頁巖氣藏水力壓裂中應(yīng)力-流壓耦合效應(yīng)及人工裂縫擴展規(guī)律

張建光, 李湘萍, 王傳睿, 呂愛民, 孫致學(xué)

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072)

頁巖氣作為重要的非常規(guī)油氣資源,其規(guī)模及可采儲量極其可觀。中國頁巖氣資源分布廣泛,在南方古老海相龍馬溪組和筇竹寺組等頁巖儲層中普遍存在地層超壓現(xiàn)象,壓力系數(shù)普遍大于1.3,局部地區(qū)可超過2.3[1]。水力壓裂技術(shù)作為提高油氣采收率的有效工程技術(shù),在超壓頁巖氣開發(fā)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在超壓頁巖儲層的勘探開發(fā)過程中研究人員發(fā)現(xiàn),孔隙流體壓力的增加和儲層巖石原始應(yīng)力場之間存在著耦合作用。地層原始應(yīng)力場與流體壓力的耦合規(guī)律的研究,有助于加深對水力壓裂過程中超壓頁巖儲層應(yīng)力場演化及裂縫擴展的認識,對壓裂改造有重要的研究價值。由于超壓地層的原始應(yīng)力-流壓耦合和水力壓裂開采過程涉及到巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、計算力學(xué)等過程,復(fù)雜且難以直接觀察,因此國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法進行了數(shù)值模擬研究。Fu等[2]建立流體-構(gòu)造力學(xué)顯式耦合理論模型,對裂縫體油藏進行水力壓裂模擬;Meyer等[3]基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型開發(fā)了MShale軟件;王杰等[4]基于離散塊體單元模型進行了巖石破裂模擬;雷群等[5]從地層應(yīng)力與壓裂壓力的關(guān)系角度研究了低孔低滲介質(zhì)壓裂縫網(wǎng)形成機制;曾青冬等[6]利用位移不連續(xù)方法(DDM)對多簇壓裂縫網(wǎng)的擴展進行了影響因素分析;趙金洲等[7]也在研究中國頁巖氣壓裂設(shè)計中指出,水力壓裂在單一裂縫脆弱面上將產(chǎn)生使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的誘導(dǎo)應(yīng)力,并得出了任意壓力分布情況下的誘導(dǎo)應(yīng)力場計算模型;Taron等[8]利用有限差分軟件FLAC3D,以節(jié)理張開度為切入點,研究了地?zé)釒r的THMC耦合性質(zhì)。但是前人的工作多基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè),建立在宏觀力學(xué)性質(zhì)連續(xù)基礎(chǔ)上進行研究,從細觀離散元角度進行研究較為少見。筆者基于離散元方法的孔隙超壓和水力壓裂數(shù)值模擬,開展頁巖氣藏水力壓裂中應(yīng)力-流壓耦合效應(yīng)及人工裂縫擴展規(guī)律研究。

1 初始應(yīng)力場與流體壓力耦合關(guān)系

頁巖儲層多具有近生烴源和一體生儲成藏的特征。超壓頁巖儲層經(jīng)歷了高度成熟演化和強烈地質(zhì)構(gòu)造運動,常見的增壓機制包括構(gòu)造抬升型、水熱型、黏土礦物脫水型、生烴型[9]。根據(jù)Biot提出的修正有效應(yīng)力原理,即將地層應(yīng)力σ看作是關(guān)于流體壓力pp的函數(shù),用以解釋當(dāng)孔隙空間內(nèi)充有流體并且存在壓力時巖石介質(zhì)的形變現(xiàn)象。基質(zhì)顆粒受力狀態(tài)由地層應(yīng)力和孔隙流壓共同控制,其表達式為

(1)

(2)

kij(σ,pp)=k0exp(βΔn).

