頁(yè)巖氣藏壓裂裂縫擴(kuò)展理論研究進(jìn)展

【摘 要】水平井鉆井與多段壓裂相配合是目前開(kāi)發(fā)動(dòng)用頁(yè)巖氣資源的主要技術(shù)手段。本文概述了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展理論的研究進(jìn)展，以期為更好設(shè)計(jì)壓裂施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣強(qiáng)化開(kāi)發(fā)提供參考。

【關(guān)鍵詞】頁(yè)巖氣；壓裂；裂縫擴(kuò)展；研究進(jìn)展

頁(yè)巖氣是指賦存于泥巖或頁(yè)巖中的天然氣。北美頁(yè)巖氣革命引發(fā)了全球頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)熱潮[1]，而我國(guó)不論是頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量還是技術(shù)可采儲(chǔ)量都要比美國(guó)豐富。水力壓裂是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的必由之路，因此，總結(jié)頁(yè)巖氣藏壓裂裂縫擴(kuò)展理論的研究進(jìn)展，對(duì)于優(yōu)化壓裂水力參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的強(qiáng)化開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 裂縫擴(kuò)展理論研究的關(guān)鍵問(wèn)題

頁(yè)巖氣藏人工壓裂以實(shí)現(xiàn)資源高效動(dòng)用，提高最終采收率為目標(biāo)。目前，調(diào)控人工裂縫的擴(kuò)展形態(tài)及其波及面積，仍是提高頁(yè)巖氣藏的產(chǎn)氣效率和總產(chǎn)量的主要技術(shù)手段。同時(shí)，人工裂縫的擴(kuò)展理論是試井解釋、生產(chǎn)模擬和壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是頁(yè)巖氣藏人工壓裂技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一[2]。

人工水力裂縫的展布形態(tài)主要由壓裂液流場(chǎng)能量分布及其流變性、原地應(yīng)力、儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)和天然裂縫發(fā)育等因素控制[3]，涉及流體力學(xué)、巖石力學(xué)和斷裂力學(xué)等多學(xué)科綜合，包括儲(chǔ)層巖石受力變形，窄縫內(nèi)壓裂液能量輸運(yùn)以及裂縫起裂擴(kuò)展等物理過(guò)程。

2 頁(yè)巖氣藏人工裂縫擴(kuò)展理論研究進(jìn)展

描述巖石受力變形過(guò)程的理論模型經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。從線彈性理論開(kāi)始，經(jīng)歷了彈塑性理論階段，目前多孔彈性理論得到了逐步的發(fā)展和應(yīng)用。上世紀(jì)六十年代，Perkins（1961）等[4]將儲(chǔ)層巖石假設(shè)為脆性、線彈性體，即利用線彈性理論預(yù)測(cè)水力作用下的裂縫寬度，研究發(fā)現(xiàn)：裂縫寬度主要由壓裂液沿裂縫長(zhǎng)度方向的流動(dòng)壓降決定；壓裂液粘度越高，排量越大則流動(dòng)壓降越大，最終得到較寬的裂縫。從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，油氣工程領(lǐng)域的科技工作者將彈塑性理論引入巖石受力變形的過(guò)程描述領(lǐng)域。Panos（1994）等[5]基于彈塑性假設(shè)和摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則及DP準(zhǔn)則，建立了巖石破壞預(yù)測(cè)模型，用以指導(dǎo)井壁穩(wěn)定領(lǐng)域的鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)。最近，研究人員將多孔彈性理論引入巖石受力變形的過(guò)程描述中，以使數(shù)學(xué)模型更貼近實(shí)際情況并增加模型的精度。Rahman（2009）等[6]建立了有限元模型，采用Warpiniski & Teufel相交準(zhǔn)則，考察多孔彈性體內(nèi)人工水力裂縫與天然裂縫相交后的擴(kuò)展情況，并分析了孔隙壓力變化對(duì)裂縫擴(kuò)展方位的影響，Charoenwongsa（2010）等[7]通過(guò)耦合流動(dòng)模型和巖石地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，建立了人工裂縫擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型。模型中將裂縫擴(kuò)展過(guò)程視為應(yīng)力波的傳遞，并考慮了流動(dòng)傳熱的影響，分析了孔隙壓力，巖石與流體間傳熱以及應(yīng)力波傳遞對(duì)儲(chǔ)層巖石骨架結(jié)構(gòu)的影響，并以此確定水力壓裂誘發(fā)的剪應(yīng)力是否可以打開(kāi)天然裂縫。

