排量一定時(shí)，不同壓裂層位模型的縫高排序由大到小大致為兩層同時(shí)壓裂、砂巖層壓裂、頁(yè)巖層壓裂。兩層同時(shí)壓裂模型在④和⑤兩個(gè)小層射孔，水力裂縫從兩處射孔點(diǎn)起裂，縫高延伸最遠(yuǎn)；砂巖層壓裂模型從砂巖層注液，水力裂縫由紋層發(fā)育不明顯的砂巖起裂、縱向延伸，縫高大于頁(yè)巖層壓裂；頁(yè)巖層壓裂模型在頁(yè)巖層射孔，水力裂縫縱向穿越頁(yè)巖中的多個(gè)層理，縫高擴(kuò)展受到阻礙，所以縫高最小。

壓裂層位對(duì)損傷單元數(shù)的影響在不同排量下存在區(qū)別。低排量時(shí)，損傷單元數(shù)由多到少分別為砂巖層壓裂、頁(yè)巖層壓裂、兩層同時(shí)壓裂；中等排量時(shí)，損傷單元數(shù)由多到少分別為頁(yè)巖層壓裂、砂巖層壓裂、兩層同時(shí)壓裂；高排量時(shí)，損傷單元數(shù)由多到少分別為兩層同時(shí)壓裂、砂巖層壓裂、頁(yè)巖層壓裂。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)，低排量時(shí)，砂巖層壓裂和頁(yè)巖層壓裂模型中裂縫的橫向擴(kuò)展增加了損傷單元總數(shù)；高排量時(shí)，兩層同時(shí)壓裂模型中水力裂縫在縫高方向的擴(kuò)展增加了損傷單元。模擬發(fā)現(xiàn)，采用相同的施工參數(shù)，兩層同時(shí)壓裂有效提高了水力裂縫縫高。Mutalik等[36]分析了Fort Worth盆地采用兩層同時(shí)壓裂的水平井與單層壓裂井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在兩層同時(shí)壓裂井附近形成了更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)量大幅度提高，與本文模擬結(jié)果一致。

2.3.2 壓裂液排量對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

無(wú)因次界面強(qiáng)度及壓裂層位一定時(shí)，頁(yè)巖油儲(chǔ)集層的縫高和損傷單元整體上隨著排量的增加而增加。結(jié)合表 5發(fā)現(xiàn)壓裂液排量增加，儲(chǔ)集層中水力裂縫在縱向上穿透更多層，沿界面延伸距離更遠(yuǎn)。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)注入液體積增加，水力裂縫縫尖能量增加，內(nèi)聚力單元更易損傷。對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)集層這種低滲透薄差層而言，排量越大，水力裂縫與天然裂縫溝通形態(tài)越復(fù)雜，越有利于裂縫穿層延伸。

表5 頁(yè)巖油多儲(chǔ)集層穿層壓裂模擬損傷單元定位

2.3.3 無(wú)因次界面強(qiáng)度對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

壓裂層位及壓裂液排量一定時(shí)，頁(yè)巖油儲(chǔ)集層模型的縫高和損傷單元整體上均隨界面強(qiáng)度的增加而增加。由表5發(fā)現(xiàn)，砂巖-頁(yè)巖界面強(qiáng)度增加時(shí)，水力裂縫沿頁(yè)巖層理的轉(zhuǎn)向減少，縫高延伸遠(yuǎn)，穿層效果好，損傷單元整體上增加。這是因?yàn)殡S著界面內(nèi)聚力單元強(qiáng)度增加，水力裂縫漸進(jìn)到界面時(shí)達(dá)到初始損傷條件的內(nèi)聚力單元減少，裂縫更不易轉(zhuǎn)向。而排量為 1.8 m3/min時(shí)，兩層同時(shí)壓裂模型的損傷單元隨著界面強(qiáng)度的增加而減少。高排量與兩層同時(shí)壓裂的組合條件下，隨著界面強(qiáng)度的減弱，裂縫沿界面轉(zhuǎn)向?qū)p傷單元數(shù)的貢獻(xiàn)彌補(bǔ)了縫高不足的影響，導(dǎo)致?lián)p傷單元隨強(qiáng)度的減弱而增加。侯冰等[13]通過(guò)大量的真三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弱膠結(jié)強(qiáng)度的天然裂縫增加了水力裂縫的轉(zhuǎn)向行為，數(shù)值模擬結(jié)果與其物理模擬結(jié)果吻合。

