頁巖儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及影響因素研究探討

史璨 ，林伯韜 *

1 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，北京 102249

2 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

以頁巖氣革命為代表的非常規(guī)資源成為了全球油氣產(chǎn)量增長的重要部分，促進(jìn)了全球能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和改變。2018 年，全球原油產(chǎn)量為44.5×108t，其中非常規(guī)原油占14%；天然氣產(chǎn)量為3.97×1012m3，其中非常規(guī)氣占25%[1]。美國依靠“頁巖氣革命”從能源進(jìn)口國轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹趪苿?dòng)美國逐步實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。中國頁巖氣勘探在近些年的發(fā)展中取得了重大突破，成為繼美國﹑加拿大之后，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)化開發(fā)的國家[2]。截至2019 年，中國海相頁巖氣探明儲(chǔ)量為1.8×1012m3，累計(jì)投產(chǎn)頁巖氣井700 余口，產(chǎn)量約為145×108m3/a，頁巖氣已經(jīng)成為中國天然氣上產(chǎn)的重要接替資源[1]。中國陸相頁巖油資源潛力巨大，是未來非常規(guī)油氣勘探開發(fā)最有潛力的資源，會(huì)成為今后中國穩(wěn)定原油產(chǎn)量的重要領(lǐng)域[3-4]。

頁巖等非常規(guī)儲(chǔ)層的物性較差，具有典型的超低孔﹑超低滲的特征[5], 為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采，必須通過大規(guī)模全井段儲(chǔ)層縫網(wǎng)體積改造才能獲取經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。然而，影響頁巖裂縫形態(tài)的因素較多，裂縫擴(kuò)展的機(jī)理和空間的展布規(guī)律尚不明確，這也是目前頁巖儲(chǔ)層壓裂施工中所遇到的主要問題和難點(diǎn)。本文基于大量頁巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究成果，分析了地質(zhì)因素和工程因素對(duì)頁巖儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響，系統(tǒng)總結(jié)了各因素影響下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，旨在為層狀頁巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展預(yù)測提供理論指導(dǎo)。

1 頁巖儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究方法

1.1 水力裂縫擴(kuò)展物理實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)室尺度的水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)是一種真實(shí)﹑可靠的了解裂縫擴(kuò)展形態(tài)的方法。其中應(yīng)用最為廣泛的就是真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)。自2000 年陳勉﹑金衍﹑侯冰等人設(shè)計(jì)并組建了大尺寸真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究，證實(shí)了室內(nèi)大型水力模擬試驗(yàn)的可行性[6-7]。隨后，諸多學(xué)者利用真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同影響因素條件下水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律[8-17]。目前真三軸實(shí)驗(yàn)多沿壓裂縫將壓后樣品打開肉眼觀察裂縫，同時(shí)借助示蹤劑來標(biāo)識(shí)裂縫面，難以獲取其完整的三維形態(tài)。國內(nèi)外學(xué)者通過眾多監(jiān)測方法和實(shí)驗(yàn)手段來解決這一問題。聲發(fā)射技術(shù)(AE)是在室內(nèi)真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)中被廣泛采用的一種裂縫監(jiān)測手段，通過聲發(fā)射事件點(diǎn)對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)跟蹤，一定程度上明確了水力裂縫的起裂和擴(kuò)展過程[18-20]。但是該技術(shù)無法準(zhǔn)確展示裂縫面以及空間幾何形態(tài)，也無法精確刻畫復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。CT斷層掃描技術(shù)也被應(yīng)用于裂縫形態(tài)監(jiān)測中[21-23]，該技術(shù)在無損監(jiān)測上的優(yōu)勢可以借助三維重構(gòu)技術(shù)獲取三維裂縫展布形態(tài)。但是該技術(shù)的受限于樣品尺寸的影響，對(duì)大尺寸樣品應(yīng)用效果差。一些學(xué)者利用透明有機(jī)玻璃(PMMA)進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)[24-26]，可以獲取裂縫的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程。該方法的局限在于PMMA材質(zhì)無法真實(shí)反映頁巖，砂巖等巖樣的力學(xué)﹑物理性質(zhì)(如孔隙結(jié)構(gòu)﹑各向異性﹑非均質(zhì)性等)。近年來，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外逐漸應(yīng)用于油藏溫度場測量[27-29]以及裂縫監(jiān)測中[30-31]取得了很好的應(yīng)用效果。未來，室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)也可以借助該技術(shù)以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展的監(jiān)測。不同實(shí)驗(yàn)監(jiān)測方法的對(duì)比見表1。