(3)

由Biot理論可知,孔隙流體壓力的增加會降低巖石介質(zhì)所受的有效應(yīng)力。在美國海灣濱海地區(qū)、文萊、委內(nèi)瑞拉、加拿大以及北海地區(qū)等存在地層壓力異常的油氣田開發(fā)過程中,一系列壓力監(jiān)測的結(jié)果都證明,孔隙中的壓力pp和最小主應(yīng)力σh之間都存在耦合關(guān)系。Engelder等[10]基于英國North Sea Garben超壓區(qū)塊以及加拿大Scotian Shelf油砂次盆地開采過程中地應(yīng)力及孔隙壓力演變數(shù)據(jù),假定地層垂向應(yīng)力σv為最大主應(yīng)力且最小主應(yīng)力σh在水平方向上,提出了流體壓力與巖石介質(zhì)應(yīng)力的耦合關(guān)系簡化公式:

(4)

式中,σh為最小主應(yīng)力,MPa;σv為最大主應(yīng)力,MPa;ν為泊松比;a′為比奧系數(shù)。

可以看出,Engelder等[10]是在基于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相互垂直的前提下,假設(shè)垂向應(yīng)力σv為最大主應(yīng)力,研究了垂直剖面上流體壓力與應(yīng)力的耦合關(guān)系,而在實際地層中的水平平面上也存在相互垂直最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。以此為基礎(chǔ),本文中對水平方向上應(yīng)力-流壓耦合作用及其對水力壓裂裂縫擴展的影響進行探討,開展基于離散元方法的孔隙增壓和水力壓裂細觀數(shù)值模擬研究。

2 顆粒流數(shù)值模擬計算耦合原理

圖1 平行黏結(jié)模型示意圖Fig.1 Sketch of parallel bond model

基于平行黏結(jié)的膠結(jié)顆粒模型,通過巖體孔隙壓力變化引起的裂縫擴展的模擬研究地層應(yīng)力和流體壓力之間的耦合作用,該耦合作用主要基于以下假設(shè):

(1)巖體內(nèi)的孔隙通道為管-域模型(pipe-domain model)。 流體的流動通道為顆粒接觸位置的平行板通道,稱之為“管道”,即為圖2中的黑色線段所示;流體的存儲單元為顆粒間的孔隙單元,稱之為“壩頡北,如圖2中紅色線段圍成的區(qū)間即為域的空間,黑色圓形部分為域的中心點,相鄰的域之間通過管道相連。

圖2 管-域模型Fig.2 Model of pipes and domains

(2)頁巖儲層具有低孔低滲的特征,顆粒間孔隙的體積非常小,油氣儲層內(nèi)流體的運動通道多為“孔隙-裂縫”,因此本模型對水力壓裂過程中水體壓縮的影響忽略不計。

模擬流體-應(yīng)力耦合的管-域模型可以看作是由基質(zhì)顆粒、膠結(jié)物、裂縫、原生孔隙組成的多孔膠結(jié)體。假設(shè)物質(zhì)孔隙儲水,裂縫管道導(dǎo)水,由裂隙介質(zhì)的導(dǎo)水作用,在雙重介質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)形成兩個水頭,即孔隙介質(zhì)中水頭和裂縫介質(zhì)中水頭,兩種介質(zhì)之間通過水流交換項聯(lián)系。由于裂縫和原生孔隙的孔隙度和滲透率差別很大,因此計算流體在二者間的運移時,通過立方定律建立細觀裂縫與孔隙域之間的交換關(guān)系為

q=ka3(p2-p1)/L.

(5)

式中,k為傳導(dǎo)系數(shù);a為管道平均孔徑,m;p2-p1為相鄰域的壓力差值,Pa;L為相鄰接觸顆粒半徑之和,m。

根據(jù)顆粒黏結(jié)所受法向壓力的情況分析,當(dāng)法向壓力為0時,管道的孔徑等于殘余開度孔徑,隨著法向壓力的增大,裂縫開度減小。二者的關(guān)系可定義為

α=α0F0/(F+F0).

(6)

式中,α0為顆粒間接觸力為0時的管道孔徑,又稱為殘余開度孔徑,m;F0為管道孔徑α減小到0.5α0時的法向壓力,Pa。相鄰域通過與之相連的管道進行流體置換,在一個時間步長Δt內(nèi),域內(nèi)的流體壓力變化為

(7)

式中,Kf為流體的體積模數(shù);∑q為該域從周圍管道中獲得的總流量體積,m3;ΔVd為孔隙域視體積的變化量,m3。

如圖3(圖3中s為相鄰兩顆粒間的間距,即流體壓力運動的作用截面寬度,m)所示,域內(nèi)的流體壓力p會均勻作用在固相顆粒表面,因此顆粒受到的合力為

(8)

式中,β為流體域邊界夾角的半角。

由上述分析可知,膠結(jié)顆粒模型與流體之間的耦合通過以下3點實現(xiàn):①通過顆粒間接觸力的變化來實現(xiàn)通道孔隙的變化,不同域內(nèi)的流量交換增加;②通過作用在顆粒上的力改變域的空間結(jié)構(gòu),進一步改變其中的壓力;③域內(nèi)的孔隙壓力對其周圍的顆粒有推移作用。

