斷層影響下的頁巖氣儲層水力壓裂模擬研究*

馮雪磊 馬鳳山 趙海軍 郭 捷

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室， 北京 100029， 中國)(②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國)(③中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國)

0 引 言

頁巖氣的商業(yè)化開采產(chǎn)生天然氣行業(yè)革命，對世界能源格局產(chǎn)生重大影響(張金川等， 2008； Hughes， 2013； 張東曉等， 2015)。2012年涪陵焦石壩頁巖氣田實現(xiàn)了商業(yè)化開采，開啟我國頁巖氣勘探開發(fā)的新局面(鄒才能等， 2015)。頁巖氣的大規(guī)模開采得益于水平鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的成功實施，水力壓裂是將高壓的壓裂液注入到低滲致密頁巖儲層，進(jìn)行壓裂改造釋放天然氣的過程(Curtis， 2002； Javadpour et al.， 2007； 陳尚斌等， 2010)。然而深部儲層注水壓裂會產(chǎn)生地質(zhì)力學(xué)和巖石力學(xué)問題(何滿潮等， 2005)，儲層水力壓裂過程會導(dǎo)致深部斷層巖體水力耦合破壞，進(jìn)而引發(fā)巖體剪切破壞和地震活動(Ellsworth， 2013； Bao et al.，2016; Elsworth et al.，2016; Lei et al.，2017; Zhao et al.，2018; Bhattacharya et al.，2019)，同時斷層巖體水力破壞導(dǎo)致壓裂液突破頂板巖層和斷層的封閉而運移到上部巖層，甚至對淺部的巖層尤其含水層存在較大威脅(Osborn et al.，2011; Vengosh et al.，2014; Reagan et al.，2015; Shannon et al.，2015)(圖1)。因此研究水力壓裂導(dǎo)致斷層水力破壞及其對儲層流體密閉穩(wěn)定性的影響具有較大的工程和科學(xué)意義。

圖1 斷層水力破壞和壓裂液泄露途徑(Howarth et al.，2011)

研究表明大規(guī)模水力壓裂導(dǎo)致的頁巖儲層封閉性改變方式主要有兩種：一種是水力裂縫延伸突破封閉頂?shù)装澹硪环N是注水壓裂誘發(fā)斷層活化(李廷微等， 2015; Reagan et al.，2015)。封閉頂?shù)装迨呛瑲忭搸r儲層上下部直接封堵氣體逸散的低滲致密巖層，封閉性好的頂板、儲層與底板組成油氣封存箱，有效減少頁巖氣逃逸擴(kuò)散(楊傳忠等， 1994； 聶海寬等， 2012)，考慮頁巖儲層頂?shù)装宓蜐B致密和展布范圍廣等特征，水力裂縫導(dǎo)致頂?shù)装遄冃纹茐膶τ诘貙用荛]完整性影響很小。然而大規(guī)模水力壓裂引發(fā)的斷層巖體水力破壞，不僅產(chǎn)生剪切滑移引發(fā)地震事件，還促進(jìn)裂縫向地質(zhì)體淺部延伸，形成高滲透性流體運移通道，增加了壓裂液和油氣向上覆巖層運移可能，顯著影響儲層的封閉性能(Hickman et al.，1995; 陳永嶠等， 2003)。此外，上覆巖層出現(xiàn)高滲透性巖層時，與斷層水力破壞區(qū)域貫通，更提高流體運移速度和壓裂液污染上覆巖層或含水層的可能性(胡東風(fēng)等， 2014； Small et al.，2014； Gallegos et al.，2015; 利振彬等， 2019)。因此注水導(dǎo)致斷層水力破壞對頁巖儲層封閉性和近地表環(huán)境影響較大。

