頁(yè)巖水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)與聲發(fā)射解釋
——以四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖為例

馬新仿，李寧，尹叢彬，李彥超，鄒雨時(shí)，吳珊，何封，王小瓊，周彤

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610051）

頁(yè)巖水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)與聲發(fā)射解釋
——以四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖為例

馬新仿1，李寧1，尹叢彬2，李彥超2，鄒雨時(shí)1，吳珊1，何封2，王小瓊1，周彤1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610051）

采用真三軸壓裂模擬系統(tǒng)對(duì)四川盆地志留系龍馬溪組露頭頁(yè)巖開展了壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，將通過巖樣剖分和CT掃描獲得的水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以揭示裂縫擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射響應(yīng)特征，并分析水力裂縫連通區(qū)域與未連通區(qū)域在聲發(fā)射事件類型上的差異。研究表明，聲發(fā)射事件點(diǎn)的空間分布能夠反映巖樣內(nèi)部水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)。水力裂縫起裂的位置聲發(fā)射事件點(diǎn)較多、分布集中；水力裂縫激活的層理面附近聲發(fā)射事件點(diǎn)稀疏；裂縫密度越大，聲發(fā)射事件點(diǎn)的分布越密集。水力裂縫溝通范圍與聲發(fā)射事件點(diǎn)的分布范圍存在差別，基于聲發(fā)射事件的改造體積解釋結(jié)果偏大。水力裂縫溝通范圍內(nèi)聲發(fā)射事件以剪切事件和張性事件為主，未被水力裂縫溝通的原始開啟層理面附近以剪切事件為主，將二者進(jìn)行區(qū)分可以提高儲(chǔ)集層改造體積解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖7表3參32

頁(yè)巖；層理；水力裂縫；擴(kuò)展形態(tài)；聲發(fā)射；CT掃描

0 引言

頁(yè)巖儲(chǔ)集層具有低孔低滲、巖石脆性大、非均質(zhì)性強(qiáng)、層理和天然裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，一般不具有自然產(chǎn)能，只有通過大規(guī)模壓裂改造形成一定的“改造體積”，才能具備商業(yè)開發(fā)的潛力[1-3]。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是認(rèn)識(shí)裂縫形態(tài)、評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層改造效果的有效手段之一[4-7]。關(guān)于頁(yè)巖儲(chǔ)集層中水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，學(xué)者們已經(jīng)做了大量研究，主要通過巖樣剖分和CT掃描來(lái)揭示巖樣內(nèi)部的水力裂縫空間展布[8-11]。為了獲取更多裂縫擴(kuò)展信息，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)已被應(yīng)用于室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)并逐漸成為室內(nèi)監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展規(guī)律的有效手段。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)具有和微地震監(jiān)測(cè)相似的原理[12-13]。Stanchits等[14]利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了壓裂液黏度對(duì)滲透性砂巖中裂縫起裂壓力的影響。Stanchits等[15]采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)預(yù)制了人工界面的各向同性砂巖和包含天然弱面的非均質(zhì)頁(yè)巖中的裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。劉玉章等[16]通過聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)研究了不同層間應(yīng)力差下砂巖儲(chǔ)集層中的縫高擴(kuò)展規(guī)律。侯振坤等[17]、衡帥等[18]開展了頁(yè)巖壓裂模擬實(shí)驗(yàn)并結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制進(jìn)行了初步分析。這些研究仍然集中于對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而未涉及礦場(chǎng)實(shí)踐中關(guān)注的水力裂縫溝通范圍與儲(chǔ)集層改造體積解釋結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。明確是否所有的聲發(fā)射事件點(diǎn)都代表水力裂縫的產(chǎn)生也是亟待解決的問題。因此，本文利用真三軸壓裂模擬系統(tǒng)對(duì)四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖開展壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，通過巖樣剖分及CT掃描結(jié)果與聲發(fā)射定位結(jié)果的對(duì)比揭示裂縫擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射響應(yīng)特征，從震源機(jī)制上分析水力裂縫連通區(qū)域與未連通區(qū)域在聲發(fā)射事件類型上的差異。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 巖樣制備

