層理特征對油頁巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律影響的數(shù)值模擬研究

李彥偉，朱超凡，曾壹堅，水浩澈，范存翰，郭 威

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026；2.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，吉林 長春 130026；3.頁巖油氣資源勘探開發(fā)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，吉林 長春 130026；4.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林 長春 130026)

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)質(zhì)沉積巖，低溫干餾可獲得油頁巖油，我國油頁巖地質(zhì)資源量巨大，開采潛力巨大，是保障我國能源安全的重要戰(zhàn)略資源[1]。油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)油頁巖綠色無污染，高效開發(fā)，商業(yè)化發(fā)展的核心技術(shù)[2]。但是，油頁巖的低滲透性、低導(dǎo)熱性和低含油率，給其地下原位轉(zhuǎn)化開采帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)[3]。吉林大學(xué)通過水力壓裂技術(shù)和高效加熱技術(shù)在吉林農(nóng)安和扶余開展油頁巖原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗工程[4]。水力壓裂是油頁巖實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)核心技術(shù)，油頁巖水力壓裂技術(shù)不同于頁巖砂巖等儲層壓裂，油頁巖水力壓裂旨在形成一種適合于油頁巖原位轉(zhuǎn)化的“高效加熱裂解縫網(wǎng)”，為油頁巖提供高效加熱條件以及滲流傳熱通道。

針對層理面對水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律影響問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者主要從層理面對水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究[5-7]。水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律由原地應(yīng)力狀態(tài)和層理面屬性共同決定，層理方向是水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的主控因素[8]。層理面的弱膠結(jié)作用，在平行層理方向阻止裂紋擴(kuò)展能力較弱，在垂直層理方向阻止裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)[9]。較弱膠結(jié)強(qiáng)度、較大結(jié)構(gòu)面張開度、較低水地應(yīng)力差、較低排量能夠激活層理面，易形成縫網(wǎng)[10-11]。層理間距、井筒方位角、壓裂參數(shù)等也影響對水力裂縫擴(kuò)展行為[12]。綜上所述，前人的研究主要集中在層理面膠結(jié)強(qiáng)度、層理方向、層間間距、水平應(yīng)力差以及壓裂液排量和壓裂液黏度等對水力裂縫擴(kuò)展影響。主要考慮頁巖砂巖的壓裂，其壓裂目標(biāo)是形成體積改造，增大泄油面積。

水力壓裂數(shù)值模擬方法方面，有限元法可用于水力裂縫層內(nèi)[13]和層間的[14-16]擴(kuò)展規(guī)律，認(rèn)為水平地應(yīng)力差和界面強(qiáng)度增加會增大層理面開啟難度，增加壓裂液黏度和垂向應(yīng)力，提高壓裂液注入速度，有利于裂縫擴(kuò)展高度延伸。黏聚力單元法主要是在有限元模型基礎(chǔ)上建立黏聚力模型[17]，可用于研究層理面，隨機(jī)天然裂縫等黏聚力材料屬性[18]對水力壓裂參數(shù)影響。認(rèn)為影響天然裂縫網(wǎng)絡(luò)控制的主要因素是天然裂縫初始水力寬度和地應(yīng)力場[13]，離散元法用于描述微觀顆粒之間的相互作用[19]，可以建立考慮力學(xué)各向異性水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型，可分析層理密度、層理強(qiáng)度、壓裂工程參數(shù)對水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響[20]，采用前置高黏度/后置低黏度壓裂液交替注入壓裂工藝可最大限度提高壓裂裂縫復(fù)雜程度[21]。此外還有相法場[22]和邊界元[23]等方法。綜上所述，數(shù)值模擬技術(shù)主要基于有限元、邊界元、黏聚力單元法、離散元和相法場等，前人針對層理面研究采取黏聚力單元cohesive的方法主要是在模擬過程中在儲層巖石中插入一層cohesive 單元來表征層理，并不能真實(shí)反映水力裂縫沿任意路徑擴(kuò)展。同時一層cohesive 單元忽略了層理面本身厚度問題。

為此，筆者以鄂爾多斯盆地旬邑地區(qū)油頁巖為研究對象，構(gòu)建應(yīng)力-損傷-滲流的水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型，基于全局FEM-CZM(Finite Element Method-Cohesive Zone Method)方法開展數(shù)值模擬實(shí)驗研究，探究層理厚度、層理間距、地應(yīng)力場對水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響，以期為油頁巖水力壓裂工藝設(shè)計提供依據(jù)。