斷層影響下地下深部巖層中流體注入的研究多見于常規(guī)儲層，尤其集中于二氧化碳地質(zhì)封存和增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)開發(fā)(Majer et al.，2007; Frédéric et al.，2011)。研究發(fā)現(xiàn)注水導(dǎo)致地下深部巖體應(yīng)力場改變和孔隙水壓上升，引起斷層巖體上下盤出現(xiàn)剪切破壞以及斷層破碎帶滲透率動態(tài)改變(Mbia et al.，2014; Martina et al.，2017)，此外，斷層滑移破壞還與斷層滲透性、斷層產(chǎn)狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖石破壞強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)以及物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)(Frédéric et al.，2011; Rutqvist， 2012； Pan et al.，2013)。隨著頁巖氣商業(yè)化開采和水平鉆井?dāng)?shù)量增加，注水導(dǎo)致斷層破壞滑移受到更多關(guān)注和研究，尤其野外地震等級監(jiān)測數(shù)據(jù)表明(Davies et al.，2013; Bao et al.，2016)，頁巖儲層大規(guī)模水力壓裂改造導(dǎo)致斷層剪切破壞，引發(fā)顯著的地震活動(Lee et al.，2013; Mortezaei et al.，2015; Rutqvist， 2015; Lei et al.，2017)，但地震震級較小，一般屬于小地震事件，例如在加拿大西部監(jiān)測到3.9級和中國四川盆地的4.7級(Bao et al.，2016； Lei et al.，2017)。此外，注水導(dǎo)致深部斷層巖體剪切滑移的機(jī)理研究和數(shù)值分析是依據(jù)莫爾-庫侖剪切破壞準(zhǔn)則和有效應(yīng)力原理(Terzaghi， 1923; Jaeger et al.，1979)，孔隙水壓上升導(dǎo)致斷層平面法向有效應(yīng)力下降，在水致弱化和強(qiáng)度弱化條件下，巖體應(yīng)力莫爾圓和剪切破裂強(qiáng)度曲線移動，導(dǎo)致斷層剪切破壞出現(xiàn)滑移活化(Sleep et al.，1992; Rutqvist et al.，2015; Zhao et al.，2018)。另外，在室內(nèi)物理模擬試驗研究中，樣品尺寸一般在厘米級小尺度范圍內(nèi)，從宏微觀角度分析含裂縫頁巖在壓剪應(yīng)力狀態(tài)下的破壞滑移過程，礦物顆粒擠壓破碎微觀分析和裂縫滲透率動態(tài)演化機(jī)理(陳建業(yè)等， 2012； Wu et al.，2017； Im et al.，2019)。

總的來說，目前注水導(dǎo)致斷層水力破壞的研究主要是野外地震等級監(jiān)測和室內(nèi)小尺度裂縫滲透率演化，但目前已有監(jiān)測手段難以區(qū)分小的地震事件尤其是微震事件是基于注水導(dǎo)致斷層活化還是由大規(guī)模裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致，且斷層能否大規(guī)模剪切滑移并引發(fā)破壞性地震亟待研究(Zhao et al.，2018)，另外斷層水力破壞高度及形成高滲通道導(dǎo)致壓裂液污染淺部地層的研究還在概念分析階段(Reagan et al.，2015)。而室內(nèi)小尺度物理模型相似試驗較難表征斷層巖體大尺度宏觀結(jié)構(gòu)特征以及地下多場耦合對于斷層水力破壞的影響。目前，隨著頁巖氣開采井?dāng)?shù)量的增多，儲層壓裂開采深度增加、壓裂頻次增多，深部大規(guī)模水力壓裂造成斷層活化而產(chǎn)生地震和環(huán)境問題引起社會和公眾更多的關(guān)注，尤其是斷層水力耦合破壞導(dǎo)致儲層封閉性改變和流體向上逸散產(chǎn)生環(huán)境問題。

基于以上分析，本文以我國第1個商業(yè)化的頁巖氣田涪陵焦石壩氣田為例(焦頁一井)，建立水力耦合數(shù)值計算模型，主要研究內(nèi)容包括： (1)儲層高壓注水導(dǎo)致巖石破裂方式改變和斷層巖體剪切破壞機(jī)理分析。(2)研究不同注水壓力下，儲層和斷層水力破壞高度、水力破壞區(qū)域的產(chǎn)生與擴(kuò)展演化，評價斷層水力破壞對頁巖氣儲層封閉性的影響。(3)監(jiān)測巖層變形和孔隙水壓變化過程，分析流體沿高滲通道向上覆巖層運移機(jī)理，壓裂液污染淺部地層危險性評價。

1 水力壓裂導(dǎo)致巖體破裂和斷層剪切破壞的力學(xué)機(jī)理

儲層壓裂改造注入的高壓壓裂液可以極大地改變地層局部應(yīng)力狀態(tài)，隨著巖層內(nèi)部孔隙水壓力上升，巖石發(fā)生破裂方式改變。當(dāng)孔隙壓力超過圍巖最小主應(yīng)力和巖石抗拉強(qiáng)度之和時，巖體出現(xiàn)垂直于最小主應(yīng)力方向的張性裂紋。當(dāng)最大和最小主應(yīng)力的差值較大時，孔隙壓力上升會導(dǎo)致可能出現(xiàn)的裂縫表面剪應(yīng)力增加且法向有效應(yīng)力減小，根據(jù)莫爾-庫侖剪切破壞準(zhǔn)則(Jaeger et al.，1979)，應(yīng)力莫爾圓移動，巖石出現(xiàn)剪切破裂(圖2)。圖2表明，涪陵焦石壩頁巖儲層位于地下深部，主應(yīng)力差值很小，且致密頁巖強(qiáng)度參數(shù)較高，因此在高注水壓力條件下，儲層巖石發(fā)生張破裂或張剪破裂可能會是一個較普遍的現(xiàn)象(Zhao et al.，2018)。此外，張性破裂或張剪破裂的混合破裂模式有利于形成大規(guī)模網(wǎng)狀裂縫，成為頁巖氣回采的有效的滲流途徑(Ellsworth， 2013)。但頁巖儲層網(wǎng)狀水力裂縫擴(kuò)展也會影響儲層的密閉完整性(Gundersen et al.，2011; Orlic et al.，2013)。