實(shí)驗(yàn)所用天然巖樣取自四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖露頭。該頁(yè)巖礦物組成以硅質(zhì)和黏土礦物為主，其中石英含量為50.6%，黏土含量33.4%，碳酸鹽和黃鐵礦的含量較少，分別為9.8%和6.2%。室內(nèi)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 巖樣力學(xué)參數(shù)

將大塊頁(yè)巖露頭沿平行層理和垂直層理方向切割成30 cm×30 cm×30 cm的立方體。為模擬水平井壓裂，取1個(gè)垂直層理方向的表面，鉆取1個(gè)直徑為1.6 cm、深度約為16.5 cm的中心盲孔用于放置井筒（鋼管）。鋼管尺寸為外徑1.5 cm、內(nèi)徑0.8 cm、長(zhǎng)度13.5 cm。采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠將井筒固結(jié)于中心盲孔內(nèi)，底部預(yù)留3.0 cm的裸眼段。實(shí)驗(yàn)過程中由注液管向井筒內(nèi)泵注流體，在井底形成高壓，水力裂縫將首先在裸眼段位置起裂。巖樣壓前CT掃描顯示龍馬溪組頁(yè)巖露頭層理發(fā)育且局部具有明顯的開度（見圖1）。

圖1 巖樣垂直井筒方向壓前CT掃描照片

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

實(shí)驗(yàn)采用1套真三軸壓裂模擬系統(tǒng)[19]。三軸應(yīng)力通過液壓站分別進(jìn)行加載，可以模擬真實(shí)地層應(yīng)力環(huán)境。其中X軸的最大加載應(yīng)力為15 MPa；Y、Z軸的最大加載應(yīng)力為30 MPa。引入16通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行水力裂縫空間展布定位與震源機(jī)制解釋。為了獲得較好的定位效果，在巖樣除井口所在端面外的5個(gè)端面的承壓板上分別布置3～4個(gè)聲發(fā)射探頭，并通過耦合劑來(lái)增強(qiáng)探頭與巖石表面的接觸。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

①連接注液管線，并將巖樣按照層理面沿水平方向、井筒軸線沿X軸方向放置在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)托盤上。

②在巖樣 5個(gè)端面布置安裝有聲發(fā)射探頭的承壓板，將數(shù)據(jù)采集線與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集箱相連。

③沿X軸方向?qū)⒁簤夯钊扑椭燎惑w內(nèi)部，沿Z軸方向施加垂向應(yīng)力σv，分別沿Y、X軸方向施加最大水平主應(yīng)力σH和最小水平主應(yīng)力σh至設(shè)定值并維持穩(wěn)定。

④開啟注液系統(tǒng)，以恒定排量向井筒中泵注添加有染色劑的低黏度滑溜水壓裂液進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄整個(gè)過程中的井口壓力變化和聲發(fā)射信號(hào)。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出巖樣，通過CT掃描和巖樣剖分獲取巖樣內(nèi)部裂縫形態(tài)，并根據(jù)裂縫面的染色情況區(qū)分水力裂縫和原始開啟層理面。

⑥解釋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取聲發(fā)射事件點(diǎn)空間分布，并與水力裂縫實(shí)際溝通范圍進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)集層中的復(fù)雜裂縫是水力裂縫在平面上激活天然裂縫系統(tǒng)、縱向上溝通層理面所形成的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律既與水平應(yīng)力差有關(guān)，也受垂向應(yīng)力差的影響[20-22]。根據(jù)中國(guó)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集層實(shí)際地應(yīng)力條件，模擬正斷層應(yīng)力機(jī)制設(shè)定Δhσ為5 MPa，Δvσ為5～20 MPa。各巖樣的地應(yīng)力狀態(tài)如表2所示。設(shè)定泵注排量為20 mL/min，可模擬現(xiàn)場(chǎng)大排量施工情況，同時(shí)避免壓裂液沿層理面的快速濾失。壓裂液為現(xiàn)場(chǎng)常用的低黏度滑溜水壓裂液[23]，黏度為2.5 mPa·s。設(shè)定累計(jì)泵注液量為500 mL，以模擬相同的施工規(guī)模。為了避免巖樣采集和加工過程中造成的損壞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在每種條件下均進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