圖4為耦合循環(huán)計算原理流程。

圖3 顆粒所受流體壓力Fig.3 Fluid pressure acting on particle

圖4 流壓-應(yīng)力耦合計算原理Fig.4 Calculation principle of flow pressure-stress coupling

3 孔隙增壓及水力壓裂模擬方案論證

3.1 數(shù)值模型建立及參數(shù)確定

查閱國內(nèi)外頁巖儲層的相關(guān)力學(xué)參數(shù),認為頁巖儲層彈性模量一般為530 GPa,泊松比為0.2～0.4,抗剪強度為10～70 MPa[12]。在數(shù)值模擬中為了使數(shù)值模型更加接近真實頁巖物性,同時考慮到流體壓力和應(yīng)力耦合計算的精度,在建模過程中還需要對模型細觀力學(xué)參數(shù)和流體計算參數(shù)進行標(biāo)定。由于尺寸效應(yīng)的存在,無法直接通過宏觀參數(shù)確定細觀力學(xué)參數(shù),因此需要采用反演標(biāo)定的方法,通過調(diào)參得到合理的細觀力學(xué)參數(shù)。

為驗證數(shù)值模型能夠表現(xiàn)出頁巖的宏觀力學(xué)物性,筆者借鑒文獻[13-14]中的龍馬溪組露頭頁巖力學(xué)參數(shù)作為用以標(biāo)定的宏觀力學(xué)參數(shù)試驗數(shù)據(jù),進行未加孔隙流壓情況下的單軸壓縮模擬試驗并記錄巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與前人所做的實驗室條件下的物理試驗數(shù)據(jù)進行比對,結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬的峰值強度接近,且室內(nèi)試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果曲線具有非常好的趨勢一致性,因此可認為建立的數(shù)值巖樣模型的細觀力學(xué)參數(shù)符合要求,可以進行相關(guān)數(shù)值試驗。

圖5 室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬的單軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain relationships observed in numerical and experimental uniaxial compression tests

經(jīng)過反復(fù)試算,確定頁巖細觀力學(xué)參數(shù)如下:顆粒摩擦系數(shù)為0.557,顆粒接觸模量為10.5 GPa,顆粒法向切向剛度比為2.5,接觸黏結(jié)平均法向強度和切向剛度均為24 MPa。模擬中流體計算參數(shù)參考楊艷等[15]對孔隙流體計算參數(shù)的敏感性分析,對流體計算參數(shù)賦值如下:流體黏度μ為1.5 mPa·s,流體體積模數(shù)Kf為0.01 GPa,殘余孔徑α0為1.0 μm,初始法向壓力F0為5.0×106N,時間步長設(shè)置為5×10-4s。

通過試錯法反演出的頁巖巖樣模型的尺寸為2 m×2 m,孔隙度為0.07,共生成12 443個顆粒,最大最小顆粒粒徑比為1.66,顆粒平均半徑為9 mm,顆粒半徑服從均勻分布。顆粒之間的黏結(jié)類型為平行黏結(jié),黏結(jié)強度服從正態(tài)分布。巖樣模型的宏觀密度為2 532 kg/m3,彈性模量為14.06 GPa,泊松比為0.367,單軸抗壓峰值強度為118.0 MPa,單軸抗拉強度11.67 MPa。數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 建立的數(shù)值巖樣模型Fig.6 Numerical rock specimen

3.2 試驗方案設(shè)計

3.2.1 原始應(yīng)力場與孔隙壓力耦合方案設(shè)計

為探討水平方向上孔隙增壓與原始應(yīng)力場之間耦合關(guān)系,計劃進行如下試驗方案。先通過伺服施加圍壓模擬應(yīng)力場,固定最大、最小水平主應(yīng)力,然后將流壓作用范圍設(shè)定為整個模型孔隙,對數(shù)值巖樣模型進行整體孔隙增壓,改變孔隙流體壓力,分別設(shè)置10、10.5、11和11.5 MPa的孔隙流體壓力為對照組,分析孔隙水壓力增壓對巖樣模型的力學(xué)性質(zhì)影響;固定y方向的最大水平主應(yīng)力為40 MPa和孔隙壓力不變,x方向最小主應(yīng)力分別設(shè)置成32.5、35、37.5和40 MPa作為對照組,分析最小水平主應(yīng)力對孔隙存在流壓的巖樣模型的力學(xué)性質(zhì)影響。設(shè)計8組不同最小水平主應(yīng)力和孔隙壓力下數(shù)值巖樣模型,分別對8組數(shù)值模型進行直剪試驗(圖7),用以分析孔隙流體壓力及主應(yīng)力對地層巖石介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的影響,具體方案見表1。