圖2 巖石破裂方式(陳建業(yè)等， 2012； Zhao et al.，2018)

當(dāng)水力壓裂區(qū)域內(nèi)存在斷層時，大規(guī)模水力壓裂引起巖體孔隙水壓力上升以及斷層巖體應(yīng)力狀態(tài)的改變。在新的應(yīng)力狀態(tài)以及孔壓條件下，巖體有效應(yīng)力狀態(tài)莫爾圓發(fā)生改變和移動(圖3)。同時，高注水壓力導(dǎo)致裂縫在斷層內(nèi)擴(kuò)展，斷層內(nèi)部出現(xiàn)水力破壞區(qū)域擴(kuò)大。斷層內(nèi)部孔隙水壓力增大導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面的有效應(yīng)力降低，斷層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度減小，出現(xiàn)斷層上下盤巖體之間黏結(jié)性下降， 如圖3所示，當(dāng)斷層結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到斷層活化破裂程度時，斷層上下盤出現(xiàn)滑移錯動，出現(xiàn)剪切破裂并引發(fā)地震活動(Sleep et al.，1992; Zhao et al.，2018)，同時斷層內(nèi)部會出現(xiàn)一定高度范圍的水力耦合破壞區(qū)域，巖石的孔隙率和滲透率升高，形成油氣資源和壓裂液逸散的快速通道(趙海軍等， 2016)。

圖3 孔壓上升導(dǎo)致剪切滑移(陳建業(yè)等， 2012； Zhao et al.，2018)

2 研究區(qū)地質(zhì)背景簡介

涪陵焦石壩頁巖氣藏作為我國第一個商業(yè)化頁巖氣田，位于四川盆地外緣地區(qū)，主要處于隔槽式變形帶和槽檔過渡帶。焦石壩構(gòu)造主體為似箱狀背斜形態(tài)，即頂部寬緩，兩翼陡傾。從斷層展布規(guī)律看，斷層數(shù)量多且尺度規(guī)模大，延伸較遠(yuǎn)，“通天”斷裂較多(胡東風(fēng)等， 2014)。經(jīng)歷了多期的構(gòu)造改造，整個沉積區(qū)域被斷層切割明顯，地層縱橫向連續(xù)性較差，斷裂對頁巖氣保存的影響較普遍(圖4)。

圖4 焦石壩地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意圖-焦頁1井(胡東風(fēng)等， 2014)

涪陵焦石壩五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層、頂板和底板巖層的彈性模量較高、泊松比較低，巖石的脆性指數(shù)較高。儲層位于地下2500～3000m的深度，垂向地應(yīng)力平均值為50MPa，水平地應(yīng)力平均值為53MPa，地應(yīng)力差異系數(shù)較低，易形成網(wǎng)狀裂縫(郭旭升， 2014)。焦石壩1井的巖石破裂壓力為57～86MPa，注水施工壓力范圍為40～90MPa(梁豪， 2014； 郭旭升， 2014)。龍馬溪組—五峰組頁巖儲層厚度約為30m，上部封閉蓋層頂板巖層為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，下部底板巖層為灰?guī)r，巖石強(qiáng)度高且完整性好，巖層厚度約為30～40m左右(郭旭升， 2014)。此外頁巖氣儲層水力壓裂是分段進(jìn)行的，焦頁1井有15個井段，每一個壓裂井段的范圍是90m左右，每一水平壓裂井段有三簇，每簇之間的距離是30m。

3 斷層對頁巖氣水力壓裂影響的數(shù)值模擬

3.1 模擬方法和數(shù)值模型建立

儲層注水壓裂過程是滲流場和應(yīng)力場耦合作用的結(jié)果(宋力等， 2005； 姚池， 2013)。因此儲層的水力壓裂是較復(fù)雜的深部多物理場耦合問題。由于深部巖石力學(xué)問題很難進(jìn)行現(xiàn)場實驗，室內(nèi)的物理模擬試驗又難以還原復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力狀態(tài)，利用多物理場數(shù)值分析方法能夠較接近實際情況來模擬深部多物理場耦合下儲層水力壓裂的過程。Comsol是以有限元方法為基礎(chǔ)的一款多物理場耦合分析軟件，通過求解偏微分方程組來實現(xiàn)多物理場耦合，利用數(shù)學(xué)方法對真實物理現(xiàn)象進(jìn)行仿真(王瑞等， 2013； Navarro et al.，2014)。因此本文采用Comsol軟件模擬壓裂過程中斷層水力破壞對于儲層封閉性的影響，斷層水力破壞涉及到壓裂液流體流動、地應(yīng)力、固體力學(xué)等多物理因素(Lei et al.，2016)。