表2 巖樣壓前特征及地應(yīng)力參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖樣裂縫形態(tài)

為了更加準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)裂縫形態(tài)和水力裂縫溝通范圍，對(duì)壓后裂縫形態(tài)相對(duì)復(fù)雜的巖樣進(jìn)行多層CT掃描并沿巖樣表面裂縫路徑進(jìn)行逐步剖分。

圖2、圖3分別為巖樣LMX-1的巖樣剖分與CT掃描結(jié)果。在Δvσ為20 MPa的條件下，巖樣LMX-1表面可見兩條清晰的水力裂縫自裸眼段起裂，在向上、下兩側(cè)擴(kuò)展的過程中溝通多條層理面（見圖2a），巖樣垂向的溝通高度約為20 cm。巖樣上側(cè)存在多條裂縫分支（見圖3c），水力裂縫與層理面交織形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。其中，水力裂縫1沿井筒軸線方向垂直擴(kuò)展（見圖2c），當(dāng)遇到膠結(jié)情況良好、開度較小的層理面時(shí)，水力裂縫直接穿過層理面繼續(xù)擴(kuò)展（見圖2b），后期隨著壓裂液的持續(xù)泵注，層理面被激活，最終形成局部開啟的層理縫（見圖3b）。水力裂縫2傾斜向上擴(kuò)展，受弱膠結(jié)特性和壓裂液潤(rùn)滑作用的影響，延伸路徑多次沿層理面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成“階梯型”裂縫（見圖3b）。巖樣下部層理面 3原始開度較大，水力裂縫擴(kuò)展至層理面 3處時(shí)，壓裂液沿層理面快速濾失，導(dǎo)致水力裂縫無(wú)法突破層理面并沿著阻力更小的層理面擴(kuò)展至巖樣邊界。水力裂縫截止于層理面 3處，其下部無(wú)水力裂縫產(chǎn)生（見圖 3）。進(jìn)一步說明巖樣底部平直的層理面4為一個(gè)未與水力裂縫溝通的原始開啟層理面。

圖2 巖樣LMX-1剖分結(jié)果

圖3 巖樣LMX-1 CT掃描結(jié)果

與巖樣LMX-1相比，巖樣LMX-5激活的層理面數(shù)量減少，垂向上的溝通效果明顯變差（見圖4）。表明當(dāng)Δvσ減小為5 MPa時(shí)，層理面對(duì)裂縫高度的限制更加顯著。水力裂縫由裸眼段起裂后其中 1條先沿井筒軸線方向垂直向上擴(kuò)展，遠(yuǎn)離井筒后逐漸偏轉(zhuǎn)，整個(gè)水力裂縫面嚴(yán)重扭曲，兩條水力裂縫在沿X軸方向不同位置處的切片上顯示為逐漸遠(yuǎn)離（見圖 4b、4c、4d）。靠近井筒一側(cè)裂縫垂向擴(kuò)展距離為10 cm，裂縫截止于層理面1處（見圖4d），層理面無(wú)染色劑分布。遠(yuǎn)離井筒一側(cè)裂縫面趨于平緩，垂向擴(kuò)展距離約為7.5 cm，裂縫截止于層理面 1下部（見圖 4b）。井筒下部水力裂縫傾斜擴(kuò)展至巖樣邊界，壓裂液由巖樣底部快速濾失，導(dǎo)致水力裂縫在擴(kuò)展至層理面 1時(shí)，未能將層理面激活。

圖4 巖樣LMX-5 CT掃描結(jié)果

此外，對(duì)于井筒處層理微開啟的巖樣LMX-3，即使在Δvσ為15 MPa的情況下仍不能有效克服層理弱面，最終形成簡(jiǎn)單的近井筒層理縫。因此，埋深較淺、層理發(fā)育的頁(yè)巖儲(chǔ)集層容易形成簡(jiǎn)單裂縫形態(tài)，顯著降低儲(chǔ)集層改造體積。

