提高深層頁巖裂縫擴(kuò)展復(fù)雜程度的工藝參數(shù)優(yōu)化

張豐收 吳建發(fā) 黃浩勇 王小華 羅浩然 岳文翰 侯 冰

1.同濟(jì)大學(xué)巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 4.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

頁巖氣高效勘探開發(fā)是保障國家能源安全的重要途徑之一[1-3]。埋深大于3 500 m的深層頁巖儲(chǔ)層具有高水平主應(yīng)力差、發(fā)育層理裂縫、低脆性指數(shù)、呈現(xiàn)塑性等特點(diǎn)，前期壓裂實(shí)踐發(fā)現(xiàn)深層頁巖壓裂過程中表現(xiàn)為高破裂壓力和延伸壓力、加砂規(guī)模小、低縫寬和低裂縫導(dǎo)流能力等，導(dǎo)致壓裂后初期產(chǎn)氣量低且遞減快[4-12]。充分認(rèn)識(shí)深層頁巖氣儲(chǔ)層（尤其是在高水平主應(yīng)力差和層理裂縫發(fā)育條件下）壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，有助于提高壓裂裂縫復(fù)雜程度、優(yōu)化壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)。室內(nèi)壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)（以下簡稱物模實(shí)驗(yàn)）是研究水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的重要手段[13-21]，但由于現(xiàn)場巖樣獲取困難、實(shí)驗(yàn)成本過高，物模實(shí)驗(yàn)數(shù)量通常較少，并且研究因素受到巖樣隨機(jī)缺陷（如隨機(jī)天然裂縫和人工擾動(dòng)導(dǎo)致的缺陷）的影響，難以對(duì)目標(biāo)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。因此，低成本的壓裂數(shù)模實(shí)驗(yàn)便成為室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充，前者能夠直觀精細(xì)描述裂縫擴(kuò)展的時(shí)間和空間演化過程，也能方便地考慮各種復(fù)雜情況（如不同性質(zhì)的層理和天然裂縫）和壓裂物模實(shí)驗(yàn)中的難以實(shí)現(xiàn)的過程，如考慮支撐劑和儲(chǔ)/隔層不同地應(yīng)力施加等。

為此，筆者采用三維離散格子方法XSite（XSite是全球首款采用合成巖體技術(shù)、離散格點(diǎn)理論研發(fā)的成熟專業(yè)化水壓致裂數(shù)值模擬軟件）對(duì)高水平主應(yīng)力差和層理發(fā)育的深層頁巖儲(chǔ)層開展壓裂數(shù)模實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)探究了排量、壓裂液黏度、層理強(qiáng)度和壓裂液交替注入等對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，以期為提高深層頁巖儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展復(fù)雜程度提供理論指導(dǎo)。

1 三維離散格子方法

三維離散格子方法是基于合成巖體技術(shù)和離散格點(diǎn)理論的簡化黏結(jié)顆粒模型，能夠精細(xì)直觀描述巖體水力裂縫萌生和擴(kuò)展[22-27]。在該方法中巖石顆粒用質(zhì)點(diǎn)表示，巖石顆粒之間的接觸采用彈簧表示，彈簧拉剪破壞對(duì)應(yīng)巖石拉剪破壞（圖1）。流體單元位于彈簧中心，流體在流體單元之間的管網(wǎng)中流動(dòng)。采用光滑節(jié)理模型來表征巖體中預(yù)存在的不連續(xù)地質(zhì)弱面，可精確描述弱面的滑移、張開和閉合。

1.1 力學(xué)模型

三維離散格子方法中采用顯式數(shù)值方法來直接計(jì)算節(jié)理的斷裂、滑移、張開和閉合等高度非線性行為。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。通常采用線性動(dòng)量平衡方程和位移速度關(guān)系來計(jì)算節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度[28]，即

圖1 三維離散格子模型圖

式中FNmax表示彈簧抗拉強(qiáng)度，N；FSmax表示彈簧抗剪強(qiáng)度，N；αt表示抗拉強(qiáng)度校正系數(shù)，無量綱；αs表示抗剪強(qiáng)度校正系數(shù)，無量綱；T表示宏觀巖體抗拉強(qiáng)度，Pa；R表示單元尺寸，m；μ表示摩擦系數(shù)，無量綱；C表示宏觀巖體抗剪強(qiáng)度，Pa。