1 研究區(qū)選取與地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地南部旬邑地區(qū)油頁巖層理發(fā)育，地應(yīng)力場分布不規(guī)律，油頁巖整體呈NE-SW 向分布，東西長約74 km，南北寬約27.5 km，面積約為1 496 km2[24]。鄂爾多斯盆地油頁巖地層為上三疊統(tǒng)延長組和侏羅系延安組、安定組，是鄂爾多斯盆地內(nèi)陸湖盆形成后的第一套自生自儲油頁巖層系，也是油頁巖發(fā)育的主要層系[25-26]。旬邑油頁巖主要賦存于三疊系延長組第二巖性段下部，埋深0～500 m，厚度5.74～12.49 m，平均厚度10.07 m[27]?；谑覂?nèi)實(shí)驗，油頁巖礦物組成主要為陸源碎屑礦物、黏土礦物、少量碳酸鹽礦物和其他礦物。陸源碎屑礦物主要為石英和長石，碳酸鹽礦物主要為方解石，其他礦物主要為黃鐵礦，見表1。目標(biāo)地區(qū)的油頁巖含油率為6.0%，屬于中含油率油頁巖，成熟度為0.66 %，滲透率為0.013×10-3μm2，孔隙率為2.149 %，目標(biāo)區(qū)域油頁巖層理發(fā)育，層理厚度平均在0～3 mm，層間距為0～25 mm，如圖1 所示。

表1 旬邑油頁巖地質(zhì)特征和礦物組成Table 1 Geological characteristics and mineral composition of oil shale in the Xunyi area

2 黏聚力單元法模擬水力壓裂理論

黏聚力單元法可模擬水力壓裂過程，水力壓裂過程中，壓裂液進(jìn)入膠結(jié)面如果超過巖石的膠結(jié)強(qiáng)度，膠結(jié)面逐漸被打開，膠結(jié)面打開過程遵循牽引-分離損傷準(zhǔn)則和損傷演化理論。在此過程中膠結(jié)面中一部分壓裂液沿著膠結(jié)面進(jìn)行流動，一部分濾失到地層中。全局黏聚力單元法主要是基于ABAQUS 有限元軟件，通過二次開發(fā)技術(shù)在每個基礎(chǔ)單元外邊界批量嵌入黏聚力單元，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)水力裂縫在網(wǎng)格邊界上沿任意路徑擴(kuò)展。同時多層黏聚力單元在平面內(nèi)所構(gòu)成的一個封閉面體系，可定量表征層理厚度屬性。因此，本文采取全局黏聚力單元FEM-CZM[28-31]數(shù)值模擬法。

2.1 線彈性牽引-分離準(zhǔn)則

研究過程中，假定cohesive 黏結(jié)單元開始出現(xiàn)損傷時和損傷演化前，其承受的應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系，如下式所示，所對應(yīng)的牽引-分離過程曲線如圖2 所示。

圖2 典型的牽引-分離曲線Fig.2 A typical traction-separation curve

式中：σ為應(yīng)力矢量，MPa；σn、σs、σt分別為法向應(yīng)力、第一切向應(yīng)力、第二切向應(yīng)力，MPa；K為彈性剛度矩陣；GPa；?為應(yīng)變矢量；?n、?s、?t分別為法向應(yīng)變、第一切向應(yīng)變、第二切向應(yīng)變；E為彈性模量，GPa。

2.2 裂縫初始損傷準(zhǔn)則

目前，軟件ABAQUS 常用的水力壓裂損傷準(zhǔn)則有4 種：最大名義應(yīng)力損傷準(zhǔn)則、最大名義應(yīng)變損傷準(zhǔn)則、二次應(yīng)力損傷準(zhǔn)則和二次應(yīng)變損傷準(zhǔn)則，本模型采用的是最大名義應(yīng)力損傷準(zhǔn)則：

2.3 裂縫損傷演化準(zhǔn)則

cohesive 黏結(jié)單元滿足初始損傷準(zhǔn)則后，損傷演化準(zhǔn)則是描述材料剛度退化速率。損傷變量D代表材料整體損傷，并考慮所有演化方式的綜合作用。初始損傷值為0，此時材料沒有發(fā)生損傷。定義了損傷演化模式之后形成損傷，隨著荷載的持續(xù)進(jìn)行，損傷變量D按照相應(yīng)損傷模式逐漸演化到1，此時材料剛度完全退化，形成破壞。