數(shù)值模型采用軟件中固體力學(xué)和地下水流模塊來模擬應(yīng)力場和滲流場耦合過程，具體表征方程如下：

應(yīng)力場：

(1)

滲流場：

(2)

式中：G為剪切模量；v為泊松比；α為biot系數(shù)；p為孔隙水壓力；φ為孔隙率；ρ為流體密度；k為滲透率；μ為黏滯系數(shù)；εvol=ε1+ε2+ε3為體積應(yīng)變。

水力破壞準(zhǔn)則包括張破壞準(zhǔn)則和剪切破壞準(zhǔn)則。

張破壞準(zhǔn)則：

p=σ3+T

(3)

式中：T為巖石抗拉強(qiáng)度。

剪切破壞準(zhǔn)則：

τ=c+μ(σn-p)，μ=tanφ

(4)

其中

(5)

式中：c為巖石黏聚力；μ為內(nèi)摩擦系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；σv為垂直地應(yīng)力；σh為水平地應(yīng)力；δ為斷層傾角80°；τ為斷層平面剪應(yīng)力；σn為斷層平面法向應(yīng)力。

根據(jù)焦石壩構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)條件和焦頁1井施工技術(shù)參數(shù)，建立二維數(shù)值計算模型(圖5)。模型一共設(shè)置上部覆蓋巖層、高滲地層、封閉頂板、儲層、封閉底板和下部巖層。貫穿封閉頂板及上覆巖層的大尺度斷層不僅破壞了頁巖氣封閉性，成為氣體散失通道，而且會連通上覆高滲透層，加速氣體擴(kuò)散運移(胡東風(fēng)等， 2014)。因此上部覆蓋巖層中設(shè)置為高滲地層，且與斷層相連接，模擬分析上覆高滲巖層和水力耦合破壞區(qū)域形成高滲逸散通道這一可能工況。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景，模型中每一巖層厚度簡化設(shè)置為30m，考慮斷層的存在以及邊界影響，地層的寬度設(shè)置為200m。根據(jù)一個壓裂井段的范圍大約為90m，因此在100m范圍內(nèi)設(shè)置3個注口，且間距為30m。

圖5 數(shù)值計算模型

3.2 模擬條件與模型參數(shù)

模型的左邊界和下邊界為限制位移邊界，上邊界設(shè)置垂直地應(yīng)力為50MPa，水平地應(yīng)力為53MPa，且上覆壓力梯度假設(shè)沿深度為23MPa·km-1。模型左右邊界設(shè)置為“不流動”邊界，上下邊界設(shè)置為自由流動邊界，3個注水口的注水壓力為40～90MPa，對應(yīng)于焦頁1井注水施工壓力范圍。模型中所需的巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型參數(shù)(Rutqvist et al.，2013; 郭旭升， 2014)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 水力破壞區(qū)域演化

根據(jù)涪陵頁巖氣田頁巖氣藏焦頁1井儲層施工壓力范圍為40～90MPa。因此模擬分析不同注水壓力條件下，斷層及其破碎帶對頁巖氣儲層大規(guī)模水力壓裂的影響。儲層大規(guī)模注水壓裂產(chǎn)生水力裂縫，水力裂縫產(chǎn)氣區(qū)域又可統(tǒng)稱為水力破壞區(qū)域。結(jié)果顯示注水壓力升高，水力破壞區(qū)域延伸到斷層，并沿著斷層擴(kuò)展延伸。儲層水力壓裂產(chǎn)生的破壞區(qū)域和斷層內(nèi)的水力破壞區(qū)域形成壓裂液和頁巖氣運移通道。斷層內(nèi)水力破壞區(qū)域表征了斷層對儲層水力壓裂和儲層密閉穩(wěn)定性的影響程度。依據(jù)水力破壞準(zhǔn)則，數(shù)值計算結(jié)果中儲層、斷層、封閉頂板巖層內(nèi)部的水力破壞范圍如圖6所示，深藍(lán)色為發(fā)生水力破壞區(qū)域，淺色為未發(fā)生水力破壞區(qū)域。