當(dāng)彈簧法向應(yīng)力（FN）大于抗拉強(qiáng)度（FNmax）或切向應(yīng)力（FS）大于抗剪強(qiáng)度（FSmax）時(shí)，彈簧發(fā)生拉伸破壞或剪切破壞。在彈簧發(fā)生破壞之后，有微裂紋形成，此時(shí)彈簧力歸零，有FN=0和FS=0。

1.2 流體流動(dòng)模型

采用潤滑方程描述管道中流體流動(dòng)，其中假定管道寬度等于管道長度，流體沿管道從流體節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的流量計(jì)算式[28]為：

式中q表示流體流量，m3/s；β表示無量綱系數(shù)；kr表示相對(duì)滲透率，無量綱；α表示裂縫寬度，m；μ表示流體黏度，Pa·s；pA、pB分別表示節(jié)點(diǎn)A和B處的流體壓力，Pa；ρw表示流體密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；zA、zB分別表示節(jié)點(diǎn)A和B處的水頭，m。

采用顯式數(shù)值方法求解隨時(shí)間變化的流動(dòng)演化模型。在流動(dòng)時(shí)間步長（Δtf）中，流體壓力增量（Δp）計(jì)算式[28]為：

式中Δp表示流體壓力增量，Pa；qi表示與節(jié)點(diǎn)i相連的管道流量，m3/s；V表示節(jié)點(diǎn)體積，m3；表示表觀流體體積模量，Pa；Δtf表示流動(dòng)時(shí)間步長，s。

1.3 流固耦合過程

三維離散格子方法中巖石力學(xué)模型與流體流動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)完全耦合。流體在應(yīng)力誘導(dǎo)裂縫或預(yù)存在的天然裂縫中的流動(dòng)受到滲透率影響，流體壓力作用在巖石裂縫表面，影響巖石的變形和強(qiáng)度。而巖石的變形會(huì)導(dǎo)致裂縫中流體壓力變化與寬度變化，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫滲透率發(fā)生變化[28]。

圖2 3號(hào)單層理壓裂試樣及物模實(shí)驗(yàn)后裂縫形態(tài)圖[30]

2 三維深層頁巖壓裂數(shù)值模型

2.1 單層理深層頁巖壓裂模型及其驗(yàn)證

采用三維離散格子方法對(duì)Hou等[30]開展的深層頁巖壓裂物模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并將數(shù)擬結(jié)果與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證建立的深層頁巖壓裂數(shù)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?/p>

圖2-a為單層理深層頁巖壓裂3號(hào)試樣示意圖[30]。壓裂試樣為300 mm×300 mm×300 mm的立方體，井筒平行于層理面并沿最小水平主應(yīng)力方位布置，井筒外徑為10 mm，內(nèi)徑為8 mm，長度為130 mm，下部為40 mm裸眼段，采用電鉆對(duì)裸眼段預(yù)制一條直徑為15.2 mm的環(huán)形割縫模擬射孔。該試樣缺陷主要為一條貫穿整個(gè)試樣的層理面，其距離井筒30 mm。實(shí)驗(yàn)過程中的地應(yīng)力和施工參數(shù)是基于深層頁巖地應(yīng)力及現(xiàn)場壓裂參數(shù)，采用壓裂實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)則［式（8）］進(jìn)行確定[31]。從表1可知，實(shí)驗(yàn)過程中水平主應(yīng)力差高達(dá)12 MPa，明顯不同于淺部頁巖壓裂實(shí)驗(yàn)過程中的低水平主應(yīng)力差[32-35]，體現(xiàn)了深層頁巖儲(chǔ)層的顯著地質(zhì)特征。實(shí)驗(yàn)過程中采用單一瓜膠壓裂液連續(xù)注入方式。壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2-b和2-c，可以看出，壓裂后沿預(yù)制割縫形成垂直于井筒的簡單平面裂縫，該裂縫直接穿過層理（剖開試樣層理沒有發(fā)現(xiàn)壓裂液進(jìn)入）并沿該側(cè)擴(kuò)展到試樣邊界。