若考慮采用線性的位移損傷演化模式，ABAQUS軟件中使用的損傷演化可簡化為：

2.4 水力壓裂縫內(nèi)流體流動理論

cohesive 單元縫內(nèi)流體的流動主要分為沿著裂縫方向的徑向流動以及法向的流動，如圖3 所示。

圖3 Cohesive 黏結(jié)單元流體流動Fig.3 Schematic diagram showing fluid flow in cohesive zones

流體沿著cohesive 單元徑向流動的計算公式為：

流體沿著cohesive 單元法向流動的計算公式為：

式中：q為縫內(nèi)流量，m3/s；qt為流入頂部表面流量，m3/s；qb為流入底部表面流量，m3/s；d為cohesive 黏結(jié)單元的寬度，m；μ為壓裂液黏度，Pa·s；Δp為cohesive 黏結(jié)單元壓力梯度，MPa；ct、cb為cohesive 單元上下表面的濾失系數(shù)，m2/s；pf為cohesive 單元內(nèi)壓裂流體壓力，MPa；pt為cohesive 單元上表面孔隙壓力，MPa；pb為cohesive 單元下表面孔隙壓力，MPa。

3 裂縫擴(kuò)展數(shù)值模型建立與驗證

3.1 數(shù)值模型建立

模型建立過程主要是基于FEM-CZM 方法，建立全局黏聚力單元，通過自主研究的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在連續(xù)介質(zhì)網(wǎng)格內(nèi)添加一層cohesive 單元層，賦予cohesive 層理-基質(zhì)2 種不同面屬性。模型尺寸大小為0.1 m×0.1 m，在中心位置模擬注水孔，其半徑為2 mm，層理的傾角為0°，層理厚度的大小設(shè)置為0、1、2、3 mm。層理間距的大小設(shè)置為6、10、16、20 mm。如圖4 所示，其中X軸平行于σh(最小水平主應(yīng)力)，Y軸平行于σH(最大水平主應(yīng)力)，Z軸平行于σV(垂向主應(yīng)力)，地應(yīng)力場數(shù)據(jù)參考王永煒等[32]對鄂爾多斯盆地陸相中生界頁巖氣儲層地應(yīng)力測試結(jié)果，應(yīng)力場(σh、σH、σV)大小分別為(8、9、9 MPa)、(8、9、10 MPa)、(8、9、12 MPa)、(8、9、13 MPa)，模型整體采用有效應(yīng)力和超靜水壓力原理，所對應(yīng)的孔壓邊界為0，其中模型在X方向與Z方向采用固定約束自由度，約束自由度為0，XOZ平面內(nèi)的自由度不被約束。

圖4 油頁巖水力壓裂數(shù)值模型Fig.4 A numerical model for hydraulic fracturing of oil shale

數(shù)值模型巖石基質(zhì)和層理面的力學(xué)參數(shù)可參考鄂爾多斯盆地南部馬泉油頁巖巖石力學(xué)參數(shù)[33]，相關(guān)結(jié)果見表2。

表2 水力壓裂模型相關(guān)參數(shù)[33]Table 2 Related parameters of the hydraulic fracturing model[33]

3.2 數(shù)值模型的驗證

為了驗證數(shù)值模型的可靠性，以孫可明等[34]開展的頁巖層理方位及強(qiáng)度對水力壓裂影響的實(shí)驗為基礎(chǔ)，模擬在同一條件下的裂縫擴(kuò)展路徑。數(shù)值模型的尺寸與原物理模擬試驗保持一致，為400 mm×400 mm，最大水平主應(yīng)力為X方向(4 MPa)，最小水平主應(yīng)力Y方向(2 MPa)，層理的傾角為20°。驗證模型所用的參數(shù)為：基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度0.775 MPa，層理的抗拉強(qiáng)度為0.344 MPa。

圖5 為數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果裂縫擴(kuò)展路徑對比。其中圖5a 為建立的幾何模型，圖5b 為數(shù)值模擬結(jié)果，圖5c 為引文試驗結(jié)果。從圖5 可以看出數(shù)值模擬和試驗結(jié)果裂縫擴(kuò)展路徑基本一致，裂縫擴(kuò)展規(guī)律基本吻合。說明采用全局FEM-CZM 方法模擬水力裂縫擴(kuò)展路徑的可靠性。