1.2 水力裂縫擴(kuò)展模型研究

水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬的研究一直是水力壓裂領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。油田水力壓裂概念及理論模型始于20 世紀(jì)50 年代[32-33]。早期，國外學(xué)者在傳統(tǒng)彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)上建立了大量二維裂縫擴(kuò)展經(jīng)典模型，如Penny模型﹑PKN模型和KGD模型等[33-36]。二維模型的局限性在于裂縫高度固定，且縫內(nèi)流體沿長度方向一維流動(dòng)。為了模擬裂縫縱向延伸的過程，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列擬三維(P3D)模型[37-40]。P3D模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂縫延伸過程中縫高變化的模擬，但是依然遵循PKN或KGD等二維模型的假設(shè)，裂縫內(nèi)流體仍然為一維流動(dòng)，僅在裂縫長度大于高度時(shí)適用。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值方法建立了一系列刻畫全三維水力壓裂裂縫延伸的理論模型[41-43]，適用于各種地層條件，能夠更真實(shí)地模擬水力壓裂物理過程。其中常用的數(shù)值模擬方法有：有限元方法[44-46]﹑擴(kuò)展有限元方法[47-48]﹑離散元方法[49-50]﹑邊界元方法[51]﹑相場法[52]等。隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究和改進(jìn)，水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型經(jīng)歷了從低維度到高維度，從單一裂縫到多條裂縫以致裂縫網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程，水力裂縫擴(kuò)展模型也越來越接近于真實(shí)地層中裂縫形態(tài)。表2 歸納總結(jié)了常見的二維﹑擬三維以及三維裂縫擴(kuò)展模型的特點(diǎn)。

表1 真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)裂縫監(jiān)測方法對(duì)比Table 1 Comparison of fracture monitoring methods in HF experiments

表2 不同水力壓裂擴(kuò)展模型對(duì)比Table 2 Comparison of different hydraulic fracturing propagation models

1.3 現(xiàn)場裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究

1.3.1 壓裂施工曲線分析

通過分析壓力施工曲線的特征，可以大致判斷水力裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，及時(shí)調(diào)整施工措施，以保證施工安全順利進(jìn)行[52]。通過分析加砂時(shí)對(duì)數(shù)壓力(lgP)隨對(duì)數(shù)時(shí)間(logt)變化的趨勢線特征，可以判斷裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，見圖1[53]。利用上述分析方式能較好指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1.3.2 示蹤劑評(píng)價(jià)技術(shù)

示蹤劑監(jiān)測是近年來發(fā)展起來的裂縫描述的一種重要手段，是壓裂裂縫近井形態(tài)檢測中最直接﹑最準(zhǔn)確的技術(shù)[54]。 通過在壓裂施工的不同階段加注具有不同能量伽馬射線的失蹤砂，通過測井儀測量伽馬能譜，再解譜得到支撐劑的分布情況，計(jì)算出裂縫高度﹑寬度等信息，見圖2[55]。

圖1 lgP- lgt曲線圖[52]Fig. 1 lgP- lgt curve[52]

圖2 壓裂段測井圖[55]Fig. 2 Logging of target layer logging[55]

1.3.3 微地震監(jiān)測

水力壓裂微震監(jiān)測技術(shù)是近年來得到迅速發(fā)展的地球物理勘探技術(shù)之一。它是以聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)為基礎(chǔ)，通過觀測分析水力壓裂作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的微小的地震事件繪制裂縫的空間圖像，監(jiān)測裂縫的發(fā)育過程。但是隨著記錄距離和相關(guān)的信號(hào)衰減，一般只能監(jiān)測到背景噪音水平之上相對(duì)較大的微震事件[56]。通過分析水平井多級(jí)壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果，不僅可以分析裂縫沿各個(gè)方向的擴(kuò)展情況，還可以分析各段裂縫走向，判斷儲(chǔ)層的最大水平地應(yīng)力方向(圖3)[57]。

1.3.4 測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)

測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)包括地面測斜儀測試和井下測斜儀測試2 種方法，是通過在壓裂井井口周圍和鄰井井下布置兩組測斜儀來監(jiān)測壓裂施工過程中由于裂縫張開所引起的向各個(gè)方向輻射的巖石變形所導(dǎo)致的地層傾斜，并經(jīng)過地球物理反演計(jì)算確定壓裂參數(shù)的一種裂縫監(jiān)測方法[58]。

1.3.5 電位法裂縫監(jiān)測技術(shù)

電位法裂縫監(jiān)測技術(shù)也是一種目前廣泛應(yīng)用的監(jiān)測壓裂裂縫的有效方法，在長慶﹑大港﹑吐哈等油田廣泛應(yīng)用。技術(shù)是以傳導(dǎo)類電法勘探基本理論為依據(jù)，通過監(jiān)測注入到目的層的高電離能量的壓裂液所引起的地面電場形態(tài)的變化，來解釋獲得壓裂裂縫方位﹑長度﹑形態(tài)等相關(guān)參數(shù)[58]。最后本文對(duì)幾種常見的現(xiàn)場裂縫監(jiān)測技術(shù)的技術(shù)性能進(jìn)行了比較，見表3。

2 影響頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展的地質(zhì)力學(xué)因素

富有機(jī)質(zhì)頁巖作為一種典型的沉積巖，在沉積過程中礦物顆粒擇優(yōu)取向，具有明顯的層狀的構(gòu)造特征。研究頁巖在不同力學(xué)性質(zhì)﹑天然弱面以及地應(yīng)力影響下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，可有效指導(dǎo)頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)的選擇，實(shí)現(xiàn)頁巖油氣儲(chǔ)層的高效開發(fā)。