表1 3號(hào)試樣物模實(shí)驗(yàn)地應(yīng)力和施工參數(shù)表

式中c表示某一物理量的相似比例系數(shù)，表征室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)Vmodel與現(xiàn)場實(shí)際Vfield之間的同一物理量的比值。具體物理量如下：L表示縫長，m；Q表示排量，m3/s；T表示時(shí)間，s；KL表示綜合濾失系數(shù)，m·s-0.5；η表示黏度系數(shù)，Pa·s；表示地應(yīng)力，Pa；p表示井眼壓力，Pa；Ee表示等效彈性模量，Pa；KIC表示斷裂韌性，Pa·m0.5；ρFy表示液體重度，N/m3。

相似比例系數(shù)c的計(jì)算式為：

采用三維離散格子方法針對(duì)3號(hào)單層理頁巖壓裂試樣建立三維壓裂數(shù)值模型（圖3-a），開展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。數(shù)模實(shí)驗(yàn)中各部件尺寸、地應(yīng)力和施工參數(shù)與物模實(shí)驗(yàn)完全一致，巖石基質(zhì)和層理力學(xué)參數(shù)見表2。數(shù)值模型中沒有考慮壓裂液在頁巖中的濾失。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3-b和3-c。數(shù)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)水力裂縫直接穿過層理并沿該側(cè)擴(kuò)展到邊界，與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。同時(shí)對(duì)比數(shù)模實(shí)驗(yàn)和物模實(shí)驗(yàn)在試樣發(fā)生破裂前后的部分注入壓力曲線（圖4）可知，兩者壓力曲線變化趨勢(shì)總體相近，數(shù)模實(shí)驗(yàn)的破裂壓力（21.57 MPa）略高于物模實(shí)驗(yàn)的破裂壓力（18.99 MPa），數(shù)模實(shí)驗(yàn)延伸壓力比物模實(shí)驗(yàn)延伸壓力約高4 MPa，這與數(shù)模實(shí)驗(yàn)中沒有考慮壓裂液濾失以及物模實(shí)驗(yàn)試樣內(nèi)部存在隨機(jī)缺陷有關(guān)。綜上認(rèn)為采用三維離散格子方法建立的壓裂數(shù)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蚝芎玫胤从呈覂?nèi)壓裂物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 3號(hào)單層理頁巖試樣的壓裂數(shù)值模型及數(shù)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表2 3號(hào)頁巖試樣基質(zhì)和層理力學(xué)參數(shù)表

2.2 多層理深層頁巖壓裂數(shù)值模型

圖4 3號(hào)頁巖試樣壓裂數(shù)模和物模實(shí)驗(yàn)壓力曲線對(duì)比圖

考慮到深層頁巖儲(chǔ)層層理發(fā)育，在單層理頁巖壓裂數(shù)值模型基礎(chǔ)上，建立了圖5所示的多層理頁巖壓裂數(shù)值模型。在該模型中預(yù)設(shè)了以井筒對(duì)稱分布的4條層理，相鄰層理之間距離為60 mm，臨近層理距離井筒30 mm。模型中各部件尺寸，地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)和施工參數(shù)與單層理深層頁巖壓裂數(shù)值模型一致。利用該模型開展了多參數(shù)影響下的層理發(fā)育深層頁巖壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究，由于筆者主要聚焦于研究深層頁巖儲(chǔ)層的高水平主應(yīng)力差和層理發(fā)育等特點(diǎn)對(duì)裂縫擴(kuò)展行為影響，為減少其他因素的干擾，模型中未考慮隨機(jī)分布天然裂縫的影響。

圖5 多層理深層頁巖壓裂數(shù)值模型圖

3 深層頁巖壓裂影響因素分析

3.1 壓裂液排量

基于多層理頁巖壓裂數(shù)值模型開展數(shù)模實(shí)驗(yàn)研究，其中壓裂液黏度為10 mPa·s，壓裂液排量分別設(shè)置為30 mL/min、60 mL/min和90 mL/min，其他參數(shù)見表1～2，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 不同排量下裂縫形態(tài)和裂縫流體壓力分布圖

