基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究-论文.pdf

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1、第25卷第4期天然气地球科学Vo1．25NO．42O14牟4月NATURAIGASGE0SCIENCEApr．2014蒜麓；蠢避氍瓣谢基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究程远方，常鑫，孙元伟，王欣(1．中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580；2．中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)摘要：针对页岩压裂属于脆性材料的裂缝扩展问题，从线弹性断裂力学理论出发，建立了水力裂缝与天然裂缝干扰判据以及新裂缝起裂角计算模型，并在此基础上编写了裂缝扩展计算程序，从地质和工程2个方面分析了页岩储层缝网延伸形态的受控因素。研究表明：在低水平主应力差和低逼近角的情况下，天然裂缝易

2、发生剪切破坏，迫使水力裂缝发生转向形成复杂裂缝网络；新裂缝起裂角与天然裂缝倾角、水平应力差以及缝内净压力密切相关；天然裂缝展布(倾角、距离)对缝口净压力、交会点处裂缝缝宽有重要影响；低黏度压裂液有利于增大天然裂缝的极限延伸距离，而较高的施工排量可以增大交会点处天然裂缝宽度，利于支撑剂通过弯曲段，减小桥堵现象的发生。研究成果对页岩储层压裂设计具有重要的理论参考价值。关键词：页岩储层；水力压裂；起裂角；缝网形态；受控因素中图分类号：TEl22．2．文献标志码：A文章编号：1672—1926(2014)04—0603—09引用格式：ChengYuanfang，ChangXin，SunYuanwei

3、，eta1．Researchonfracturenetworkpropa—gationpatternofshalereservoirbasedonfracturemechanics『J1．NaturalGasGeoscience，2014，25(4)：603—611．[程远方，常鑫，孙元伟，等．基于断裂力学的页岩储层缝网延伸形态研究[J]．天然气地球科学，2O14，25(4)：603—611．]0引言层进行压裂时多形成复杂裂缝网络；Gu等和周健等胡采用大尺寸真三轴实验系统，探讨了天然裂页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，近缝发育地层影响水力裂缝走向的宏观因素，发现水年来引起了国际能源界的广

4、泛关注]。与常规天力裂缝相交天然裂缝后主要存在穿过和转向2种基然气储层相比，页岩气储集层具有低渗、超低渗的特本延伸形态。Xu等口提出了表征页岩压裂复杂裂点，水平井多段清水压裂是开采页岩气的关键技缝形态的线网模型(Wire—meshMode1)，但是尚未术j。已有的压裂实践表明，页岩储层的水力裂缝建立判断准则，只是简单的将天然裂缝与人工裂缝呈现出非平面、多分支的复杂延伸模式_6。]，这与传以正交方式连接，难以模拟斜交等复杂裂缝形态。统压裂理论认为的对称平面双翼裂缝存在本质的区Warpinski等口通过矿场及室内实验发现，水力别。然而，由于页岩储层独特的地质、力学特征，目前对其压裂造缝机理及缝网

5、延伸形态影响因素尚未裂缝与天然裂缝发生干扰时，天然裂缝易发生剪切认识清楚，导致压裂设计与施工缺少科学依据]。破坏，给出了相应的判断准则，但未考虑水力裂缝的近年来，已有学者对页岩储层复杂裂缝网络的存在对天然裂缝壁面应力场的影响。形成机理进行了探讨。Beugelsdijk等_10]和Fisher本文基于页岩压裂属于脆性材料的裂缝扩展问等ll分别通过室内实验和矿场监测证实了页岩储题_1。，从线弹性断裂力学理论出发，建立了水力裂收稿日期：2Ol3一O8一O8；修回日期：2014—01—26．基金项目：“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号：201lZX05037—004)；教育部

6、长江学者和创新团队发展计划(编号：IRT1086)联合资助．作者简介：程远方(1964一)，男，黑龙江集贤人，教授，博士，主要从事岩石力学在石油工程中的应用研究．E—mail：yfcheng@126．corn．通讯作者：常鑫(1987一)，男，河南焦作人，博士研究生，主要从事裂缝性储层水力压裂裂纹扩展形态研究．E—mail：changxin7521@163．corn．604天然气地球科学Vo1．25缝与天然裂缝干扰判据以及新裂缝起裂角计算模的应力分布为：型，进而以经典的二维PKN模型为基础编写了页～+K1cosO(1-sin导sin萼)岩储层裂缝扩展计算程序，模拟了地应力、天然裂缝产状等地质

7、因素以及压裂液黏度、施工排量等工程+cos导(n孚)㈩因素对页岩储层缝网形成过程中穿过和转向2种基本延伸形态的影响。K1．030一m∞∞1模型建立及求解式中：K为工型裂缝尖端应力强度因子，MPa；1．1天然裂缝与水力裂缝的干扰判据r和为裂尖极坐标。Warpinski等H依据矿场实验结果分析认为，盯h水力裂缝的几何形态为宽度约6～9m的裂缝带，提』1L』』lII出了远井缝网的构想图(图1)，并指出缝网是水力裂缝