2.1 力學(xué)性質(zhì)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

2.1.1 力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)值

圖3 頁巖氣井微地震監(jiān)測圖像[57]Fig. 3 Microseismic monitoring images[57]

表3 壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)對(duì)照表Table 3 Comparison table of fracture crack monitoring technology

頁巖的脆性是儲(chǔ)層體積改造的基礎(chǔ)，誘導(dǎo)裂縫的形態(tài)受脆性的影響很大[59]。脆性礦物含量越高，黏土礦物含量越低，儲(chǔ)層的彈性模量越大，泊松比越小，巖石的脆性也越強(qiáng)，越容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[60]。隨著巖石的脆性增加，在水力壓裂改造時(shí)，即使在很小的排量下地層也可能破裂，并且隨著排量提升，可能出現(xiàn)多次破裂的現(xiàn)象，從而形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[14,16,60-63]。Rickman等認(rèn)為，巖石脆性特征大于50的儲(chǔ)層裂縫形態(tài)趨向形成縫網(wǎng)，見表4[64]。賴錦等研究表明儲(chǔ)層的脆性指數(shù)大于60%時(shí)，說明儲(chǔ)層巖石具有極高的脆性，容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)[65]。

2.1.2 力學(xué)性質(zhì)的非均質(zhì)性

頁巖儲(chǔ)層在縱向上具有明顯的非均質(zhì)性，地層的物理力學(xué)性質(zhì)與土層的形成環(huán)境﹑沉積年代以及沉積物來源有很大關(guān)系[66]。激烈水動(dòng)力條件下形成的地層沉積物顆粒大，彈性模量偏大﹑壓縮性弱；低能沉積動(dòng)力環(huán)境中，沉積物的力學(xué)強(qiáng)度較低但是壓縮性高[67]。頁巖層理面兩側(cè)巖石的斷裂韌性﹑彈性模量等力學(xué)性質(zhì)存在差異，在一定程度上影響了裂縫垂向擴(kuò)展的過程[68-70]。水力裂縫傾向于“排斥”高彈性模量的巖層；傾向于“吸引”低彈性模量的巖層，如圖4所示[12]。

表4 基于頁巖儲(chǔ)層脆性與裂縫形態(tài)關(guān)系[64]Table 4 The relationship between brittleness and fracture morphology[64]

當(dāng)裂縫從低彈性模量巖層擴(kuò)展至高彈性模量巖層時(shí)，會(huì)對(duì)縫高產(chǎn)生阻礙作用；當(dāng)從高彈性模量巖層至低彈性模量巖層，可發(fā)生穿透界面﹑停止擴(kuò)展﹑產(chǎn)生多裂縫﹑張開界面以及裂縫扭曲等多種表現(xiàn)形式[71-74]。層理兩側(cè)的斷裂韌性差異對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律與彈性模量的影響大致相同[74]。

2.1.3 力學(xué)性質(zhì)的各向異性

對(duì)于層狀頁巖來說，垂直層理面的斷裂韌性值(KICV)和平行層理面的斷裂韌性值(KICH)存在明顯差異[75-76]。KICV- KICH的差異越大，裂縫越傾向于沿水平方向擴(kuò)展，見圖5[77]。此外，兩個(gè)方向斷裂韌性的比值存在一個(gè)極限，小于該極限值時(shí)，裂縫傾向于穿層擴(kuò)展；在極限值附近時(shí)，裂縫穿層伴有部分偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展；大于極限值時(shí)，裂縫僅沿巖層界面擴(kuò)展[75]。

2.2 地應(yīng)力對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

2.2.1 地應(yīng)力模式的影響

儲(chǔ)層的原始地應(yīng)力控制著水力壓裂裂縫擴(kuò)展與壓裂效果。根據(jù)Anderson斷層模型，可將儲(chǔ)層的地應(yīng)力模式分為3 種：正斷層﹑逆斷層和走滑斷層應(yīng)力模式[78]。水力裂縫總是垂直于最小主應(yīng)力方向S3方向擴(kuò)展[79]。因此在正斷層與走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下，水力壓裂將產(chǎn)生垂直延伸的裂縫[80]；逆斷層應(yīng)力狀態(tài)下則形成水平擴(kuò)展的裂縫[81]。

圖4 水力裂縫逼近層理的示意圖[12]Fig. 4 Schematic diagram of hydraulic cracks approaching bedding[12]

圖5 地層斷裂韌性的各向異性對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響[77]Fig. 5 Effect of fracture toughness anisotropy on crack propagation morphology[77]

2.2.1 層間水平地應(yīng)力差異

層間水平地應(yīng)力差指的是儲(chǔ)層以及鄰近隔夾層最小水平地應(yīng)力之間的差值，是影響裂縫垂向擴(kuò)展的關(guān)鍵因素[82-84]，縫高受層間應(yīng)力差控制明顯。層間水平應(yīng)力差越小，裂縫越容易沿垂向擴(kuò)展，縫高越大；層間水平應(yīng)力差越大，裂縫穿層難度越高。當(dāng)層間水平應(yīng)力差為4～8 MPa時(shí)能有效地阻止水力裂縫的垂向擴(kuò)展[74, 86-87]。