圖7 直剪試驗Fig.7 Direct shear test

試驗編號最小水平主應(yīng)力σh/MPa孔隙壓力pp/MPa1234567830.030.030.030.032.535.037.540.010.010.511.011.510.010.010.010.0

3.2.2 原始應(yīng)力場與壓裂流體壓力耦合方案設(shè)計

為研究存在地層孔隙超壓現(xiàn)象的原始應(yīng)力場和水力壓裂流體壓力之間的耦合作用及裂縫擴展規(guī)律,針對水力壓裂流體具有高能量、高壓力、大排量的特點,分別從注入壓力和地應(yīng)力場分布對裂縫擴展影響的角度設(shè)計了水力壓裂數(shù)值模擬試驗,方案為:對巖樣模型通過墻體圍壓加載模擬應(yīng)力場,固定水平應(yīng)力差異系數(shù)為20%,設(shè)定x、y方向的主應(yīng)力為定值,改變注入流體壓力,分別以70、75、80和85 MPa的注入壓裂壓力為對照組,向模型內(nèi)部在模型中心設(shè)置半徑為1.5 cm的圓形壓力孔注入流體,分析不同流體壓力對應(yīng)力場的影響;保持y方向的最大水平主應(yīng)力為40 MPa不變,設(shè)定x方向的最小水平主應(yīng)力,分別以30、32.5、35和37.5 MPa的x方向應(yīng)力為模擬對照組,在模型中心設(shè)置壓力源并以定壓力梯度向模型內(nèi)部注入流體,分析不同水平應(yīng)力差異系數(shù)下裂縫擴展規(guī)律。綜上所述,本文中設(shè)計不同壓裂壓力和水平應(yīng)力差異系數(shù)下的試驗方案,見表2。

表2 不同壓力和水平主應(yīng)力比下的方案Table 2 Scheme for experiments under different fracturingpressuresand horizontal principal stressratios

4 模擬結(jié)果對比分析

4.1 原始應(yīng)力場和孔隙增壓耦合結(jié)果

結(jié)合巖樣模型及流體計算參數(shù),進行地應(yīng)力條件下的巖樣整體孔隙增壓和直剪試驗的細觀數(shù)值模擬(圖7),獲得了頁巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,圖8為定最小水平主應(yīng)力下不同孔隙壓力巖樣模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖8可以看出,巖石應(yīng)力-應(yīng)變的前期的彈性變形階段(A—B段),不同孔隙壓力下的變化趨勢大致相同,曲線斜率即彈性模量可近似看作等值;隨著孔隙壓力的增加,巖樣模型的峰值強度變大且峰值應(yīng)變右移,在4組模擬方案中,孔隙壓力10、10.5、11和11.5 MPa對應(yīng)的峰值強度分別為2.26、2.41、2.63和2.74 MPa,對應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為0.62%、0.71%、0.77%和0.94%。由式(1)可知,地層巖石骨架受到的有效應(yīng)力為原始地應(yīng)力與孔隙流體壓力的差值,局部巖樣孔隙整體增壓會抵消一部分原始地層應(yīng)力,細觀上反映為顆粒間膠結(jié)部分承受的法相接觸力以及切向接觸力下降(圖1),削弱了顆粒間膠結(jié)物的初始承載,提高了其極限破壞強度;宏觀上表現(xiàn)為地層巖石介質(zhì)所受的有效應(yīng)力降低,增強了巖石的塑性及抗剪切破壞能力。

圖8 不同孔隙壓力下數(shù)值試樣剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Relation of differential shear stress-strain of numerical specimens under different pore pressures

圖9為不同最小主應(yīng)力下的巖樣模型直剪試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?隨著最小水平主應(yīng)力的增大,巖樣模型的峰值強度逐漸增大;巖樣模型的彈性變形初期階段,應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系,曲線斜率隨著最小水平主應(yīng)力的增加而增大,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中斜率表征巖石的彈性模量,說明固相介質(zhì)所承受的最小水平主應(yīng)力與彈性模量呈正相關(guān)關(guān)系。這與文獻[16]中的試驗與分析結(jié)果相同。

