天然裂縫性地層水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的三維數(shù)值模擬研究

席一凡+李連崇+李明+黃波+張潦源+李愛(ài)山

摘 要：該文基于RFPA3D并行程序，建立水力裂縫遭遇天然裂縫的三維計(jì)算模型。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，天然裂縫在水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的影響比較明顯，當(dāng)入射角較小時(shí)，水力裂縫易于轉(zhuǎn)入天然裂縫并在縫內(nèi)延伸；當(dāng)入射角較高時(shí)，水力裂縫易于直接穿過(guò)天然裂縫。另外，天然裂縫的膠結(jié)強(qiáng)度越低，水力裂縫易于天然裂縫內(nèi)延伸。

關(guān)鍵詞：天然裂縫 水力裂縫 入射角 膠結(jié)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（a）-0041-03

世界上有大量油氣儲(chǔ)存在低滲裂縫性儲(chǔ)層中，當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展使得人們對(duì)于石油與天然氣的需求大幅增加，裂縫性油氣藏在行業(yè)中所占比例越來(lái)越高。此類油氣藏中天然裂縫發(fā)育且分布復(fù)雜，基質(zhì)滲透率低[1-2]。Blanton[3]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水力裂縫擴(kuò)展方向的主要影響因素是逼近角和水平主應(yīng)力差。周健等[4]的研究表明，裂縫性儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育充分，對(duì)水力壓裂方向有著重要影響。

該文使用基于有并行有限元方法的RFPA3D程序，考慮儲(chǔ)層的非均勻性，并將天然裂縫設(shè)置成完全充填裂縫，通過(guò)模擬不同的入射角以及天然裂縫的膠結(jié)強(qiáng)度，研究天然裂縫性儲(chǔ)層水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算模型

如圖1所示，模型的長(zhǎng)、寬和高分別為：30 m、20 m和20 m，將模型劃分為120×80×80個(gè)單元，遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力σy、σx、和σz設(shè)為35 MPa、28 MPa和32 MPa。天然裂縫長(zhǎng)度L為10 m，規(guī)定最大主應(yīng)力方向與天然裂縫的夾角為入射角θ模型中心沿最大主應(yīng)力方向預(yù)制一條短縫來(lái)模擬射孔射孔中心距天然裂縫中心的距離S為7 m，設(shè)置縫內(nèi)流量為0.05 m3/s，加載方式為非穩(wěn)態(tài)加載。模型基質(zhì)的材料力學(xué)參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[5]，對(duì)于天然裂縫物理力學(xué)參數(shù)，將充填天然裂縫的抗拉強(qiáng)度設(shè)定在0.15 MPa和1.5 MPa，按照壓拉比為10，取其單軸抗壓強(qiáng)度1.5 MPa和15 MPa。具體模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，并設(shè)置3組工況，各工況所對(duì)應(yīng)的入射角及天然裂縫膠結(jié)強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

2 模擬結(jié)果及分析

表3是水力裂縫在各工況下的擴(kuò)展形態(tài)，包括了聲發(fā)射圖以及最小主應(yīng)力圖。

聲發(fā)射是巖石破裂過(guò)程中最基本的特征，結(jié)合聲發(fā)射圖可以從空間形態(tài)上分析水力裂縫的擴(kuò)展模式。

另外，最小主應(yīng)力圖有助于從力學(xué)角度分析水力裂縫遇到天然裂縫時(shí)的擴(kuò)展機(jī)理。

2.1 入射角對(duì)裂縫擴(kuò)展影響

對(duì)比Case1和Case3的模擬結(jié)果。從這兩種工況的聲發(fā)射俯視圖可以看出，Case1（入射角為45°）中的水力裂縫在遇到天然裂縫前，水力裂縫沿著最大遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力方向擴(kuò)展，當(dāng)水力裂縫遇到天然裂縫后，天然裂縫發(fā)生膨脹、開(kāi)裂，繼而水力裂縫偏離原擴(kuò)展方向，會(huì)在裂縫交接處沿著天然裂縫的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并延伸至天然裂縫的端部，然后轉(zhuǎn)向、繼續(xù)沿著最大遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力的方向擴(kuò)展；Case3（入射角為90°）中的水力裂縫擴(kuò)展模式則截然不同，在遇到天然裂縫后，水力裂縫在干擾點(diǎn)近似直接穿過(guò)天然裂縫，繼續(xù)沿著原方向即最大遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力的方向擴(kuò)展（裂縫雖然在局部有少量分叉行為，但宏觀上，裂縫較平整、規(guī)則，無(wú)偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象）。