2.2.2 垂向應(yīng)力差異系數(shù)

垂向地應(yīng)力差異系數(shù)定義為垂向地應(yīng)力值與水平最小地應(yīng)力值之間差值與最小水平地應(yīng)力的比值(KV=（Sv-Sh)/Sh）。KV值的大小決定了水力裂縫形態(tài)：(1)當(dāng)Kv＞ 1，會(huì)形成單一主裂縫；(2)當(dāng)0.5 ＜Kv＜ 1 時(shí)，主裂縫傾向于溝通部分天然裂縫或者弱面；(3)當(dāng)0.2 ＜Kv＜ 0.5 時(shí)，容易形成魚骨形復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；(4)當(dāng)Kv＜ 0.2 時(shí)，壓裂后傾向于形成隨機(jī)的裂縫網(wǎng)絡(luò)[88]。圖6為不同KV值條件下的實(shí)驗(yàn)后的頁巖樣品以及對(duì)應(yīng)的裂縫三維重構(gòu)示意圖。

2.2.3 水平應(yīng)力差異系數(shù)

水平地應(yīng)力差異系數(shù)定義為水平最大地應(yīng)力與水平最小地應(yīng)力值之間差值與最小水平地應(yīng)力的比值(KH=（SH-Sh)/Sh）。KH越小，壓裂后越容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)；KH越大，壓裂后越容易形成單一主裂縫：(1)0 ＜KH＜ 0.3 時(shí)，水力壓裂可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)；(2)0.3 ＜KH＜ 0.5 時(shí)，水力壓裂在凈高壓條件下可形成較為復(fù)雜的縫網(wǎng)；(3)KH＞0.50 時(shí)，裂縫為單一主裂縫形態(tài)[89]。隨著水平主應(yīng)力差增大，體積裂縫的在長度上的展布范圍增加﹑寬度上的展布范圍減小，即體積裂縫的長寬比增加[15]。

圖6 頁巖露頭壓裂后裂縫形態(tài)示意圖[88]Fig. 6 Schematic diagram of fracture morphology after fracturing[88]

2.2.4 地層壓力的影響

油藏長期開采會(huì)引起裂縫周圍地層壓力分布的變化，導(dǎo)致地應(yīng)力大小和方向發(fā)生改變[90]。地應(yīng)力大小總體上呈現(xiàn)隨時(shí)間遞減的規(guī)律，這主要是因?yàn)榭讐合陆翟斐傻模河捎诳倯?yīng)力由有效應(yīng)力和孔壓組成，孔壓下降會(huì)導(dǎo)致總應(yīng)力的顯著下降[90]。而裂縫周圍的最大水平地應(yīng)力方向也會(huì)隨著開采時(shí)間的增加而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。Guo等人研究了開采導(dǎo)致的地應(yīng)力變化對(duì)鄰井壓裂裂縫形態(tài)的影響，見圖7。隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，兩口水平井之間地層的水平最大地應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致加密井的裂縫逐漸沿水平井筒方向擴(kuò)展[91]。

2.3 層理對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

圖7 加密井壓裂裂縫擴(kuò)展路徑：(1)母井生產(chǎn)1 年后；(2)母井生產(chǎn)5 年后[91]Fig. 7 Infill-well fracture-propagation paths after legacy production in parent wells for (1)1 year, (2) 5 years[91]

頁巖的層理發(fā)育，水力裂縫在垂向上的裂縫形態(tài)非常復(fù)雜[92-94]?，F(xiàn)場觀測和試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，裂縫正交于層理時(shí)，層理面膠結(jié)強(qiáng)度的差異會(huì)導(dǎo)致裂縫呈現(xiàn)不同的擴(kuò)展形態(tài)：膠結(jié)脆弱處易發(fā)生裂縫的分叉﹑轉(zhuǎn)向，形成網(wǎng)狀裂縫；膠結(jié)強(qiáng)度大則裂縫容易穿透層理擴(kuò)展[95-98]。膠結(jié)強(qiáng)度過弱或過強(qiáng)都不利于網(wǎng)狀裂縫的形成[98-99]。譚鵬等人研究了不同地應(yīng)力及界面強(qiáng)度條件下水力裂縫在層理面的擴(kuò)展[100]，界面強(qiáng)度定義為

其中TI，TR分別為界面層和儲(chǔ)層的抗拉強(qiáng)度，通過直剪實(shí)驗(yàn)測得；τI,i和τR,i分別為界面層和儲(chǔ)層的內(nèi)聚力。