圖6 水力壓裂下巖體水力破壞區(qū)域

低注水壓力條件下水力壓裂產(chǎn)生的破壞區(qū)域有限，3個注水口附近的水力破壞區(qū)域沒有出現(xiàn)連通，局限于注水口附近，注水壓裂產(chǎn)生的破壞區(qū)域沒有延伸到斷層及其破碎帶內(nèi)(圖6)。巖層水平主應(yīng)力較高，巖石裂縫沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)展，因此水力破壞區(qū)域在水平方向延伸明顯。高注水壓力升高使得3個注水口產(chǎn)生的水力破壞區(qū)域明顯擴(kuò)大，且破壞區(qū)域出現(xiàn)疊加并且相互影響，導(dǎo)致中間注水口附近的水力破壞區(qū)域最大。最左側(cè)注水口附近的水力破壞區(qū)域受到斷層的影響，斷層及破碎帶內(nèi)出現(xiàn)了水力破壞區(qū)域。注水壓力的升高使得斷層帶內(nèi)的破壞區(qū)域擴(kuò)大，斷層內(nèi)水力破壞高度上升，突破了儲層的限制。

此外，高注水壓力導(dǎo)致儲層水力破壞區(qū)域不斷擴(kuò)展，圖6d中間注水口產(chǎn)生的破壞區(qū)域突破了上部封存頂板限制，導(dǎo)致頂板巖層的底部出現(xiàn)水力破壞。且注水壓力進(jìn)一步升高，3個注水口產(chǎn)生的水力破壞區(qū)域都突破了儲層的封閉，封閉頂板底部的水力破壞區(qū)域擴(kuò)大，局部打破了儲層的封閉性(圖6e和圖6f)。更高注水壓力條件下斷層帶內(nèi)的破壞區(qū)域逐漸擴(kuò)展，斷層帶內(nèi)水力破壞區(qū)域不僅繼續(xù)沿著垂向方向發(fā)展，斷層帶橫向方向也出現(xiàn)水力破壞區(qū)域。注水壓力逐漸升高使得斷層帶內(nèi)的水力破壞區(qū)域突破頂板封閉而延伸到上覆巖層，嚴(yán)重破壞儲層封閉性。斷層存在擴(kuò)大了儲層水力破壞范圍，延伸了水力破壞高度。

圖6中展示的儲層水力壓裂破壞區(qū)域范圍表明，水力破壞局部區(qū)域突破封閉頂板和底板，但整體上對儲層的封閉作用仍然有效。同時注水壓裂施工過程應(yīng)考慮較大范圍的水力破壞區(qū)域，利于頁巖氣的回收速率。斷層水力破壞高度盡管會擴(kuò)展水力破壞范圍，但是圖6結(jié)果表明，斷層只是局部出現(xiàn)了水力破壞區(qū)域，因此斷層內(nèi)較難出現(xiàn)大規(guī)模的破壞，難以存在誘發(fā)破壞性大地震的可能。

4.2 斷層水力破壞面積和高度

涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣藏封閉頂板和底板的突破壓力較高，頂板突破壓力為69.8～71.2MPa，底板的突破壓力為65.4～70.1MPa。水力破壞區(qū)域大小和高度反應(yīng)了儲層大規(guī)模水力壓裂作用的效果，也間接表征儲層注水壓裂對封閉頂板和斷層內(nèi)水力破壞的程度，揭示了斷層存在對于頁巖氣儲層水力壓裂的影響。圖7顯示不同注水壓力下模型、儲層、斷層、頂板區(qū)域內(nèi)水力破壞面積。

圖7 水力破壞區(qū)域體積(單位厚度)

隨著注水壓力增加，水力破壞區(qū)域逐漸擴(kuò)大，當(dāng)注水壓力達(dá)到60MPa，水力破壞區(qū)域增加趨勢減弱，因封閉頂板和底板比較致密，孔隙率和滲透率比較低，需要較高的注水壓力才能在頂板蓋層和底板產(chǎn)生水力破壞，并且頂板和底板新產(chǎn)生的水力破壞區(qū)域遠(yuǎn)離注水口，沿程消耗水頭能量。圖7中模擬的結(jié)果分析得到，注水壓力大于70MPa時，頂板蓋層出現(xiàn)水力破壞區(qū)域并隨著注水壓力上升而明顯增加，數(shù)值模擬結(jié)果顯示頂板的突破壓力在70MPa左右，與實際現(xiàn)場結(jié)果相一致(郭旭升， 2014)。

由圖8分析得到，斷層帶內(nèi)水力破壞高度隨著注水壓力升高而上升，注水壓力達(dá)到最大90MPa時，斷層內(nèi)部水力破壞高度達(dá)到80m左右，是儲層水力破壞高度的2倍左右，但斷層水力破壞區(qū)域是局部的，而不是整個斷層區(qū)域出現(xiàn)了大規(guī)模水力破壞。斷層存在擴(kuò)大了儲層水力破壞范圍，延伸了水力破壞高度，斷層帶內(nèi)水力破壞嚴(yán)重影響儲層封閉性。