通過(guò)分析最小主應(yīng)力圖，可以發(fā)現(xiàn)，Case1中水力壓裂裂縫在接觸到天然裂縫時(shí)，在圖中橢圓范圍內(nèi)，沿著天然裂縫方向會(huì)形成一個(gè)明顯的最大拉應(yīng)力集中區(qū)域，使其產(chǎn)生拉破壞，從而水力裂縫會(huì)沿著天然裂縫的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)； Case3中沿著天然裂縫方向，即橢圓范圍內(nèi)，并沒(méi)有拉應(yīng)力的集中區(qū)域，而是會(huì)在水力裂縫的原擴(kuò)展方向上產(chǎn)生最大拉應(yīng)力集中區(qū)域，從而天然裂縫對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展路徑并沒(méi)有產(chǎn)生十分明顯的影響。因而，在其他條件不變時(shí)，隨著入射角的增大，水力裂縫更易于直接穿過(guò)天然裂縫。

2.2 天然裂縫膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)裂縫擴(kuò)展影響

對(duì)比Case2和Case3的模擬結(jié)果。Case3的水力裂縫擴(kuò)展模式此前以及分析過(guò)，在此不再贅述。從Case2的聲發(fā)射圖可以看出：天然裂縫的界面效應(yīng)比較明顯，膠結(jié)物強(qiáng)度的降低，使得水力裂縫無(wú)法直接穿過(guò)天然裂縫。

同樣，通過(guò)分析最小主應(yīng)力圖，可以發(fā)現(xiàn)，Case2中水力裂縫在遭遇天然裂縫時(shí)，在圖中橢圓范圍內(nèi)，沿著天然裂縫方向會(huì)形成一個(gè)最大拉應(yīng)力集中區(qū)域，使其產(chǎn)生拉破壞，從而水力裂縫會(huì)沿著天然裂縫的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因而，在其他條件不變時(shí)，天然裂縫強(qiáng)度越低時(shí)，水力裂縫越容易轉(zhuǎn)入天然裂縫并在天然裂縫內(nèi)延伸。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）裂縫性儲(chǔ)層中存在的天然裂縫會(huì)對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展產(chǎn)生非常重要的影響，其中水力裂縫與天然裂縫之間的入射角以及天然裂縫的膠結(jié)強(qiáng)度是影響水力裂縫擴(kuò)展的重要因素。

（2）入射角越小，天然裂縫膠結(jié)強(qiáng)度越低，水力裂縫越容易受到天然裂縫的吸引而轉(zhuǎn)向天然裂縫，反之水力裂縫更趨于直接穿過(guò)天然裂縫，沿著原來(lái)的方向擴(kuò)展。

（3）拉應(yīng)力在水力裂縫的形成、發(fā)展、延伸和貫通過(guò)程中起到了十分重要的作用：入射角越小，天然裂縫膠結(jié)強(qiáng)度越低，在水力裂縫遭遇天然裂縫時(shí)，沿著天然裂縫的方向上更容易形成最大拉應(yīng)力區(qū)，使得水力裂縫的擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉靜，胡永全，任嵐，等.裂縫性地層水力裂縫復(fù)雜形態(tài)延伸分析[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2013，5（5）：92-97.

[2] 衡帥，楊春和，曾義金，等.頁(yè)巖水力壓裂裂縫形態(tài)的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，7（7）：1243-1251.

[3] Blanton T L.An experimental study of interaction between hydraulically induced and pre-existing fractures[C].SPE 10847，1982.

[4] 周健，陳勉，金衍，等.裂縫性儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理試驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào)，2007，28（5）：109-113.

[5] 李志超，李連崇，唐春安.水平井定向射孔裂縫起裂與穿層特征數(shù)值分析[J].石油與天然氣地質(zhì)，2015，3（3）：504-509.