研究發(fā)現(xiàn)存在3 類典型的裂縫形態(tài)：(1)界面強(qiáng)度越低，垂向應(yīng)力差異系數(shù)越小，越易形成T型縫；(2)界面強(qiáng)度越低，垂向應(yīng)力差異系數(shù)越大，越易形成鈍化縫；(3)界面強(qiáng)度越高，垂向應(yīng)力差異系數(shù)大，易形成穿層縫，如圖8 所示。圖9 為層理面強(qiáng)度﹑垂向應(yīng)力差異系數(shù)以及層間最小水平應(yīng)力差異系數(shù)(Kh=（SB,h-SR,h)/SR,h，其中SB,h為上部隔層最小水平地應(yīng)力，MPa；SR,h為上部隔層最小水平地應(yīng)力，MPa）影響下裂縫擴(kuò)展形態(tài)圖版。

此外，如果水力裂縫與層理面斜向交叉，水力裂縫周圍的應(yīng)力場失去對(duì)稱性，水力裂縫的擴(kuò)展路徑因此變得更為復(fù)雜[101]。Goldstein等人通過實(shí)驗(yàn)研究表明，裂縫擴(kuò)展至摩擦的界面時(shí)會(huì)造成界面滑移，且界面的傾角越大，滑移距離越大[102]。

2.4 天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響

頁巖儲(chǔ)層中天然裂縫發(fā)育，對(duì)裂縫的擴(kuò)展路徑有著非常重要的影響。水力裂縫遇到天然裂縫時(shí)可發(fā)生轉(zhuǎn)向或者穿透天然裂縫，形成一種空間非平面裂縫網(wǎng)絡(luò)[8,103-104]。裂縫面性質(zhì)﹑水力裂縫逼近角﹑水平應(yīng)力差以及天然裂縫走向是影響天然裂縫與水力裂縫干擾行為的關(guān)鍵因素[12,65,99]。以下逐一開展討論。

2.4.1 裂縫面性質(zhì)的影響

小型天然裂縫只能在局部范圍對(duì)水力裂縫擴(kuò)展造成影響，很難改變水力裂縫的整體擴(kuò)展方向；隨著天然裂縫開度和滲透率的增加，容易導(dǎo)致水裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，難以形成新的主水力裂縫面，見圖10[8,106]。天然裂縫內(nèi)聚力﹑摩擦系數(shù)越大，天然裂縫面越不容易發(fā)生剪切滑移，水力裂縫越容易貫穿天然裂縫[73,107]。天然裂縫內(nèi)摩擦角越小，天然裂縫連通面積越大，越易形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫[108]。

2.4.2 逼近角的影響

圖8 層理面附近水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)[100]Fig. 8 Propagation pattern of hydraulic cracks near bedding plane[96]

圖9 不同界面強(qiáng)度下垂向應(yīng)力差異系數(shù)與水平應(yīng)力差異系數(shù)的綜合影響[100]Fig. 9 The combined effect of vertical stress difference coefficient and horizontal stress difference coefficient at different interface strengths[100]

在一定的逼近角和水平主應(yīng)力差條件下，天然裂縫會(huì)改變水力裂縫的延伸形態(tài)和擴(kuò)展模式。逼近角較大(大于60o～ 75o)且應(yīng)力差較高的情況下，水力裂縫傾向于穿過天然裂縫繼續(xù)延伸；逼近角較小(小于45o～ 60o)且應(yīng)力差較低的情況下，水力裂縫傾向于轉(zhuǎn)向沿天然裂縫繼續(xù)延伸；其他情況下水力裂縫在與天然裂縫相交后常常伴隨穿過﹑張開和分支3 種模式混合延伸的情況[17,109-111]。程萬等人通過實(shí)驗(yàn)建立了逼近角和應(yīng)力差影響下的裂縫擴(kuò)展圖版，見圖11[111]。

圖10 天然裂縫影響下水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)圖版[106]Fig. 10 Propagation pattern of hydraulic fracture under the influence of natural fracture[106]

2.4.3 天然裂縫產(chǎn)狀的影響

天然裂縫的傾角(α)和走向角(β)影響著水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律。與裂縫的傾角相比，裂縫的走向角是影響水力裂縫能否穿透預(yù)制裂縫的更為關(guān)鍵的因素，且預(yù)置裂縫走向角越大，水力裂縫越容易穿透預(yù)置裂縫。當(dāng)儲(chǔ)層的水平主應(yīng)力差大于4～7 MPa時(shí)，水力裂縫才有可能在較高走向角的情況下穿透預(yù)置裂縫[12,105-106,112-113]。圖12 為裂縫傾角和走向角以及應(yīng)力差對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響因素圖版[12]。

2.5 地質(zhì)力學(xué)因素影響小結(jié)

為了更直觀地展現(xiàn)地質(zhì)因素對(duì)層狀頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展的影響，提供各個(gè)影響因素下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律的整體認(rèn)識(shí)，本文系統(tǒng)歸納了不同影響因素下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，如表5 所示。

圖11 逼近角對(duì)擴(kuò)展行為的影響[111]Fig. 11 Effect of approach angle on propagation behavior[111]

圖12 天然裂縫走向角、傾角對(duì)擴(kuò)展行為的影響圖版[12]Fig. 12 Influence of natural crack strike angle and dip angle on propagation behavior[12]