根據(jù)上述模擬結(jié)果并結(jié)合格里菲斯-庫倫破裂準(zhǔn)則,對原始應(yīng)力場與孔隙流體無差異增壓之間的耦合關(guān)系進行分析。圖10(a)為傳統(tǒng)的格里菲斯-庫倫破裂準(zhǔn)則下的孔隙增壓影響下應(yīng)力路徑,莫爾圓的直徑為水平差異應(yīng)力值。圖10(b)為考慮應(yīng)力場和孔隙流體增壓耦合作用的修正格里菲斯-庫倫破裂準(zhǔn)則,基于公式(4)提出的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相互垂直的前提條件下,假設(shè)最大主應(yīng)力為水平最大主應(yīng)力且不發(fā)生改變,當(dāng)發(fā)生巖樣孔隙流體增壓后,公式(4)中的系數(shù)項增大,水平應(yīng)力差異系數(shù)減小,應(yīng)力變化過程反映在應(yīng)力路徑圖上的變化上如圖10(b)所示,莫爾圓在左移的過程中直徑逐漸減小,增大了與破裂包絡(luò)線相切的難度。綜上所述,初始應(yīng)力場與孔隙增壓存在耦合關(guān)系,孔壓變化會引起水平差異應(yīng)力變化,并對巖體的穩(wěn)定性起到促進作用。

圖9 不同最小水平主應(yīng)力下數(shù)值試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.9 Relation of differential shear stress-strain of numerical specimens under different minimum horizontal principal stress

4.2 原始應(yīng)力場和壓裂流體壓力耦合結(jié)果

4.2.1 應(yīng)力場與壓裂流體的耦合作用

設(shè)定壓裂壓力pf為80 MPa,在水平方向上假設(shè)地層初始最大水平主應(yīng)力不發(fā)生改變,通過增加初始最小水平主應(yīng)力的值改變水平差異應(yīng)力,并對處于應(yīng)力場中的數(shù)值試樣進行水力壓裂模擬,結(jié)果如圖11所示。從圖11能夠看出,當(dāng)水平差異應(yīng)力Δσ為0(即水平應(yīng)力差異系數(shù)為0)時,定壓力下裂縫改造面積較小且無規(guī)律性,增大水平差異應(yīng)力系數(shù),裂縫改造面積增大并呈現(xiàn)出明顯的方向性。此外,從圖11中還可以觀察到隨著Δσ的增加,微裂縫擴展方向從由壓裂中心點向周向均勻擴展逐漸轉(zhuǎn)為平行于最大水平主應(yīng)力方向。這是因為隨著壓裂作業(yè)的進行,壓裂液通過破壞巖石介質(zhì)進入其孔隙中,造成局部孔隙具有極高的壓力并形成新裂縫。根據(jù)斷裂力學(xué)理論,裂縫尖端具有應(yīng)力奇異性,而裂縫尖端處的應(yīng)力集中使該處的巖石破壞強度小于其他區(qū)域,故而流體壓力在裂縫尖端位置更易進行聚集和運移。

圖10 孔隙流體超壓對巖石破裂影響Fig.10 Influence of overpressure pore fluid on rock failure

圖11 定80 MPa壓裂壓力下不同水平差異應(yīng)力裂縫最終擴展形態(tài)Fig.11 Final fracture-morphology under different horizontal principal stress ratios, 80 MPa fracturing pressure

在壓裂過程中考慮應(yīng)力-流壓的耦合效應(yīng),與傳統(tǒng)觀念(圖12中實線黑色莫爾圓)相比,地層水平差異應(yīng)力系數(shù)的降低會引起孔隙形狀及流體受力狀態(tài)的改變,使壓裂破壞過程的應(yīng)力路徑中莫爾圓左移并變小,增大了莫爾圓與破裂包絡(luò)線相切難度(圖12中虛線藍色莫爾圓),增強了巖石的抗破裂能力。簡言之,水平差異應(yīng)力系數(shù)與水力壓裂作業(yè)效果有密切聯(lián)系,水平差異應(yīng)力系數(shù)越小,人工裂縫改造面積越小,壓裂作業(yè)效果越差。