圖5 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果裂縫擴(kuò)展路徑對比Fig.5 Comparison of fracture propagation paths derived from numerical simulations and experimental results

4 結(jié)果與討論

4.1 模擬結(jié)果分析

4.1.1 裂縫擴(kuò)展過程形態(tài)

圖6 為層理厚度2 mm、層理間距10 mm、應(yīng)力場(σh、σH、σV)大小為(8、9、10 MPa)不同模擬時刻油頁巖水力裂縫在基質(zhì)中的擴(kuò)展情況和層理打開程度變化結(jié)果。根據(jù)水力裂縫在基質(zhì)-層理中的相互作用關(guān)系，可將水力裂縫的延伸過程分為3 個階段。第一階段：當(dāng)注入時間為0～0.125 s 時，水力裂縫在兩層理面間的基質(zhì)中擴(kuò)展，隨著壓裂液的持續(xù)注入，水力裂縫沿著垂向進(jìn)行擴(kuò)展，裂縫的延伸長度和寬度持續(xù)增加，如圖6a 所示。第二階段：當(dāng)注入時間為0.125～0.300 s時，水力裂縫與層理面接觸，穿透層理面在基質(zhì)中擴(kuò)展，裂縫的延伸長度和寬度緩慢增加，如圖6b 所示。第三階段：當(dāng)注入時間為0.300～10.000 s 時，水力裂縫逐漸開啟層理面，沿著層理面進(jìn)行擴(kuò)展，伴隨著注入壓力升高，層理面完全被打開，且穿透層理面的水力裂縫寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沿著層理面打開的寬度，如圖6c 所示。

圖6 不同階段下水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.6 Morphologies of hydraulic fracture propagation at different stages

4.1.2 裂縫擴(kuò)展過程參數(shù)

進(jìn)一步分析水力裂縫與層理面相互作用過程中參數(shù)，研究中提取了注入點(diǎn)的壓力、裂縫長度和水力裂縫擴(kuò)展過程中層理溝通面積[35]曲線。如圖7 所示，分析注入點(diǎn)壓力曲線，當(dāng)注入時間為0.05 s 時，儲層基質(zhì)巖石開始發(fā)生破壞，對應(yīng)注入壓力為11.11 MPa；當(dāng)注入時間為0.125 s 時，水力裂縫與層理面接觸，并未產(chǎn)生相互作用，形成局部憋壓，此時對應(yīng)的壓力達(dá)到最大值15.71 MPa；當(dāng)注入時間為0.17 s 時，水力裂縫與層理面之間發(fā)生相互作用，開始部分穿透層理面，并伴隨著層理面開啟；當(dāng)注入時間為0.3 s 時，水力裂縫在層理面中延伸，對應(yīng)注入點(diǎn)壓力降低到6.5 MPa；當(dāng)注入時間為0.63 s 時，水力裂縫完全打開層理面，隨著時間的增長，注入壓力逐漸降至0 MPa。進(jìn)一步分析裂縫長度和層理溝通面積，隨著注入時間的增加，裂縫長度和層理溝通面積逐漸增加，當(dāng)注入時間段為0～0.3 s 時，裂縫長度增加趨勢大于層理溝通面積的，其主要原因是此階段對應(yīng)開啟層理面的水力裂縫寬度較小。當(dāng)注入時間大于0.3 s，水力裂縫逐漸開啟層理面，裂縫寬度持續(xù)增加，層理溝通面積增加趨勢大于裂縫長度增加趨勢。當(dāng)注入時間為0.63 s 時，水力裂縫已經(jīng)完全打開層理面，裂縫長度和層理溝通面積趨于穩(wěn)定，不再增加。

圖7 水力壓裂過程參數(shù)隨注入時間變化Fig.7 Changes in parameters of hydraulic fracturing process with injection time

4.2 影響因素分析

為進(jìn)一步研究層理面對水力裂縫擴(kuò)展的影響，分別設(shè)計了3 種實(shí)驗方案，研究層理厚度、層理間距、地應(yīng)力場對水力裂縫擴(kuò)展的影響。