3 頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展工程影響因素

3.1 施工排量對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

在一定的范圍內(nèi)排量影響了壓裂裂縫的復(fù)雜度。當(dāng)排量特別低時(shí)，壓裂液基本沿天然裂縫和層理縫濾失流動(dòng)，水力裂縫難以自由轉(zhuǎn)向[114]；低排量則會(huì)有效降低地層破裂壓力，有利于開啟天然裂縫系統(tǒng)，從而增加裂縫的復(fù)雜性[115-116]；較高的排量則更容易形成新的水力裂縫，導(dǎo)致水力裂縫更易穿透閉合的天然裂縫，從而增大壓裂改造規(guī)模[117-119]。

采用變排量壓裂，初始階段，隨著壓力逐漸升高，會(huì)在井筒周圍的弱面附近產(chǎn)生多個(gè)待破裂點(diǎn)，隨排量突然提高，水力裂縫沿著多個(gè)破裂點(diǎn)動(dòng)態(tài)分叉擴(kuò)展。隨著排量階梯式升高，泵壓升高，排量增大，水力裂縫與天然裂縫溝通形態(tài)越復(fù)雜，有助于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[120]。解經(jīng)宇等人通過實(shí)驗(yàn)得到了相似的結(jié)論，見圖13[121]。

3.2 壓裂液性質(zhì)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

3.2.1 壓裂液類型的影響

壓裂液在水力壓裂工作中起著至關(guān)重要的作用，可分為水基壓裂液和無水壓裂液。無水壓裂液可以解決水資源緊缺以及水污染的問題，同時(shí)可以避免水敏﹑鹽敏﹑水鎖以及潤濕性反轉(zhuǎn)等儲(chǔ)層傷害問題。目前常用的無水壓裂技術(shù)主要包括二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)以及液化石油氣(LPG)壓裂技術(shù)[122]。

表5 頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展地質(zhì)影響因素匯總表Table 5 Summary of fracture propagation in shale reservoirs

圖13 變排量注液對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響[121]Fig. 13 Effect of variable displacement fluid injection on fracture propagation[121]

CO2的超低黏度特性有利于儲(chǔ)層形成I-II混合型破壞為主的復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[123]。此外低溫CO2注入地層后會(huì)與地層產(chǎn)生熱應(yīng)力效應(yīng)，促進(jìn)裂縫起裂的同時(shí)，形成許多微裂縫[123]。但是CO2壓裂液也存在增稠困難﹑攜砂能力差﹑降濾失能力差以及縫寬小等缺點(diǎn)[124]。LPG壓裂液主要采用液化石油氣作為壓裂液，具有表面張力低﹑黏度低﹑密度低﹑返排時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)LPG壓裂的支撐裂縫長度基本等于有效裂縫長度，有效增加了裂縫面的面積，見圖14[125]。但該方法存在成本高﹑安全性能不足等問題，使其推廣受到了一定限制[125-126]。

水基壓裂液的高壓流變性是影響壓裂施工成敗的關(guān)鍵因素之一[122]，一般可以用剪切黏度進(jìn)行表征，可以有效影響裂縫體系的復(fù)雜程度。低黏度壓裂液可以更好地傳導(dǎo)壓力，并能溝通更多的天然裂縫，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，此外低黏度壓裂液容易使微裂縫產(chǎn)生錯(cuò)位和滑移，從而增加微裂縫的導(dǎo)流能力[127]。使用高黏度的壓裂液時(shí)，液體濾失較小，會(huì)顯著增加縫內(nèi)凈壓力，有利于水力裂縫穿透層理面。隨著壓裂液黏度增加，裂縫的寬度和長度均有所增加[117-118,128]，但是變化幅度很小[116]。交替注入不同黏度的滑溜水和膠液可以有效增加裂縫的復(fù)雜程度，見圖15[129]。通過研究表明：(1)交替注液的造縫效果要好于單次注液；(2)膠液的造縫能力大于滑溜水的造縫能力；(3)膠液優(yōu)先注入有利于提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。

3.3 射孔對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

Zhang等人利用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了定面射孔和螺旋射孔對(duì)井筒周圍裂縫形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋射孔相比于定面射孔會(huì)增大井筒周圍的破裂壓力和裂縫復(fù)雜度[130]，并且總結(jié)了射孔影響下的3 種近井筒周圍的裂縫形態(tài)，見圖16[131]。

解經(jīng)宇等人通過真三軸水力物模實(shí)驗(yàn)研究了不同射孔方式對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，見圖17[121]。研究表明，射孔相位角為60o時(shí)，裂縫形態(tài)最復(fù)雜；其次是定向射孔；平面射孔壓裂后水力裂縫形態(tài)最為簡單[121]。

圖14 壓裂有效裂裂縫示意圖[125]Fig. 14 Schematic diagram of effective fracturing fractures[125]

圖15 試樣裂縫分布形態(tài)隨注液模式的變化[129]Fig. 15 Distribution of fracture morphology with liquid injection model[129]