在模擬窄縫內(nèi)壓裂液流動(dòng)規(guī)律方面，研究人員主要是采用Carter濾失理論和Reynolds潤(rùn)滑理論。當(dāng)人工誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫相交后，壓裂液在儲(chǔ)層中的濾失得以加強(qiáng)，進(jìn)而影響窄縫內(nèi)的壓力分布和裂縫展布。Rahman（2009）等[8]采用Carter濾失模型描述壓裂液在兩縫相交后的濾失情況，采用Reynolds潤(rùn)滑理論來(lái)模擬計(jì)算窄縫內(nèi)的壓力分布，在此基礎(chǔ)上考察天然裂縫存在對(duì)人工水力裂縫擴(kuò)展的影響。上述模型中，多孔彈性模型描述巖石的受力變形，并基于KGD模型模擬分析了泵送時(shí)間對(duì)裂縫長(zhǎng)度和寬度的影響。

在模擬分析水力裂縫起裂及擴(kuò)展方面，由于頁(yè)巖壓裂裂縫多呈現(xiàn)出復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)，Xu（2010）等[9]，Weng（2011）等[10]先后基于網(wǎng)絡(luò)裂縫模型和基巖線彈性斷裂力學(xué)理論，模擬分析了壓裂誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫相交后的起裂擴(kuò)展情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力各向異性、天然裂縫發(fā)育以及界面間的摩阻可顯著影響縫網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。Chen（2009）等[11]，Carrier（2010）等[12]先后基于內(nèi)聚區(qū)理論建立有限元模型模擬裂縫在多孔彈性體內(nèi)的擴(kuò)展。揭示了巖體滲透率、壓裂液粘度等因素在不同區(qū)域?qū)毫ζ拭娴挠绊?，并建議在裂縫尖端加密網(wǎng)格以使求解收斂并獲得較高的計(jì)算精度。

在復(fù)雜裂縫的模擬表征方面，先后發(fā)展了線性網(wǎng)絡(luò)模型、非常規(guī)裂縫網(wǎng)絡(luò)模型、有限元裂縫網(wǎng)絡(luò)模型和離散元裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。Xu（2010）等[9]提出以線性網(wǎng)絡(luò)模型表示頁(yè)巖氣藏壓裂產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫，其中將裂縫網(wǎng)絡(luò)假設(shè)為沿水平井筒對(duì)稱(chēng)的橢球體，并以均勻分布的垂向和橫向截面來(lái)分割橢球體。采用半解析方法求解模型，模擬分析了巖體中裂縫實(shí)時(shí)擴(kuò)展，考察了施工參數(shù)對(duì)壓裂效果的影響規(guī)律，并分析了支撐劑在縫網(wǎng)中的運(yùn)移情況。Weng等[10]在考慮不規(guī)則裂縫形態(tài)的基礎(chǔ)上，提出了非常規(guī)裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)數(shù)值求解，模擬分析了人工誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫的相互作用，耦合計(jì)算了支撐劑、壓裂液輸運(yùn)及巖石力學(xué)響應(yīng)，并可通過(guò)微地震檢測(cè)來(lái)修正模型。其主要局限性在于模型的計(jì)算精度較高低依賴(lài)于邊界參數(shù)的輸入。有限元模型具體包括邊界單元法[13]和擴(kuò)展有限元[2，14]兩種實(shí)施方法。有限元模型在求解人工誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫擴(kuò)展時(shí)，耦合計(jì)算了窄縫內(nèi)壓裂液能量輸運(yùn)及巖石力學(xué)響應(yīng)，并可預(yù)測(cè)裂縫的長(zhǎng)度和寬度。有限元模型的主要優(yōu)勢(shì)在于不需要對(duì)裂縫周?chē)木W(wǎng)格進(jìn)行加密，裂縫擴(kuò)展后不需要重構(gòu)網(wǎng)格，因而可大幅減少求解時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)：天然裂縫的存在會(huì)增大壓裂裂縫的復(fù)雜程度；并給出了人工誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫相交后的擴(kuò)展準(zhǔn)則及影響因素；人工誘導(dǎo)裂縫轉(zhuǎn)向后裂縫變窄，容易導(dǎo)致砂堵。Pater（2005）等[15]將巖石骨架顆粒間的接觸以線彈簧模型來(lái)表征，使用離散元模型耦合求解窄縫內(nèi)流體流動(dòng)和巖石力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)：降低壓裂液粘度或者提高壓裂液泵入速率有利于在巖體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生新縫系，低泵速則更容易打開(kāi)天然裂縫。

3結(jié)束語(yǔ)

裂縫擴(kuò)展理論研究以指導(dǎo)工程應(yīng)用為目的，在現(xiàn)場(chǎng)資料實(shí)時(shí)支撐條件下，考慮天然裂縫對(duì)人工誘導(dǎo)裂縫的干擾，進(jìn)一步優(yōu)化裂縫擴(kuò)展模型及求解策略，建立微觀損傷機(jī)制與宏觀斷裂擴(kuò)展的聯(lián)系，仍將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

伊爾齊木（1975～），男，新疆鞏留縣人，1996年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），工程師，主要從事石油鉆完井技術(shù)研究。電話：0991-3166302。

（作者單位：中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司）