2.2 裂縫擴(kuò)展的聲發(fā)射響應(yīng)特征

為了揭示裂縫擴(kuò)展過程中聲發(fā)射響應(yīng)特征、明確水力裂縫溝通范圍與儲(chǔ)集層改造體積解釋結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)壓裂過程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并將不同位置的聲發(fā)射事件與CT掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。巖石破裂瞬間會(huì)在巖樣內(nèi)部各個(gè)方向上引起不同的位移變化，聲發(fā)射信號(hào)表現(xiàn)為膨脹型和壓縮型兩種初動(dòng)類型。張性破裂時(shí)，壓縮型初動(dòng)占主導(dǎo)；裂縫閉合時(shí)，膨脹型初動(dòng)占主導(dǎo)；裂縫發(fā)生剪切滑移時(shí)，膨脹型初動(dòng)與壓縮型初動(dòng)所占比例接近。因此，室內(nèi)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)可以根據(jù)接收到信號(hào)的探頭中膨脹型初動(dòng)所占的比例λ來(lái)判斷該點(diǎn)破裂的類型[24-26]：λ＜30%，為張性事件；30%≤λ≤70%，為剪切事件；λ＞70%，為壓縮事件。圖5、圖6分別為巖樣LMX-1、LMX-5的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位結(jié)果。

巖樣LMX-1的聲發(fā)射事件點(diǎn)主要分布在遠(yuǎn)離井筒一側(cè)，且上部數(shù)量明顯偏多（見圖5），與巖樣整體裂縫形態(tài)基本一致。巖樣內(nèi)部的聲發(fā)射事件主要分布在裸眼段、水力裂縫和開啟的層理面附近。水力裂縫自裸眼段起裂，并瞬間釋放出彈性能。因此，裸眼段處的聲發(fā)射事件呈密集團(tuán)狀分布。巖樣頂部水力裂縫形態(tài)復(fù)雜、分布密集，聲發(fā)射事件較多，且呈現(xiàn)面狀分布。水力裂縫激活層理面時(shí)，由于層理面的弱膠結(jié)性質(zhì)裂縫快速到達(dá)邊界，聲發(fā)射事件沿層理面稀疏分布。另外，巖樣底部一些未與水力裂縫連通的層理面處也有少量聲發(fā)射事件產(chǎn)生。

巖樣LMX-5的聲發(fā)射事件分布與水力裂縫擴(kuò)展空間形態(tài)也具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。特別地，水力裂縫面的扭曲使聲發(fā)射事件的分布規(guī)律更加復(fù)雜：遠(yuǎn)離井筒一側(cè)，兩條水力裂縫相距較近（見圖4b），聲發(fā)射事件分布范圍較窄（見圖6b）；裸眼段和靠近井筒一側(cè)水力裂縫相距較遠(yuǎn)（見圖 4c、圖 4d），聲發(fā)射事件分布范圍較寬（見圖 6c、圖 6d）。巖樣底部原始開啟層理位置，同樣誘發(fā)少量的聲發(fā)射事件。

圖5 巖樣LMX-1聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位結(jié)果

可以看出，聲發(fā)射事件的分布能夠反映水力裂縫的空間展布。但是在整個(gè)裂縫系統(tǒng)中對(duì)于頁(yè)巖氣生產(chǎn)具有意義的是彼此連通、交織成網(wǎng)的部分。未被水力裂縫溝通的層理面，對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)集層改造范圍而言是無(wú)效的。因此，僅僅通過聲發(fā)射事件分布范圍來(lái)確定儲(chǔ)集層改造體積存在較大誤差。震源機(jī)制反映了聲發(fā)射事件位置處巖石的破裂模式。頁(yè)巖儲(chǔ)集層中天然裂縫和層理發(fā)育，水力裂縫的擴(kuò)展路徑復(fù)雜，巖樣內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)分布不斷變化；同時(shí)，壓裂液向弱面中濾失能夠降低弱面的摩擦系數(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)剪切滑移[27]。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)集層中剪切破裂在整個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成過程中具有十分顯著的作用[28]。