俞然剛等深入研究了射孔相位對(duì)起裂壓力以及裂縫擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)在相同地應(yīng)力與施工參數(shù)下，射孔相位60°時(shí)支裂縫數(shù)量多，轉(zhuǎn)向與穿層效果明顯，可更加充分地連通巖層中原有的天然裂縫，有利于裂縫形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，見圖18[132]。

4 頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展研究問題與展望

近些年來隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及裂縫擴(kuò)展數(shù)值模型的發(fā)展，逐步明確了多種地質(zhì)和工程因素下裂縫的擴(kuò)展形態(tài)和規(guī)律，為現(xiàn)場壓裂施工提供了很好的理論支持。目前對(duì)于層狀頁巖裂縫擴(kuò)展的研究還存在諸多亟待解決的問題。

(1)受射孔方位﹑天然裂縫﹑層理等多因素的影響，頁巖儲(chǔ)層的水力裂縫呈現(xiàn)出非平面﹑相互交叉的復(fù)雜延伸模式，形成I-II 復(fù)合型裂縫。目前裂縫擴(kuò)展模型大多數(shù)模型是將巖石假設(shè)為各向同性材料，無法反應(yīng)真實(shí)地層中物理和力學(xué)性質(zhì)的各向異性特征，無法模擬實(shí)際地層中的裂縫非平面擴(kuò)展過程，只能針對(duì)特定影響因素下裂縫的走向趨勢以及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究。

圖16 射孔影響下的3 種典型裂縫形態(tài)[131]Fig. 16 Three typical crack shapes under the influence of perforation[131]

圖17 不同射孔類型對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響[121]Fig. 17 Influence of different perforation types on crack propagation[121]

圖18 相位角對(duì)裂縫形態(tài)的影響[132]Fig. 18 Effect of phase angle on crack morphology[132]

(2)目前研究地應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響時(shí)，邊界條件均為原位地應(yīng)力值，即在裂縫擴(kuò)展過程中應(yīng)力值不變。但是隨著多段多簇﹑重復(fù)壓裂等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，裂縫擴(kuò)展對(duì)于局部地應(yīng)力場的影響應(yīng)該受到重視。明確裂縫擴(kuò)展對(duì)于儲(chǔ)層局部應(yīng)力狀態(tài)的影響和精確表征壓裂前后的儲(chǔ)層四維(三維空間加時(shí)間)應(yīng)力場，是未來的研究重點(diǎn)也是難點(diǎn)。構(gòu)建儲(chǔ)層四維應(yīng)力場，可以更準(zhǔn)確的預(yù)測后續(xù)鄰井壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)展規(guī)模，從而為加密井距離提供有效指導(dǎo)，此外還可以幫助評(píng)價(jià)老井重復(fù)壓裂效果，從而指定合理的改造方案。

(3)按照正常沉積規(guī)律，不同地層之間存在一定厚度的轉(zhuǎn)變區(qū)域(即“過渡區(qū)”)。過渡區(qū)的應(yīng)力場分布復(fù)雜，物理和力學(xué)性質(zhì)各向異性增強(qiáng)，容易誘導(dǎo)水力裂縫縫高及縫寬的非協(xié)調(diào)性增長，對(duì)裂縫擴(kuò)展有較大的影響。目前，多數(shù)研究將過渡區(qū)簡化為零厚度的突變面，與實(shí)際情況存在較大的差異，需要針對(duì)該問題展開一系列研究，闡明過渡區(qū)域的存在對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。

目前針對(duì)頁巖儲(chǔ)層壓裂的研究多集中在中美海相﹑陸相頁巖氣儲(chǔ)層，隨著非常規(guī)油氣資源開發(fā)腳步的邁進(jìn)，頁巖油已逐步成為熱點(diǎn)﹑重點(diǎn)，將成為我國未來非常規(guī)發(fā)展的重要接替能源，是我國未來勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前，我國頁巖油開發(fā)在儲(chǔ)集層類型﹑源儲(chǔ)關(guān)系﹑甜點(diǎn)主控因素及頁巖油聚集類型等方面已形成較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并提出了以水平井規(guī)模重復(fù)“壓采”開發(fā)為主導(dǎo)的一體化開發(fā)模式，水力壓裂技術(shù)仍然是高效開發(fā)頁巖油資源的核心技術(shù)[133-134]。但是由于頁巖油的特征導(dǎo)致其壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律與頁巖氣儲(chǔ)層存在差異。因此，必須加快對(duì)于頁巖油儲(chǔ)層的裂縫擴(kuò)展規(guī)律的研究，明確頁巖油儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展規(guī)律，為頁巖油儲(chǔ)層的勘探開發(fā)提供一系列技術(shù)和理論支撐。