圖12 水力壓裂對水平方向巖石破裂影響Fig.12 Influence of hydraulic fracturing on rock failure

隨著裂縫的發(fā)育,儲層初始應(yīng)力場會進行重構(gòu)。圖13為壓裂后最小水平主應(yīng)力分布云圖。由圖13可知,不同初始水平差異應(yīng)力條件下壓裂流體造成的局部超壓區(qū)域形態(tài)各不相同,但應(yīng)力場的變化呈相似性:水平差異應(yīng)力的增加,使在垂直于裂縫擴展方向上的最小主應(yīng)力增強,裂縫延伸尖端出現(xiàn)應(yīng)力弱化,在巖樣模型內(nèi)部形成比較明顯的應(yīng)力強區(qū)和弱區(qū)。

圖13 不同水平差異應(yīng)力下水力壓裂后最小水平主應(yīng)力分布云圖Fig.13 The minimum horizontal principal stress distribution nephogram of specimen under different horizontal differential stress

4.2.2 應(yīng)力-流壓耦合作用下裂縫擴展規(guī)律

圖14為不同壓裂壓力下各時步裂縫擴展形態(tài)。從圖14中可以看出,在存在孔隙增壓及地層應(yīng)力條件下,壓裂作業(yè)并未形成單一主裂縫而是以微裂紋的形式發(fā)育,隨著壓裂壓力pf增大,裂縫密度逐漸增加。微裂紋在y方向高度發(fā)育并擴展,x方向的裂紋發(fā)育被抑制。人工水力裂縫產(chǎn)狀沿著最大應(yīng)力方向擴展,與Erdogan等提出的最大周向應(yīng)力理論相符。

圖14 不同注入流體壓力下各時步裂縫擴展形態(tài)Fig.14 Each time step of fracture-morphology under different inject fluid pressure

為研究壓裂流體壓力對裂縫擴展的影響,圖15記錄了不同壓裂壓力作業(yè)過程中裂縫數(shù)量的發(fā)育情況。從圖15中可以看出,水力壓裂裂縫擴展速率呈現(xiàn)先增大后減小(圖中各曲線斜率變化)的趨勢。低壓裂壓力pf時,微裂紋擴展速率增漲幅度較為緩和,后續(xù)裂紋發(fā)展速率相對均勻穩(wěn)定;隨著pf的增加,裂縫發(fā)育起點逐漸左移,pf越大微裂紋擴展速率提升程度越劇烈,待主要破壞完成后逐漸放緩。通過該現(xiàn)象,可以認識到注入流體壓力會在頁巖內(nèi)部形成由微裂縫組成的復(fù)雜縫網(wǎng),裂縫數(shù)量會在短時間內(nèi)發(fā)展到一定峰值,繼而裂縫生成速率逐漸減緩;提高pf能加快裂縫形成速度,更有助于裂縫的發(fā)育延展。

圖15 不同壓裂壓力下裂縫擴展趨勢曲線Fig.15 Curves of fractures development under different fracturing pressures

5 結(jié) 論

(1)水平應(yīng)力場與孔隙流體之間存在耦合作用,水平差異應(yīng)力隨著固相介質(zhì)內(nèi)部孔隙流體壓力的增加而減小,假設(shè)地層最大水平主應(yīng)力不變,則最小水平主應(yīng)力與固相介質(zhì)的彈性模量及抗剪強度均為正相關(guān)關(guān)系,存在孔隙超壓現(xiàn)象的巖石的剛度和剪切破壞峰值強度均有所提高。

(2)水平應(yīng)力場與壓裂流體之間存在耦合作用,流體壓力一定時,地層水平差異應(yīng)力越大,裂縫改造面積越大;應(yīng)力-流壓耦合作用下,流體生成的裂縫能夠改變巖石介質(zhì)所受最小水平主應(yīng)力的大小及分布,最小水平主應(yīng)力在裂縫尖端處弱化并朝著與裂縫垂直的方向偏轉(zhuǎn)。

(3)裂縫發(fā)育速率及擴展范圍均隨注入流體壓力增加而增加,加載速率呈現(xiàn)出迅速上升后放緩的趨勢;水平最小主應(yīng)力的大小及方向直接影響人工裂縫擴展方式,在水平方向上朝著最大周向應(yīng)力方向延伸,最小周向應(yīng)力方向的裂縫發(fā)育被抑制,隨著水平差異應(yīng)力的增加,這種趨勢愈發(fā)明顯。