在30 mL/min情況下，水力裂縫擴(kuò)展遇到臨近層理后，裂縫縱向擴(kuò)展受到層理抑制，沿橫向擴(kuò)展一定距離后，只有極小部分裂縫開始穿過上部層理（圖6-a），整體裂縫形態(tài)為穿透1條層理的細(xì)長矩形。在層理上下位置，裂縫邊界不連續(xù)即裂縫發(fā)生不連續(xù)擴(kuò)展，表明裂縫穿層能力有限，這與部分壓裂液濾失激活層理有關(guān)。排量為60 mL/min情況下壓裂后形成穿過3條層理的矩形裂縫，裂縫在橫向上同時(shí)到達(dá)模型左、右邊界。受層理面影響，在井筒下方出現(xiàn)裂縫非均勻擴(kuò)展。壓裂裂縫總體上在橫向上擴(kuò)展程度明顯大于在縱向上擴(kuò)展程度（圖6-b）。排量為90 mL/min（對(duì)應(yīng)現(xiàn)場排量為16 m3/min）情況下，壓裂后形成貫穿4條層理的大面積正方形裂縫，并且裂縫在層理附近都表現(xiàn)為連續(xù)穿過，同時(shí)裂縫流體壓力云圖顯示沒有壓裂液進(jìn)入層理（圖6-c）。

綜上可知，不同情況下均主要形成垂直于最小水平主應(yīng)力的簡單平面裂縫，表明高水平主應(yīng)力差是控制水力裂縫擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。隨著排量增加，水力裂縫穿過層理的能力增加，并且裂縫在層理附近由不連續(xù)穿越擴(kuò)展過渡到連續(xù)穿越擴(kuò)展，水力裂縫在垂向和橫向方向上的擴(kuò)展更加均勻，裂縫形態(tài)由細(xì)長矩形向正方形過渡。為此，大排量注入是增加層理發(fā)育深層頁巖儲(chǔ)層中壓裂裂縫突破近井筒層理制約的重要措施，壓裂后能夠形成具有更大有效縫高和有效縫長的垂直水力主縫。

3.2 壓裂液黏度

壓裂液黏度分別為3 mPa·s、10 mPa·s和30 mPa·s，其他參數(shù)見表1～2，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 不同黏度下裂縫形態(tài)和裂縫流體壓力分布圖

壓裂液黏度為3 mPa·s情況下水力裂縫擴(kuò)展到臨近層理時(shí)被捕獲，無法穿過層理，只能橫向擴(kuò)展形成工形裂縫。裂縫流體壓力分布表明，有大量壓裂液進(jìn)入臨近的上、下層理（圖7-a），這是導(dǎo)致裂縫無法穿過層理的重要原因，同時(shí)也表明低黏度壓裂液傾向于激活層理。當(dāng)黏度增加到10 mPa·s時(shí)，垂直水力裂縫直接穿過臨近2條層理，裂縫頂部被層理捕獲，同時(shí)裂縫在層理附近存在多個(gè)不連續(xù)穿層擴(kuò)展行為，裂縫形態(tài)為穿過2條層理的近似橢圓形，流體壓力分布顯示只有極少壓裂液濾失到層理中（圖7-b）。當(dāng)黏度增加到30 mPa·s時(shí)，水力裂縫連續(xù)穿過4條層理，近似呈現(xiàn)為圓盤形（圖7-c），裂縫在垂向和橫向方向上的擴(kuò)展速度幾乎相等，表明層理對(duì)裂縫垂向擴(kuò)展的抑制作用較弱，同時(shí)流體壓力分布表明沒有壓裂液濾失到層理中，以上說明高黏度壓裂液的主要作用是直接穿過層理形成主裂縫。

綜上可知，在高水平主應(yīng)力差條件下，采用低黏度壓裂液改造深層頁巖，水力裂縫多被臨近層理直接捕獲，難以實(shí)現(xiàn)淺層頁巖壓裂過程中的滑移后穿過或轉(zhuǎn)向擴(kuò)展的復(fù)雜裂縫行為；而采用高黏度壓裂液時(shí)，水力裂縫直接穿過層理形成簡單平面裂縫。以上現(xiàn)象都說明深層頁巖壓裂后更容易形成簡單平面裂縫而不是復(fù)雜裂縫或裂縫網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)隨著壓裂液黏度增加，水力裂縫穿層能力增加，裂縫形態(tài)由“工”字形裂縫—橢圓形裂縫—圓形裂縫過渡。

3.3 層理強(qiáng)度

層理面強(qiáng)度分別設(shè)置為弱強(qiáng)度（摩擦系數(shù)為0.01）和高強(qiáng)度（摩擦系數(shù)為0.5），壓裂液黏度為30 mPa·s，其他參數(shù)見表1～2，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同強(qiáng)度層理下裂縫形態(tài)和裂縫流體壓力分布圖