圖7為巖樣LMX-1、LMX-5垂直井筒方向上考慮震源機(jī)制的聲發(fā)射事件分布，圖中黑色虛線框內(nèi)為巖樣原始開啟層理面附近的聲發(fā)射事件分布。從圖 7中可以看出，龍馬溪組頁(yè)巖中聲發(fā)射事件類型以剪切事件為主，其次為張性事件，壓縮事件的數(shù)量極少。這種剪切事件主導(dǎo)的破裂類型與巖樣層理發(fā)育且存在大量隨機(jī)分布的天然裂縫有關(guān)[29]。水力壓裂過程中，裂縫內(nèi)流體凈壓力的作用會(huì)使裂縫周圍的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化[30]。Agarwal等[31]和 Warpinski等[32]通過數(shù)值模擬分析認(rèn)為：裂縫內(nèi)流體凈壓力會(huì)在水力裂縫的尖端區(qū)域產(chǎn)生誘導(dǎo)張應(yīng)力和剪應(yīng)力，降低裂縫前緣層理面或天然裂縫弱面的穩(wěn)定性。在復(fù)雜裂縫形態(tài)下，水力裂縫的隨機(jī)擴(kuò)展更容易導(dǎo)致裂縫延伸路徑與層理面之間存在夾角，使應(yīng)力擾動(dòng)效應(yīng)更加明顯，進(jìn)一步增加弱面的不穩(wěn)定性。考慮垂向應(yīng)力的壓實(shí)作用，粗糙層理面容易發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)，誘發(fā)剪切事件。結(jié)合通過CT掃描和巖樣剖分獲得的實(shí)際裂縫形態(tài)（見圖2—圖4）進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：水力裂縫溝通的區(qū)域?yàn)槊黠@的剪切事件與張性事件共存帶；遠(yuǎn)離井筒未被溝通的平直層理面（圖3中層理面4和圖4中層理面1、3）處，以剪切事件為主，沒有張性事件產(chǎn)生，如圖 7中黑色虛線框內(nèi)所示。基于聲發(fā)射定位解釋結(jié)果，利用輪廓包絡(luò)法分別計(jì)算了巖樣LMX-1、LMX-3、LMX-5的改造體積和有效改造體積，其中，所有聲發(fā)射事件的包絡(luò)體積為改造體積（SRV），張性事件與剪切事件共存帶的包絡(luò)體積代表水力裂縫溝通的有效改造體積（SRVe），計(jì)算結(jié)果如表3所示。由于巖樣LMX-3近井筒處發(fā)育單一層理縫，形成的裂縫形態(tài)簡(jiǎn)單，記錄到的聲發(fā)射事件點(diǎn)極少，因此，未能對(duì)其改造效果參數(shù)進(jìn)行有效估算。巖樣LMX-1與LMX-5裂縫形態(tài)復(fù)雜，聲發(fā)射事件點(diǎn)較多（見圖3、圖4、圖7）。計(jì)算結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)研究條件下，受原始開啟層理面擾動(dòng)的影響，SRV與SRVe之間的差異顯著。以巖樣 LMX-5為例，由聲發(fā)射事件確定的改造體積中，僅有55.8%為被水力裂縫溝通的有效改造體積。因此，可以根據(jù)震源機(jī)制區(qū)分水力裂縫有效溝通范圍和未被連通的層理面，從而提高儲(chǔ)集層有效改造體積解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 巖樣LMX-5聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位結(jié)果

圖7 巖樣中垂直井筒方向聲發(fā)射事件分布及震源機(jī)制

表3 基于聲發(fā)射解釋的SRV與SRVe計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

頁(yè)巖儲(chǔ)集層地應(yīng)力狀態(tài)及層理性質(zhì)對(duì)水力裂縫高度方向的擴(kuò)展規(guī)律具有重要影響。高垂向應(yīng)力差條件下，水力裂縫穿過層理面，有利于裂縫高度方向的擴(kuò)展；低垂向應(yīng)力差或?qū)永砻婺z結(jié)較弱的情況下，水力裂縫容易沿著層理面轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，顯著降低儲(chǔ)集層改造體積。

聲發(fā)射事件與巖樣內(nèi)部裂縫形態(tài)具有較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。水力裂縫自裸眼段起裂，此處聲發(fā)射事件數(shù)量較多，分布密集；裂縫數(shù)量越多的位置，聲發(fā)射事件越密集且呈現(xiàn)面狀分布；層理面開啟處聲發(fā)射事件較少，分布稀疏。