2.3.4 水力裂縫溝通產(chǎn)層數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)了不同壓裂層位、壓裂液排量、無(wú)因次界面強(qiáng)度條件下的裂縫溝通產(chǎn)層情況，并繪制控制圖版（見(jiàn)圖10）。在砂巖層壓裂，無(wú)因次界面強(qiáng)度低于0.3或排量低于1.2 m3/min時(shí)，水力裂縫均只能溝通1個(gè)產(chǎn)層；在頁(yè)巖層壓裂，均溝通了2個(gè)產(chǎn)層；兩層同時(shí)壓裂，排量為0.6，1.2，1.8 m3/min時(shí)分別溝通了1，2，3個(gè)產(chǎn)層。

圖10 不同層位壓裂條件下界面強(qiáng)度和排量對(duì)溝通產(chǎn)層數(shù)的影響

實(shí)際地層條件對(duì)產(chǎn)層溝通情況影響較大，雖然相同條件下在砂巖層中壓裂時(shí)縫高大于頁(yè)巖層中壓裂。而由表 5看出，在頁(yè)巖層射孔溝通了第①層砂巖和第⑤層砂巖兩個(gè)產(chǎn)層。在實(shí)際施工中，單一位置射孔時(shí)選擇合適的射孔位置對(duì)溝通多產(chǎn)層至關(guān)重要，選擇上下產(chǎn)層中間位置的頁(yè)巖層射孔，雖然縫高擴(kuò)展受限，但有可能溝通更多產(chǎn)層。

3 結(jié)論

頁(yè)巖油儲(chǔ)集層壓裂時(shí)水力裂縫在不同巖性地層中的擴(kuò)展形態(tài)均存在差異，裂縫性砂巖中水力裂縫呈一字型，致密砂巖中呈十字型，層理發(fā)育的頁(yè)巖中呈階梯型，裂縫擴(kuò)展形態(tài)與巖性、層厚、天然裂縫發(fā)育程度、界面性質(zhì)和壓裂可控參數(shù)等密切相關(guān)。不同類型巖層的損傷特征也不同，致密砂巖中水力裂縫在縱向上呈條帶狀延伸，頁(yè)巖中水力裂縫易受層理誘導(dǎo)橫向擴(kuò)展。

對(duì)于渤海灣盆地東濮凹陷沙三段下亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)集層，在砂巖層壓裂比在頁(yè)巖層壓裂縫高延伸遠(yuǎn)，而兩層同時(shí)壓裂比單一砂巖層壓裂縫高延伸遠(yuǎn)，因此在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)分析儲(chǔ)集層發(fā)育特征，優(yōu)選兩層或者多層同時(shí)壓裂，可有效延伸水力裂縫縫高。

根據(jù)儲(chǔ)集層地質(zhì)特征選擇上下鄰近產(chǎn)層、巖性膠結(jié)好的位置同時(shí)壓裂，調(diào)整壓裂參數(shù)，可有效地控制裂縫形態(tài)、溝通多產(chǎn)層，獲得更大的增產(chǎn)改造體積，為頁(yè)巖油多儲(chǔ)集層的多層系穿層壓裂設(shè)計(jì)提供參考。

符號(hào)注釋：

D——損傷變量；E——彈性模量，Pa；Gn——Ⅰ型拉張斷裂能，J；Gs——Ⅱ型拉張斷裂能，J；Gt——Ⅲ型撕裂斷裂能，J；GT——破裂單元總斷裂能，J；i——第一和第二切向應(yīng)力的指標(biāo)，i=1，2；M——MMIXDME取值；Q——壓裂液排量，m3/min；Ss，St——第一切向方向和第二切向方向的抗剪強(qiáng)度，Pa；T——抗拉強(qiáng)度，Pa；TI——界面層的抗拉強(qiáng)度，MPa；TR——儲(chǔ)集層的抗拉強(qiáng)度，MPa；γ——無(wú)因次界面強(qiáng)度，無(wú)因次；δf——失效時(shí)的有效位移，m；δmax——加載中的有效位移最大值，m；δ0——損傷起始演化時(shí)的有效位移，m；ε——應(yīng)變；σh——水平最小主應(yīng)力，MPa；σH——水平最大主應(yīng)力，MPa；σn——法向應(yīng)力，Pa；σs，σt——第一切向方向和第二切向方向的剪切應(yīng)力，Pa；σv——垂向地應(yīng)力，Pa；τI,i——界面層的第一或第二切向上的內(nèi)聚力，MPa；τR,i——儲(chǔ)集層的第一或第二切向上的內(nèi)聚力，MPa。下標(biāo)：n——法向；s，t——兩個(gè)切線方向。