大型物理模擬實(shí)驗(yàn)仍然是觀察裂縫擴(kuò)展形態(tài)的最直接手段，未來應(yīng)該改進(jìn)現(xiàn)有的裂縫監(jiān)測方法，力求更加準(zhǔn)確的獲取實(shí)驗(yàn)后的三維裂縫擴(kuò)展形態(tài)。數(shù)值模擬方面，更多的集中在裂縫非平面擴(kuò)展模型和縫網(wǎng)壓力模型的研究上，不斷優(yōu)化算法提高計(jì)算效率，模擬真實(shí)地層條件下的裂縫擴(kuò)展形態(tài)。此外，全球各大頂尖石油公司紛紛加快與新興計(jì)算機(jī)科技(IT)公司的聯(lián)合創(chuàng)新，發(fā)展適用于石油行業(yè)的人工智能技術(shù)，力求為石油天然氣的勘探開發(fā)提供全新的智能解決方案，以期孕育新的油氣革命[135]。大數(shù)據(jù)分析﹑云計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)已經(jīng)在石油工業(yè)取得了初步應(yīng)用，在預(yù)測油藏地質(zhì)甜點(diǎn)[136]，井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)[137]，最優(yōu)化采油方案分析[138]以及儲(chǔ)層物性解釋和分析[139-140]等問題方面展現(xiàn)了其優(yōu)勢性和高效性。人工智能的廣泛應(yīng)用同樣為裂縫形態(tài)預(yù)測提供了新的思路：廣泛采集室內(nèi)真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場壓裂施工壓后的裂縫形態(tài)數(shù)據(jù)開展深度學(xué)習(xí)，綜合分析各個(gè)影響因素對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響，分類裂縫網(wǎng)絡(luò)類型，定量刻畫裂縫體形態(tài)與復(fù)雜度。

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

頁巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律是現(xiàn)階段頁巖油氣開采的主要問題，然而裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響因素眾多，實(shí)際壓裂過程中裂縫擴(kuò)展機(jī)理和規(guī)律不明確。本文通過對(duì)頁巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展研究的各類方法入手，分析﹑總結(jié)﹑歸納了地質(zhì)因素和工程因素對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，得到了以下認(rèn)識(shí)。

(1)目前水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的研究方法主要分為3類：真三軸水力壓裂物模試驗(yàn)研究﹑基于數(shù)值方法的水力裂縫擴(kuò)展模型研究和現(xiàn)場監(jiān)測。目前物理模擬實(shí)驗(yàn)裂縫形態(tài)描述方面受限于實(shí)驗(yàn)精度和樣品尺寸的影響，無法精確地描述樣品的三維裂縫形態(tài)以及展布規(guī)律。水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型經(jīng)歷了從低維度到高維度﹑從單一裂縫發(fā)展到多個(gè)裂縫以及裂縫網(wǎng)絡(luò)的過程，水力裂縫擴(kuò)展模型也越來越接近于地層中裂縫形態(tài)。裂縫擴(kuò)展模型的研究很好的彌補(bǔ)了物理模擬實(shí)驗(yàn)的簡單實(shí)驗(yàn)條件和尺寸效應(yīng)帶來的缺陷，使得多因素下油藏尺度的裂縫擴(kuò)展規(guī)律模擬成為可能。但是，數(shù)值方法計(jì)算效率低，且模型無法反應(yīng)地層的非均質(zhì)性，因此無法真實(shí)地還原儲(chǔ)層條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)。

(2)頁巖儲(chǔ)層壓裂縫擴(kuò)展的主控因素可以概括為地質(zhì)因素和工程因素2 類。前者是儲(chǔ)層本身的地質(zhì)和力學(xué)特征；后者是與現(xiàn)場施工相關(guān)的參數(shù)，合理的壓裂施工參數(shù)能夠引導(dǎo)水力裂縫充分?jǐn)U展，形成復(fù)雜有利的裂縫網(wǎng)絡(luò)。地應(yīng)力是影響裂縫擴(kuò)展形態(tài)的主要地質(zhì)因素，而層理以及天然裂縫等弱面則是決定頁巖儲(chǔ)層水力裂縫能否形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵地質(zhì)因素。排量和黏度在一定范圍內(nèi)能夠影響裂縫的復(fù)雜程度，低排量和低黏度的壓裂液可以更好地傳導(dǎo)壓力，溝通更多的天然裂縫和弱膠結(jié)層理面。另外，階梯排量注入以及不同黏度壓裂液交替注入能有效增加頁巖儲(chǔ)層的裂縫復(fù)雜程度。

(3)隨著世界范圍內(nèi)常規(guī)油氣產(chǎn)量的不斷下降，非常規(guī)油氣成為油氣資源的重要接替領(lǐng)域。頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得頁巖層系中的油氣資源得到了廣泛關(guān)注。頁巖油和深層頁巖氣是未來勘探開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)領(lǐng)域。在裂縫擴(kuò)展研究方面，要重點(diǎn)分析頁巖油和深層頁巖的地質(zhì)構(gòu)造﹑物理力學(xué)性質(zhì)等特點(diǎn)，利用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究其裂縫擴(kuò)展規(guī)律同時(shí)，要緊跟發(fā)展趨勢，探索人工智能方法在預(yù)測裂縫形態(tài)方面的實(shí)現(xiàn)途徑，為我國非常規(guī)頁巖油氣資源的勘探開發(fā)提供強(qiáng)有力的理論保障。