從圖8可知，水力裂縫直接被弱強(qiáng)度層理捕獲，無法突破弱層理，同時(shí)由于模擬中采用的是高黏度壓裂液，水平層理中并沒有壓裂液流入，迫使水力裂縫只能橫向擴(kuò)展至邊界。這種情況下，水力裂縫在縱向和橫向方向上的擴(kuò)展極不均衡，裂縫形態(tài)為細(xì)長矩形。當(dāng)層理強(qiáng)度增加后，水力裂縫能夠直接穿過3條層理，并形成各向相對(duì)均勻擴(kuò)展的近似圓盤形水力裂縫。綜上，層理強(qiáng)度影響深層頁巖水力裂縫與層理交互時(shí)出現(xiàn)捕獲或直接穿過等不同行為。為此，當(dāng)井筒附近存在薄弱層理時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整壓裂工藝和壓裂參數(shù)，比如盡可能增加施工排量和采用瓜膠壓裂液等，以迫使水力裂縫直接突破近井薄弱層理抑制實(shí)現(xiàn)深穿透改造。

3.4 壓裂液交替注入

為最大限度地增強(qiáng)高水平主應(yīng)力差下的深層頁巖裂縫擴(kuò)展復(fù)雜形態(tài)，針對(duì)高黏度和低黏度壓裂液交替注入[6,37]進(jìn)行了模擬。方案一為前置低黏度壓裂液（3 mPa·s）、后置高黏度壓裂液（60 mPa·s）注入，各階段注入時(shí)間均為0.1 min；方案二為前置高黏度壓裂液（60 mPa·s）、后置低黏度壓裂液（3 mPa·s）注入，各階段注入時(shí)間均為0.1 min，其他參數(shù)見表1～2。兩種注入方案模擬結(jié)果分別見圖9和10。

圖10 前置高黏度、后置低黏度壓裂液下裂縫形態(tài)和流體壓力分布圖

在方案一的前置低黏度壓裂液注入階段，水力裂縫擴(kuò)展交互臨近層理時(shí)，壓裂液大量流入到層理中，導(dǎo)致水力裂縫完全被限制在2個(gè)層理之間，只能橫向擴(kuò)展（圖9-a）。隨后繼續(xù)注入高黏度壓裂液，由于初期井筒臨近兩條層理被低黏度壓裂液激活，導(dǎo)致高黏度壓裂液注入后，在縱向流動(dòng)過程中傾向于轉(zhuǎn)向流入到水平層理面中，明顯抑制水力裂縫的穿層擴(kuò)展行為，只有部分水力裂縫穿過臨近2條層理，水力裂縫主要橫向擴(kuò)展到模型邊界（圖9-b），壓裂結(jié)束后形成局限于井筒附近擴(kuò)展的以低縫高主縫為主的“工”字形裂縫（圖9-c）。綜上，針對(duì)層理發(fā)育深層頁巖儲(chǔ)層來說，前置低黏度壓裂液容易導(dǎo)致水力裂縫擴(kuò)展受到近井筒弱面抑制，壓裂改造范圍有限，難以對(duì)深層頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行深穿透改造。

