天然裂縫如何影響水力裂縫的形態(tài)

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1、.天然裂縫如何影響水力裂縫的形態(tài)ArashDahiTaleghani,JonE.Olson摘要：水力壓裂是公認(rèn)的在致密裂隙儲(chǔ)層中提高采收率的主要增產(chǎn)技術(shù)。壓裂作業(yè)常由震源誘導(dǎo)的微震事件繪制而成。在某些情況下，微震描繪很好地顯示了相對(duì)于注入井誘導(dǎo)裂縫的幾何形態(tài)的不對(duì)稱性。此外，傳統(tǒng)理論是沿著垂直于原位壓應(yīng)力的方向來預(yù)測(cè)裂縫傳播路徑的，但是在一些情況下，微地震數(shù)據(jù)表明裂縫是平行于最小壓應(yīng)力方向傳播的。在本文中，我們提出了一種擴(kuò)展有限元模型法（XFEM），該模型可以模擬非對(duì)稱裂縫翼的生長以及沿著天然裂縫發(fā)生的裂縫生長路徑的轉(zhuǎn)折。模擬結(jié)果表明了裂縫形態(tài)對(duì)差異應(yīng)力以及對(duì)相對(duì)于原

2、位最大壓應(yīng)力的天然裂縫方位的靈敏度。我們研究了在地層（如巴內(nèi)特頁巖）中常見的封閉天然裂縫的特性，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀豢赡茏鳛樗毫训牧芽p開始或轉(zhuǎn)折的薄弱路徑。本文提出的模型預(yù)測(cè)出裂縫在構(gòu)造應(yīng)力方向與天然裂縫方位一致的地層中傳播得更快。...1引言水力壓裂是提高油氣產(chǎn)量、開采地?zé)崮茉春臀ｋU(xiǎn)固體廢物處理的一種常用技術(shù)。自其第一次在堪薩斯西部的雨果頓氣田使用后（Howard和Fast，1970），水力壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)。近年來其應(yīng)用領(lǐng)域包括非常規(guī)頁巖氣藏，其中福特沃斯盆地巴內(nèi)特頁巖地層是一個(gè)值得注意的例子。巴內(nèi)特頁巖是一套層狀硅質(zhì)泥巖夾碳酸鹽巖結(jié)核的地層（Loucks和

3、Ruppel，2007），天然裂縫在地層中發(fā)育良好。天然裂縫具有很小開度（小于0.05毫米），一般由方解石充填封閉（Gale等，2007）。那些開啟的裂縫可能是構(gòu)造古應(yīng)力、差異壓實(shí)、褶皺局部效應(yīng)或大斷層以及與地下巖溶相關(guān)聯(lián)的凹陷導(dǎo)致的。在大多數(shù)情況下，頁巖氣的成功開采需要水力壓裂技術(shù)連通天然裂縫系統(tǒng)，增加井筒的有效表面積，用更高效的線性流來支配徑向流。水力裂縫與天然裂縫的相互作用的課題在油田現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室以及數(shù)值模擬中都進(jìn)行了研究。Warpinski和Teufel（1987）描述了礦物支撐實(shí)驗(yàn)，其中水力裂縫沿節(jié)理凝灰?guī)r傳播。由于流體沿預(yù)先存在的裂縫系統(tǒng)（節(jié)理和斷層）流動(dòng)

4、，由此產(chǎn)生的幾何形態(tài)是多股的、非平面的。多股裂縫在致密氣砂巖巖心中能觀察到（Warpinski等，1993），這表明復(fù)雜水力裂縫在致密氣砂巖的垂直井處理過程中生長。近年來，微震技術(shù)已成為一種常用的方式來繪制誘導(dǎo)裂縫，為復(fù)雜水力裂縫的幾何形狀和水力裂縫與天然裂縫系統(tǒng)的相互作用研究提供可能（Li等，1998；Rutledge和Phillips，2003）。Waters等人（2006）顯示了微震事件在巴內(nèi)特頁巖分階段水力壓裂處理中是如何涵蓋一個(gè)巨大的巖石單元、并沿預(yù)期的水力壓裂裂縫方向延伸幾百到幾千英尺以及沿垂直正交方向延伸幾百英尺的。Fisher等人（2002）將其他巴內(nèi)

5、特微震數(shù)據(jù)解釋為受先前存在的裂縫影響的不同方向的多段水力壓裂裂縫的傳播。另外，巖心調(diào)查已證實(shí)水力裂縫可以沿先存的天然裂縫改向，也可以支撐先存的天然裂縫（Lan-caster等，1992；Hopkins等，1998）。Teufel（1979）、Blanton（1982）、Renshaw和Pollard（1995）以及Gu等人（2011）通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究了不同角度的摩擦界面并在各種應(yīng)力條件下確定其對(duì)裂縫傳播阻滯或轉(zhuǎn)向的影響。研究表明，穿越交叉、轉(zhuǎn)向和偏轉(zhuǎn)（Jeffrey等，2009）是可能的結(jié)果。數(shù)值分析研究也同樣關(guān)注水力裂縫與無粘性摩擦界面之間的相互作用（Zhang等

6、，2007；Jeffrey等，2009；Chuprakov等，2011；Weng等，2011）。水力裂縫與封閉的、膠結(jié)的天然裂縫之間的相互作用可能導(dǎo)致三種不同的傳播路徑（圖1）。在第一種情形中（圖1b...），天然裂縫無影響，水力裂縫在平面中的傳播沒有中斷，保持垂直于最小水平應(yīng)力的方向。斷裂交叉可能是天然裂縫中的高強(qiáng)度膠結(jié)物（相對(duì)于基質(zhì)強(qiáng)度）、不利的天然裂縫方位或壓裂壓力不足以克服垂直于天然裂縫的應(yīng)力的結(jié)果。在第二種情形中（圖1c），當(dāng)水力壓裂裂縫與天然裂縫相交時(shí)，水力裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流體完全轉(zhuǎn)向天然裂縫系統(tǒng)。天然裂縫開啟是因?yàn)樗尸F(xiàn)出水力裂縫徑直向前沿阻力最小的路徑傳

7、播，也可能是因?yàn)樘烊涣芽p膠結(jié)強(qiáng)度小于均質(zhì)巖體的巖石強(qiáng)度。DahiTaleghani和Olson（2011）利用Nuismer（1975）關(guān)系式從理論上證明斜（非正交）相交轉(zhuǎn)向只會(huì)沿著遠(yuǎn)離主水力壓裂裂縫的某一方向（如圖1c所示）。但是，如果裂縫膠結(jié)的韌性強(qiáng)烈取決于裂縫開啟模式（?）與剪切模式（??）的應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）的比值，那么雙分支現(xiàn)象則可能發(fā)生。該觀點(diǎn)由He和Hutchinson（1989）提出，他們用相角來量化SIF比值，相角定義為模式I與模式II的應(yīng)力強(qiáng)度因子比值SIF的正切[φ=tan(KI/KII)]。實(shí)驗(yàn)觀察到的水力裂縫與膠結(jié)天然裂