4.2.1 層理厚度

基于本文建立的水力壓裂模型，在保持其他參數(shù)不變的條件下，研究在地應(yīng)力場(8、9、10 MPa)，層理間距10 mm，層理厚度0、1、2 和3 mm 條件下水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律，層理厚度0 mm 指的是層理面沒有厚度屬性，但是有膠結(jié)強(qiáng)度等屬性。模擬結(jié)果如圖8 所示。當(dāng)層理厚度為0 mm 時，水力裂縫與層理面交匯后沿著層理面擴(kuò)展，裂縫寬度達(dá)到最大值；當(dāng)層理厚度為1 mm 時，水力裂縫與層理面交匯后沿著層理面擴(kuò)展，裂縫的長度明顯增加；當(dāng)層理厚度為2 mm 時，水力裂縫與層理面交匯后在垂向上有微小的擴(kuò)展，并最終沿著層理面進(jìn)行擴(kuò)展；當(dāng)層理厚度為3 mm 時，水力裂縫與層理面交匯后沿著層理面擴(kuò)展，裂縫寬度明顯降低。因此，較大層理厚度導(dǎo)致水力裂縫沿層理面擴(kuò)展傾向更強(qiáng)，而沿垂直方向擴(kuò)展相對較弱。

圖8 層理厚度對水力裂縫擴(kuò)展的影響Fig.8 Effects of bedding plane thickness on hydraulic fracture propagation

進(jìn)一步研究層理厚度對水力裂縫的破壞類型、裂縫長度、層理溝通面積的影響。如圖9 所示，裂縫的破壞類型以張拉破壞為主，當(dāng)層理厚度為0 mm 時張拉破壞比例最高，這是因為此時所對應(yīng)巖石材料內(nèi)部顆粒分子之間相互連接較弱，更容易達(dá)到層理的抗拉強(qiáng)度，發(fā)生張拉破壞；當(dāng)層理厚度為1、2 和3 mm 時，隨著層理厚度增加，張拉破壞比例增加，其主要原因是地應(yīng)力場對層理弱面有壓實(shí)作用，層理越厚，壓實(shí)作用就越弱，層理的黏聚力越小，發(fā)生張拉破壞的比例越高。隨著層理厚度增加，裂縫長度和層理溝通面積增加。這是因為水力裂縫均未能突破層理面，垂向方向裂縫擴(kuò)展受到限制，層理越厚，層理面對水力裂縫攔截作用越強(qiáng)，水力裂縫在層理面中擴(kuò)展空間越大，水力裂縫擴(kuò)展路徑更長，更有利于開啟層理面，所對應(yīng)的層理溝通面積越大。

圖9 不同層理厚度下水力裂縫擴(kuò)展結(jié)果Fig.9 Hydraulic fracture propagation under different bedding plane thicknesses

4.2.2 層理間距

進(jìn)一步研究地應(yīng)力場(8、9、10 MPa)，層理厚度2 mm，層理間距8、10、16 和20 mm 條件下水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果如圖10 所示，當(dāng)層理間距為8 mm 時，水力裂縫直接貫穿層理面沿著縱向擴(kuò)展，層理面未被打開；當(dāng)層理間距為10、16 和20 mm 時，水力裂縫均沿著層理面進(jìn)行擴(kuò)展，這是因為層理間距主要影響水力裂縫到達(dá)層理面的時間，較大的層理間距意味著壓裂液需要更長的距離從起裂位置擴(kuò)展到層理面，從而增加了裂縫擴(kuò)展的阻力。

圖10 層理間距對水力裂縫擴(kuò)展的影響Fig.10 Effects of bedding plane spacing on hydraulic fracture propagation

結(jié)合圖11 可知：對比裂縫破壞類型，層理間距為8 mm，張拉破壞比例較高，其主要原因水力裂縫直接穿透層理面在基質(zhì)中擴(kuò)展，在基質(zhì)中擴(kuò)展時間較長，以張拉破壞為主；對比層理間距10、16 和20 mm，隨著層理間距增加，張拉破壞的比例整體上增加，一方面原因是水力裂縫在基質(zhì)中擴(kuò)展時間增加，另一方面原因是較大的層理間距意味著流體抵達(dá)層理面時能量降低。對比裂縫長度和層理溝通面積，層理間距為8 mm 時，裂縫長度最長，但并未能溝通層理面，所對應(yīng)層理溝通面積為0。隨著層理間距增加，裂縫長度和層理溝通面積均增加，裂縫長度一方面受層理間距影響，另一方面層理間距增加導(dǎo)致水力裂縫沿著層理面有多條擴(kuò)展路徑，造成裂縫長度增加，同時隨著層理間距的增加，造成的水力裂縫開啟層理面寬度也增加，所對應(yīng)的層理溝通面積增加。這表明層理間距越大，水力裂縫溝通的層理面積越大，越有利于體積改造。