圖8 斷層水力破壞高度

4.3 孔隙壓力演化和壓裂液流動分析

高壓流體在巖層中產(chǎn)生裂縫且流體沿著擴(kuò)展裂縫快速運移。注水壓裂過程中，注水口附近首先產(chǎn)生水力破壞，壓裂液沿著裂縫水頭損失，孔隙水壓力逐漸降低，因此水力破壞區(qū)域范圍影響巖石孔隙水壓力的大小和流體速度，反之孔隙水壓力和流速也會影響水力裂縫的延伸和破壞區(qū)域的形成。斷層及其破碎帶內(nèi)的孔隙率和滲透率比較高，巖石強(qiáng)度低，注水壓裂易在斷層內(nèi)產(chǎn)生水力破壞區(qū)域，與上部高滲地層貫通形成流體快速逸散的通道(圖9)。

圖9 孔隙壓力演化和壓裂液流動方向

較低注水壓力使得水力破壞區(qū)域主要集中于注水口附近，孔隙水壓力云圖顯示注水口附近區(qū)域孔隙水壓力較高，遠(yuǎn)離注水口孔隙水壓力逐漸降低。受較小的注水壓力和儲層范圍的限制，封閉頂板和底板區(qū)域內(nèi)巖層的孔隙水壓力很小或者幾乎為零。由圖7中孔隙壓力云圖分析得到，注水壓力上升導(dǎo)致巖石的孔隙水壓力越高，水力破壞區(qū)域擴(kuò)大，使得巖層的孔隙率和滲透率上升，壓裂液流動的阻力減小，儲層內(nèi)部的孔隙水壓力梯度變大。流體在較高的孔隙水壓力作用下能夠突破儲層進(jìn)入封閉頂板和封閉底板(圖9c)，封閉頂板巖層底部的孔隙壓力隨著注水壓力升高而增大。封閉頂板和底板的巖層致密，孔隙率和滲透率較低，壓裂液沿著裂縫流動的水頭能量損失較大，巖層孔隙水壓力梯度較小。

圖9中箭頭大小和方向表示壓裂液流體的速度大小和方向，注水口附近的壓裂液流速很快，且最左側(cè)注水口壓裂液流速和大小明顯受到斷層的影響。流體進(jìn)入斷層后，由于斷層內(nèi)部較高的孔隙率和滲透率，斷層內(nèi)孔隙水壓力較大且流速高，斷層內(nèi)箭頭指向也表明流體沿著斷層快速向上流動。高滲透率、低強(qiáng)度斷層成為壓裂液快速流動的通道，使得壓裂液能夠突破上部頂板巖層的封閉進(jìn)入高滲地層。另外，圖9中高滲地層中的壓裂液流動箭頭水平指向表明流體沿斷層進(jìn)入了高滲巖層，高壓流體不僅沿著斷層垂向流動，也沿著高滲巖層橫向流動，提高壓裂液和氣體的逃逸擴(kuò)散風(fēng)險。

4.4 斷層和頂板變形和孔隙壓力模擬分析

頁巖氣儲層的大規(guī)模水力壓裂過程中，高壓注水可能產(chǎn)生有毒壓裂液和氣體逃逸擴(kuò)散等環(huán)境問題，流體的擴(kuò)散逃逸的可能通道是突破上部封閉頂板和沿著斷層水力破壞區(qū)域，因此斷層和頂板巖層對于頁巖氣藏的封閉和水力壓裂過程中可能產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)尤為重要。本文在數(shù)值計算模型中斷層和頂板巖層底部設(shè)置監(jiān)測線，對注水過程中巖層內(nèi)部孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，研究封閉頂板及斷層內(nèi)部孔隙水壓力分布特征，分析判斷儲層注水突破封閉頂板可能性和斷層帶內(nèi)高滲透破壞區(qū)域范圍。

高壓注水導(dǎo)致斷層內(nèi)部的孔隙水壓力明顯升高，且離注水口近的斷層區(qū)域孔隙水壓力最高(圖10)。沿著斷層帶孔隙壓力逐漸減小，與上部高滲地層連接的斷層區(qū)域，孔隙水壓力變化趨勢較緩。斷層高孔隙水壓力顯示水力破壞區(qū)域的高滲透性，表明局部性貫通通道形成，進(jìn)一步影響儲層封閉性。但斷層內(nèi)部出現(xiàn)高孔隙水壓力的長度范圍有限，再次佐證了斷層出現(xiàn)水力破壞是局部的。此外沿斷層帶一定長度范圍內(nèi)都保持較高的孔隙水壓力，表明在長時間以及多階段較高注水壓力極端條件下，沿斷層出現(xiàn)高滲透性通道的可能性較大，存在流體沿著高滲透通道運移到上面含水層的風(fēng)險性，進(jìn)一步的研究應(yīng)關(guān)注長時間注水壓裂下斷層帶內(nèi)孔隙水壓力和滲透率的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。