在方案二的前置高黏度壓裂液注入階段，水力裂縫直接穿過兩條臨近層理并到達(dá)頂端層理和底端層理，并且裂縫沿著各個(gè)方向擴(kuò)展相對(duì)均勻，在此過程中沒有壓裂液流入到與水力裂縫交互的層理中（圖10-a）。隨后注入低黏度壓裂液，水力裂縫繼續(xù)縱向擴(kuò)展穿透頂端層理和底端層理，最終形成貫穿4條層理的圓形裂縫，其縱向方向擴(kuò)展程度比橫向方向擴(kuò)展程度相對(duì)更低，但總體上裂縫實(shí)現(xiàn)較均衡擴(kuò)展（圖10-b）。流體壓力分布顯示在后期低黏度壓裂液注入過程中，部分壓裂液進(jìn)入層理面，實(shí)現(xiàn)層理的部分激活，最終形成以垂直水力裂縫為主，輔以若干部分激活層理的“卌”字形復(fù)雜裂縫形態(tài)（圖10-c），有效增加深層頁巖儲(chǔ)層壓裂改造效果。該數(shù)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可與Hou等[37]開展的深層頁巖壓裂液交替注入的室內(nèi)壓裂物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖11）相驗(yàn)證。該物模壓裂試樣在井筒附近存在1條水平層理，物模實(shí)驗(yàn)過程中采用前置200 mPa·s瓜膠壓裂液和后置3 mPa·s滑溜水壓裂液進(jìn)行交替注入，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在前期高黏度壓裂液作用下垂直水力裂縫擴(kuò)展沒有受到層理抑制而形成貫穿整個(gè)試樣的主裂縫，同時(shí)剖開層理發(fā)現(xiàn)充滿低黏度壓裂液表明在后置低黏度壓裂液階段層理被完全激活，最終形成“十”字形復(fù)雜裂縫。相較采用單一壓裂液連續(xù)注入的壓裂物模實(shí)驗(yàn)（圖2）中的簡單平面裂縫，壓裂液交替注入工藝能夠更好地實(shí)現(xiàn)深層頁巖壓裂復(fù)雜裂縫形態(tài)。綜上可知，針對(duì)高地應(yīng)力差且層理發(fā)育的深層頁巖儲(chǔ)層，建議先采用高黏度壓裂液形成突破近井筒層理干擾的主縫，隨后注入低黏度壓裂液激活與主縫交互的層理，以盡可能地提高裂縫復(fù)雜度，有助于最大限度地提高頁巖儲(chǔ)層改造效果。

圖11 頁巖壓裂試樣及高黏/低黏度壓裂液交替注入下的物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[37]

4 結(jié)論

1）深層頁巖儲(chǔ)層高水平主應(yīng)力差導(dǎo)致水力裂縫與層理裂縫交互時(shí)會(huì)出現(xiàn)直接穿過或被捕獲，很難發(fā)生沿層理滑移一段距離后再穿過層理擴(kuò)展的行為，因而深層頁巖壓裂裂縫形態(tài)較簡單，難以形成淺部頁巖儲(chǔ)層中的復(fù)雜裂縫甚至裂縫網(wǎng)絡(luò)，改造效果受限。

2）由于層理裂縫影響，不同工況下的深層頁巖裂縫形態(tài)存在差別，主要包括細(xì)長矩形、正方形、橢圓形、圓形、“工”字形以及“卌”字形等形態(tài)。通過調(diào)整排量、黏度和壓裂液交替注入方式可提高深層頁巖裂縫擴(kuò)展復(fù)雜形態(tài)。

3）隨著排量增加，水力裂縫穿過層理的能力增加，當(dāng)排量達(dá)到90 mL/min時(shí)（對(duì)應(yīng)現(xiàn)場排量為16 m3/min）水力裂縫可連續(xù)穿過4條層理；水力裂縫形態(tài)由細(xì)長矩形到正方形過渡，在垂向和橫向方向上的擴(kuò)展更加均衡。因而對(duì)于層理發(fā)育的深層頁巖儲(chǔ)層，高排量注入是助推壓裂裂縫突破近井筒層理制約的重要措施，有助于水力裂縫直接穿過層理，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層縱向上的深穿透改造。

4）在高水平主應(yīng)力差（12 MPa）條件下，采用3 mPa·s低黏度壓裂液改造深層頁巖，水力裂縫易被臨近層理直接捕獲，致使低黏度壓裂液傾向于激活層理，而采用60 mPa·s高黏度壓裂液時(shí)，水力裂縫直接穿過層理，傾向于張開大面積主裂縫面。同時(shí)隨壓裂液黏度增加，水力裂縫穿過層理數(shù)量由0條增加到4條，裂縫形態(tài)由工形→橢圓形→圓形過渡。為此，針對(duì)層理發(fā)育深層頁巖儲(chǔ)層壓裂改造，建議初期采用高黏度壓裂液形成長距離的有效主縫，突破近井層理的束縛，后期再采用低黏度壓裂液激活與主縫相交互的層理，以便最大限度地提高壓裂裂縫復(fù)雜程度和改造效果。

5）低強(qiáng)度層理傾向于捕獲水力裂縫，而高強(qiáng)度層理易被水力裂縫直接穿過。為此，當(dāng)井筒附近存在薄弱層理時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整壓裂工藝和壓裂參數(shù)，比如盡可能增加施工排量和采用瓜膠壓裂液等，以使水力裂縫突破近井薄弱層理抑制實(shí)現(xiàn)深穿透改造。