圖11 不同層理間距下水力裂縫擴(kuò)展結(jié)果Fig.11 Hydraulic fracture propagation under different bedding plane spacings

4.2.3 地應(yīng)力場

為分析地應(yīng)力場對水力裂縫擴(kuò)展的影響，開展了層理厚度2 mm、層理間距10 mm 條件下，應(yīng)力場(σh、σH、σV)大小分別為(8、9、9 MPa)、(8、9、10 MPa)、(8、9、12 MPa)、(8、9、13 MPa)，對應(yīng)垂向地應(yīng)力差(Δσ=σV-σh)為1.0、2.0、4.0 和5.0 MPa 條件下水力裂縫擴(kuò)展動態(tài)模擬，結(jié)果如圖12 所示。當(dāng)垂向地應(yīng)力差為1.0 MPa 時，水力裂縫未能穿透層理面，沿著層理面擴(kuò)展；當(dāng)垂向地應(yīng)力差為2.0 和4.0 MPa 時，水力裂縫少部分穿透層理面，大部分沿著層理面擴(kuò)展；當(dāng)垂向地應(yīng)力差為5.0 MPa 時，水力裂縫直接穿透層理面在基質(zhì)中擴(kuò)展。這是因為地應(yīng)力場決定裂縫擴(kuò)展方向，垂向地應(yīng)力差越大，垂向應(yīng)力會對層理有壓實(shí)作用，導(dǎo)致層理面的黏聚力增大，進(jìn)而增大水力裂縫沿著層理面擴(kuò)展阻力，導(dǎo)致裂縫更容易穿透層理面擴(kuò)展。

圖12 垂向地應(yīng)力差對水力裂縫擴(kuò)展影響Fig.12 Effects of vertical in-situ stress difference on hydraulic fracture propagation

結(jié)合圖13 可知，當(dāng)垂向地應(yīng)力差為1.0、2.0 和4.0 MPa 時，隨著垂向地應(yīng)力差增加，張拉破壞比例下降，其主要原因是以上3 種情況水力裂縫均未穿透層理面，垂向地應(yīng)力差越大，對層理面壓實(shí)作用越強(qiáng)，盡管壓裂液可以進(jìn)入層理面，但是在層理面中擴(kuò)展存在較大阻力，因此發(fā)生張拉破壞比例下降，剪切破壞比例增大。垂向地應(yīng)力差為5.0 MPa 時，水力裂縫直接穿透層理面，發(fā)生張拉破壞。對比裂縫長度和層理溝通面積，當(dāng)垂向地應(yīng)力差為1.0、2.0 和4.0 MPa 時，隨著垂向地應(yīng)力差的增加，裂縫長度和層理溝通面積增加，這是因為垂向地應(yīng)力差越大，水力裂縫在層理面中擴(kuò)展受阻，所造成裂縫擴(kuò)展形態(tài)多發(fā)生彎曲、分支的情況，整體上呈現(xiàn)增加的趨勢；當(dāng)垂向地應(yīng)力差為5.0 MPa時，水力裂縫穿透層理面，所對應(yīng)裂縫長度最小。

圖13 不同垂向地應(yīng)力差下水力裂縫擴(kuò)展結(jié)果Fig.13 Hydraulic fracture propagation under different vertical in-situ stress differences

5 結(jié)論

a.層理厚度、層理間距越大，裂縫破壞類型以張拉破壞為主，對應(yīng)裂縫長度和層理溝通面積越大；垂向地應(yīng)力差較大時，裂縫破壞類型以張拉破壞為主，對應(yīng)裂縫長度和層理溝通面積較小。

b.基于上述認(rèn)識，建議在壓裂施工選址方面選擇層理厚度較大，層理間距較大，垂向地應(yīng)力場較小的區(qū)域，更有利于水力裂縫溝通層理面，增大改造體積形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

c.本次實(shí)驗揭示了考慮層理厚度情況下油頁巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，下一步開展考慮壓裂縫網(wǎng)下的油頁巖原位轉(zhuǎn)化開發(fā)效果模擬，為油頁巖原位轉(zhuǎn)化工藝提供指導(dǎo)。