圖10 監(jiān)測線1-斷層內(nèi)孔隙水壓力

斷層內(nèi)部巖石強(qiáng)度低，斷層破碎帶內(nèi)孔隙率和滲透率較高，并且注水壓力越高，流體遷移的速度越大，注水口附近的斷層區(qū)域流體擴(kuò)散的速度最高(圖11)。當(dāng)注水壓力達(dá)到最大時，斷層內(nèi)流速最大可達(dá)到2cm·s-1，流體快速逸散消耗水頭能量，影響了儲層的壓裂效率，也增加了流體上移擴(kuò)散并污染上覆巖層風(fēng)險。

圖11 監(jiān)測線1-斷層內(nèi)壓裂液流速

頂板巖層底部的孔隙壓力監(jiān)測結(jié)果表明，儲層注水壓裂使得水力破壞區(qū)域延伸較遠(yuǎn)，注水口相互影響，使得中間注水口100m處頂板底部孔隙壓力偏高(圖12)，另外斷層內(nèi)部較高的孔隙率和滲透率，使得斷層孔隙壓力升高。頂板的巖層底部孔隙壓力在注水壓力達(dá)到最大90MPa時，孔隙壓力已經(jīng)超過了50MPa，頂板巖層底部發(fā)生較大的變形破裂，導(dǎo)致儲層頂板封閉性能下降。

圖12 監(jiān)測線2-頂板底部孔隙水壓力

5 討 論

5.1 斷層水力破壞及其危險性評價

多物理場模擬分析得到儲層注水壓力較高時，儲層水力破壞區(qū)域能夠突破封閉頂?shù)装宓南拗?，斷層存在擴(kuò)大了儲層水力破壞的范圍，延伸了水力破壞高度，且斷層水力破壞高度是儲層水力破壞高度的兩倍左右，與前人的模擬結(jié)果相一致(趙海軍等， 2016)。斷層水力破壞不僅導(dǎo)致了儲層封閉性的改變，也影響儲層水力壓裂過程，能量損失使儲層水力壓裂難以形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫進(jìn)而降低頁巖氣開采價值。盡管在涪陵焦石壩頁巖氣儲層中，頂板以及上覆巖層的厚度較大，巖層比較致密，斷層內(nèi)水力破壞區(qū)域延伸不遠(yuǎn)，但很大程度上增加了流體泄露的風(fēng)險。同樣的水力破壞高度和范圍對于上覆巖層較薄的頁巖氣儲層會有更大的風(fēng)險(Verdon et al.，2013; Wang et al.，2016)，例如美國Marcellus頁巖氣田中儲層最淺埋深在地下500m(Jasechko et al.，2017)，而淺部含水層深度為200m，壓裂液沿斷層泄露污染淺部含水層風(fēng)險性更大。此外，在常規(guī)儲層勘探開采中，地下深部污染物運移到地表需要上萬年的時間，但頁巖儲層水力壓裂的流體擴(kuò)散運移時間同比將減少幾十年或幾百年，斷層或者斷裂帶的存在將進(jìn)一步減少時間，這對于地下水質(zhì)有重要影響，且這種影響應(yīng)該利用監(jiān)控系統(tǒng)來追蹤污染物和氣體的運移(Myers， 2013; Gassiat et al.， 2013)。

5.2 儲層封閉性改變和流體逸散可能性通道

注水壓裂導(dǎo)致斷層內(nèi)部出現(xiàn)局部的水力破壞，但難以形成大規(guī)?；破茐?，而流體可以在長時間范圍內(nèi)沿著破壞性高滲通道逃逸擴(kuò)散，因此流體向上逸散可能性通道的研究至關(guān)重要。