水力裂縫溝通范圍與聲發(fā)射事件點(diǎn)的分布范圍存在差別。水力裂縫擴(kuò)展過程中的誘導(dǎo)應(yīng)力會(huì)降低層理面的正應(yīng)力，同時(shí)產(chǎn)生附加的誘導(dǎo)剪應(yīng)力。原始開啟層理面的縫面擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)聲發(fā)射事件，導(dǎo)致基于聲發(fā)射事件的改造體積解釋結(jié)果偏大。

水力裂縫溝通的區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射事件類型為剪切事件和張性事件共存；原始開啟層理面位置聲發(fā)射事件以剪切事件為主?？梢該?jù)此區(qū)分水力裂縫有效溝通范圍和未被連通的層理，從而提高儲(chǔ)集層有效改造體積解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

符號(hào)注釋：

X，Y，Z——直角坐標(biāo)系，cm；λ——膨脹型初動(dòng)所占比例，%；σh——最小水平主應(yīng)力，MPa；Δσh——水平應(yīng)力差，MPa；σH——最大水平主應(yīng)力，MPa；σv——垂向應(yīng)力，MPa；Δσv——垂向應(yīng)力差，MPa。

[1]吳奇, 胥云, 王曉泉, 等. 非常規(guī)油氣藏體積改造技術(shù): 內(nèi)涵、優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 石油勘探與開發(fā), 2012, 39(3): 252-258.WU Qi, XU Yun, WANG Xiaoquan, et al. Volume fracturing technology of unconventional reservoirs: Connotation, optimization design and implementation[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(3): 252-258.

[2]鐘建華, 劉圣鑫, 馬寅生, 等. 頁(yè)巖宏觀破裂模式與微觀破裂機(jī)理[J]. 石油勘探與開發(fā), 2015, 42(2): 242-250.ZHONG Jianhua, LIU Shengxin, MA Yinsheng, et al. Macro-fracture mode and micro-fracture mechanism of shale[J]. Petroleum Exploration and Development, 2015, 42(2): 242-250.

[3]胥云, 陳銘, 吳奇, 等. 水平井體積改造應(yīng)力干擾計(jì)算模型及其應(yīng)用[J]. 石油勘探與開發(fā), 2016, 43(5): 780-786.XU Yun, CHEN Ming, WU Qi, et al. Stress interference calculation model and its application in volume stimulation of horizontal wells[J]. Petroleum Exploration and Development, 2016, 43(5):780-786.

[4]MAXWELL S C, URBANCIC T I, STEINSBERGER N, et al.Microseismic imaging of hydraulic fracture complexity in the Barnett shale[R]. SPE 77440, 2002.

[5]FISHER M K, WRIGHT C A, DAVIDSON B M, et al. Integrating fracture mapping technologies to optimize stimulations in the Barnett shale[R]. SPE 77441, 2002.

[6]CIPOLLA C L, WARPINSKI N R, MAYERHOFER M J, et al. The relationship between fracture complexity, reservoir properties, and fracture treatment design[R]. SPE 115769, 2008.

[7]MAYERHOFER M J, LOLON E, WARPINSKI N R, et al. What is stimulated reservoir volume?[J]. SPE Production & Operations, 2006,25(1): 89-98.

[8]ZOU Y S, ZHANG S C, ZHOU T, et al. Experimental investigation into hydraulic fracture network propagation in gas shales using CT scanning technology[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2015, 49(1): 1-13.

[9]張士誠(chéng), 郭天魁, 周彤, 等. 天然頁(yè)巖壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理試驗(yàn)[J].石油學(xué)報(bào), 2014, 35(3): 496-503.ZHANG Shicheng, GUO Tiankui, ZHOU Tong, et al. Fracture propagation mechanism experiment of hydraulic fracturing in natural shale[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(3): 496-503.

[10]許丹, 胡瑞林, 高瑋, 等. 頁(yè)巖紋層結(jié)構(gòu)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響[J]. 石油勘探與開發(fā), 2015, 42(4): 523-528.XU Dan, HU Ruilin, GAO Wei, et al. Effects of laminated structure on hydraulic fracture propagation in shale[J]. Petroleum Exploration and Development, 2015, 42(4): 523-528.