注水壓裂影響甚至嚴(yán)重破壞儲層封閉性，因復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件和施工工藝，儲層高壓流體存在多種可能性逸散通道。已有研究分析了深部壓裂液的泄漏途徑可能工況主要包括水力裂縫貫通井道或小斷層活化導(dǎo)致套管破裂，休眠斷層或斷裂的重新激活，水力裂縫貫通地質(zhì)體大尺度垂直構(gòu)造裂縫，封閉頂板和底板破裂，工程活動范圍內(nèi)已有鉆井或者廢棄未堵塞鉆井貫通，淺部水泥封堵環(huán)和套管破壞失效以及上覆高滲透巖層貫通斷層活化區(qū)域形成高滲透通道(李廷微等， 2015; Reagan et al.，2015； 馮雪磊等， 2016)。圖13展示了流體向上運移的情景概念圖：圖13a和圖13b展示斷層或大尺度斷裂影響下，流體可能上移通道。然而已有的研究包括本文研究結(jié)果表明，斷層出現(xiàn)大規(guī)模的活化引發(fā)破壞性大地震可能性很小，往往會在強(qiáng)度弱化的斷層構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)局部水力破壞區(qū)域，形成高滲透通道，當(dāng)連接上部高滲透性地層時，在長時間高水壓工況下，壓裂液擴(kuò)散上覆地層的可能性較高(圖13b)。圖13c顯示儲層水力裂縫向上突破儲層限制進(jìn)入封閉頂板，進(jìn)而貫通存在的構(gòu)造垂直裂縫，進(jìn)而形成流體逸散快速通道。但頁巖儲層具有自生自儲特點以及低滲致密的儲-蓋封閉體系特征(鄒才能等， 2015)，存在大規(guī)模構(gòu)造垂直裂縫可能性較小，而一些局部發(fā)育的裂縫或斷層等結(jié)構(gòu)面往往具有更低的滲透性，尤其是斷層核內(nèi)(陳建業(yè)等， 2012)，且水力壓裂改造區(qū)域往往遠(yuǎn)離通天斷裂帶。圖13d和圖13e分析了垂直井密封性喪失，圖13d破裂情景表明，水平鉆井的水力裂縫延伸到垂直鉆井，導(dǎo)致封堵水泥環(huán)功能失效，斷層、裂縫等結(jié)構(gòu)面存在導(dǎo)致垂直井壁在地應(yīng)力下剪切破壞，進(jìn)而導(dǎo)致套管損壞(張智等， 2019)，井壁對壓裂液以及頁巖氣封堵失效。淺部已破碎地層更容易發(fā)生水泥環(huán)封堵失效而產(chǎn)生壓裂液漏失(圖13e)，因淺部的上覆巖層往往存在較破碎地層并且淺部地層靠近地下含水層，而且已有的研究監(jiān)測表明含水層的壓裂液漏失來源于垂直鉆井淺部封堵失效的概率較大(Gallegos et al.，2015; Reagan et al.，2015)，因此相比深部斷層和高滲地層的流體漏失上移，淺部鉆井密封失效問題也應(yīng)給予更多關(guān)注。總的來說，儲層封閉性改變導(dǎo)致高壓流體向上覆地層運移，逸失擴(kuò)散路徑往往是高滲透性通道，除了基于地質(zhì)構(gòu)造背景和壓裂工況考慮貫通性通道，深部斷裂或者斷層破碎帶等通道的滲透率動態(tài)演化也是控制長時間高壓流體的擴(kuò)散高度和逃逸路徑的關(guān)鍵因素。

圖13 污染物向上運移通道的破壞情景

6 結(jié) 論

本文以商業(yè)化開采的頁巖氣藏為例，利用滲流場和應(yīng)力場耦合的數(shù)值方法來分析斷層影響下儲層水力壓裂過程。

一方面，水力壓裂過程中斷層會改變水力破壞區(qū)域形態(tài)并且擴(kuò)展了水力破壞空間。較高注水壓力導(dǎo)致儲層水力破壞區(qū)域擴(kuò)大到封閉頂板和封閉底板。儲層水力破壞區(qū)域明顯受到斷層影響，斷層內(nèi)部的水力破壞區(qū)域延伸了儲層水力破壞的高度，注水壓力達(dá)到最大時，斷層水力破壞的高度是儲層破壞高度的兩倍，破壞儲層密閉完整性。此外斷層水力破壞區(qū)域擴(kuò)展消耗了儲層水壓能量，導(dǎo)致儲層水力壓裂效率降低，影響頁巖儲層的壓裂改造。

另一方面，水力壓裂在斷層內(nèi)難以產(chǎn)生貫通性水力破壞區(qū)域，小地震事件可能性遠(yuǎn)大于破壞性地震出現(xiàn)。但孔隙壓力和壓裂液流動方向云圖結(jié)果顯示斷層內(nèi)部水力破壞區(qū)域與上部高滲透巖層貫通時，明顯加快了壓裂液和頁巖氣的逃逸速度，會增大有毒壓裂液污染上部地層的風(fēng)險，降低了頁巖氣資源經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值。因此后續(xù)研究應(yīng)持續(xù)關(guān)注可能性高滲逸散通道出現(xiàn)及其滲透性演化規(guī)律。