[11]侯冰, 陳勉, 程萬(wàn), 等. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層變排量壓裂的造縫機(jī)制[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(11): 2149-2152.HOU Bing, CHEN Mian, CHENG Wan, et al. Fracture mechanism on shale gas reservoir fracturing with variable pump rate[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(11): 2149-2152.

[12]LOCKNER D, BYERLEE J D. Hydrofracture in Weber sandstone at high confining pressure and differential stress[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1977, 82(14): 2018-2026.

[13]STANCHITS S, SURDI A, EDELMAN E, et al. Acoustic emission and ultrasonic monitoring of hydraulic fracturing propagation in heterogeneous rock samples[R]. ARMA 12-527, 2012.

[14]STANCHITS S, SURDI A, GATHOGO P, et al. Monitoring the early onset of hydraulic fracturing initiation by acoustic emission and volumetric deformation measurement[R]. ARMA 13-664, 2013.

[15]STANCHITS S, BURGHARDT J, SURDI A. Hydraulic fracturing of heterogeneous rock monitored by acoustic emission[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(6): 2513-2527.

[16]劉玉章, 付海峰, 丁云宏, 等. 層間應(yīng)力差對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響的大尺度實(shí)驗(yàn)?zāi)M與分析[J]. 石油鉆采工藝, 2014, 36(4): 88-92.LIU Yuzhang, FU Haifeng, DING Yunhong, et al. Large scale experimental simulation and analysis of interlayer stress difference effect on hydraulic fracture extension[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36(4): 88-92.

[17]侯振坤, 楊春和, 王磊, 等. 大尺寸真三軸頁(yè)巖水平井水力壓裂物理模擬試驗(yàn)與裂縫延伸規(guī)律分析[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(2): 407-414.HOU Zhenkun, YANG Chunhe, WANG Lei, et al. Hydraulic fracture propagation of shale horizontal well by large-scale true triaxial physical simulation test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(2): 407-414.

[18]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, 36(7): 1243-1251.HENG Shuai, YANG Chunhe, ZENG Yijin, et al. Experimental study on hydraulic fracture geometry of shale[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(7): 1243-1251.

[19]MA X F, ZOU Y S, LI N, et al. Experimental study on the mechanism of hydraulic fracture growth in a glutenite reservoir[J]. Journal of Structure Geology, 2017, 97: 37-47.

[20]ZOU Y S, ZHANG S C, MA X F, et al. Numerical investigation of hydraulic fracture network propagation in naturally fractured shale formations[J]. Journal of Structural Geology, 2016, 84: 1-13.

[21]ZOU Y S, MA X F, ZHANG S C, et al. Numerical investigation into the influence of bedding plane on hydraulic fracture network propagation in shale formations[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2016, 49(9): 3597-3614.

[22]LI H, ZOU Y S, VALKO P P, et al. Hydraulic fracture height predictions in laminated shale formations using finite element discrete element method[R]. SPE 179129, 2016.

[23]侯冰, 陳勉, 李志猛, 等. 頁(yè)巖儲(chǔ)集層水力裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展規(guī)模評(píng)價(jià)方法[J]. 石油勘探與開發(fā), 2014, 41(6): 763-768.HOU Bing, CHEN Mian, LI Zhimeng, et al. Propagation area evaluation of hydraulic fracture networks in shale gas reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development, 2014, 41(6): 763-768.

[24]OHTSU M. Simplified moment tensor analysis and unified decomposition of acoustic emission source: Application to in situ hydro fracturing test[J]. Journal of Geophysical Research, 1991,96(4): 6211-6221.

[25]LEI X L, NISHIZAWA O, KUSUNOSE K, et al. Fractal structure of the hypocenter distributions and focal mechanism solutions of acoustic emission in two granites of different grain sizes[J]. Journal of Physics of the Earth, 1992, 40(6): 617-634.

[26]劉建坡, 劉召勝, 王少泉, 等. 巖石張拉及剪切破裂聲發(fā)射震源機(jī)制分析[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(11): 1624-1628.LIU Jianpo, LIU Zhaosheng, WANG Shaoquan, et al. Analysis of acoustic emission source mechanisms for tensile and shear cracks of rock fractures[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2015, 36(11): 1624-1628.

[27]YAN W, GE H K, WANG J B, et al. Experimental study of the friction properties and compressive shear failure behaviors of gas shale under the influence of fluids[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 33: 153-161.

[28]MAXWELL S C, CIPOLLA C. What does microseismicity tell us about hydraulic fracturing?[R]. SPE 146932, 2011.

[29]HAMPTON J, FRASH L, GUTIERREZ M. Investigation of laboratory hydraulic fracture source mechanisms using acoustic emission[R]. ARMA 13-315, 2013.

[30]WARPINSKI N R, BRANAGAN P T. Altered-stress fracturing[J].Journal of Petroleum Technology, 1989, 41(9): 990-997.

[31]AGARWAL K, MAYERHOFER M, WARPINSKI N R. Impact of geomechanics on microseismicity[R]. SPE 152835, 2012.

[32]WARPINSKI N R, MAYERHOFER M, AGARWAL K, et al.Hydraulic-fracture geomechanics and microseismic-source mechanisms[J]. SPE Journal, 2013, 18(4): 766-780.

Hydraulic fracture propagation geometry and acoustic emission interpretation: A case study of Silurian Longmaxi Formation shale in Sichuan Basin, SW China

MA Xinfang1, LI Ning1, YIN Congbin2, LI Yanchao2, ZOU Yushi1, WU Shan1, HE Feng2, WANG Xiaoqiong1, ZHOU Tong1
(1.China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.Downhole Company,Chuanqing Drilling Engineering Co. Ltd.,Chengdu610051,China)

A series of laboratory fracturing experiments was performed on samples mined from an outcrop of the Silurian Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin, using a true triaxial fracturing simulation system. To reveal the characteristics of acoustic emission(AE) response in hydraulic fracture (HF) propagation, the HF propagation geometry obtained by specimen splitting and CT scanning technology was compared with the interpretation results of AE monitoring. And the difference of hypocenter mechanism between hydraulically connected and unconnected regions was further discussed. Experimental results show that the AE events distribution indicates well the internal fractures geometry of the rock samples. Numerous AE events occur and concentrate around the wellbore where the HF initiated. Sparse AE events were presented nearby bedding planes (BP) activated by the HF. AE events tended to be denser where HF geometry was more complex. The hydraulically connected region was obviously distinct with the spatial distribution of AE events,which resulted in the overestimation of stimulated reservoir volume (SRV) based on micro-seismic mapping result. Both tensile and shear events occurred in the zone connected by the hydraulic fractures, while only shear events were observed around BPs those were not hydraulically connected. Thus, the hydraulically connected and unconnected region can be identified in accordance with the hypocenter mechanism, which is beneficial to improve the accuracy of SRV evaluation.

shale; bedding plane; hydraulic fracture; propagation geometry; acoustic emission; CT scanning

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2015ZX05046-004）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2015CB250903，2013CB228004）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05023-001）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研啟動(dòng)基金（ZX20160022）

TE357.1

A

1000-0747(2017)06-0974-08

10.11698/PED.2017.06.16

馬新仿, 李寧, 尹叢彬, 等. 頁(yè)巖水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)與聲發(fā)射解釋: 以四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖為例[J].石油勘探與開發(fā), 2017, 44(6): 974-981.

MA Xinfang, LI Ning, YIN Congbin, et al. Hydraulic fracture propagation geometry and acoustic emission interpretation: A case study of Silurian Longmaxi Formation shale in Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 974-981.

馬新仿（1972-），男，湖北天門人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院副教授，主要從事儲(chǔ)集層壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)與理論研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）289信箱，郵政編碼：102249。E-mail: maxinfang@cup.edu.cn

聯(lián)系作者簡(jiǎn)介：鄒雨時(shí)（1985-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院助理研究員，主要從事巖石力學(xué)與水力裂縫擴(kuò)展理論研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）289信箱，郵政編碼：102249。E-mail:yushizou@126.com

2017-03-20

2017-07-20

（編輯 胡葦瑋）