頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析_趙金洲

1、西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2013年2月第35卷第1期JournalofSouthwestPetroleumUniversity（Science&TechnologyEdition）Vol.35No.1Feb.2013文章編號(hào)：1674–5086（2013）01–0001–09DOI：10.3863j.issn.1674–5086.2013.01.001中圖分類(lèi)號(hào)：TE357文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A專(zhuān)家論壇頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析

2、趙金洲，任嵐，胡永全“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川成都610500摘要：壓裂實(shí)踐表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層的水力裂縫呈現(xiàn)出非平面、多分支的復(fù)雜延伸模式，這與傳統(tǒng)壓裂理論認(rèn)為的對(duì)稱(chēng)平面雙翼裂縫從形成機(jī)理上存在本質(zhì)的區(qū)別?；谑覂?nèi)實(shí)驗(yàn)、礦場(chǎng)壓裂實(shí)踐、理論分析和數(shù)值模擬等研究成果，系統(tǒng)分析了頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素。研究表明：頁(yè)巖儲(chǔ)層的裂縫延伸形態(tài)受到地質(zhì)因素和工程因素的雙重作用，從儲(chǔ)層地質(zhì)屬性上看，巖石的脆性礦物含量越

3、高、巖石的力學(xué)彈性特征越強(qiáng)、水平應(yīng)力差越小以及天然裂縫越發(fā)育，越有利于壓裂縫的成網(wǎng)延伸與擴(kuò)展；從壓裂作業(yè)的工程條件上來(lái)說(shuō)，施工凈壓力越高、壓裂液流體黏度越低以及壓裂規(guī)模越大，越有利于形成充分?jǐn)U展的縫網(wǎng)。該研究對(duì)認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展機(jī)理以及提高頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)的科學(xué)性具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：頁(yè)巖；縫網(wǎng)；脆性礦物；天然裂縫；凈壓力ControllingFactsofHydraulicFracturesExtendinginto

4、wkinShaleFmationsZhaoJinzhouRenLanHuYongquanStateKeyLabatyofOilGasReservoirGeologyExploitation，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu，Sichuan610500，ChinaAbstract：Fracturingpracticeshowsthathydraulicfracturesinshalereservoi

5、rpresentcomplexextendingmodelsofnonplanarmultiplebranches，whichisessentiallydifferentfromtraditionalsymmetryplanebiwingfracturesinfmingmechanism.Basedontheresearchresultsofindoexperiments，fieldfracturingpractice，theyanal

6、ysisnumericalsimulationetc，thispaperhassystematicallyanalyzedthecontrollingfactsofhydraulicfracturesextendingintowkinshalefmations.Researchshowstheextendingshapeoffracturesinshalereservoirisinfluencedbybothgeologicalfact

7、sengineeringfacts：accdingtoreservoirgeologicalattributes，higherbrittlemineralcontentsofrock，strongerelasticacteristicofrockmechanicalproperties，smallerhizontaldifferentialstressbetterdevelopednaturalfractureswillbeconstr

8、uctivetobetterextensionpropagationfhydraulicfracturesextendingintowk；accdingtoengineeringconditionsoffracturingoperations，higheroperationpressure，lowerfluidviscositylargerfracturingscalewillbemehelpfultothefmationoffully

9、propagatedfracturewk.Thisstudyhasimptanttheeticalvaluepracticalsignificancetotheunderstingofshalereservoirfracturewkpropagationmechanismcanimprovethescienceofshalereservoirfracturingdesign.Keywds：shale；fracturewk；brittle

10、mineral；naturalfractures；pressure網(wǎng)絡(luò)出版地址：：kcmsdetail51.1718.TE.20130122.2043.006.html趙金洲，任嵐，胡永全頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析[J]西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，35（1）：1–9ZhaoJinzhouRenLanHuYongquanControllingFactsofHydraulicFracturesExtendinginto

11、wkinShaleFmations[J]JournalofSouthwestPetroleumUniversity：Science&TechnologyEdition，2013，35（1）：1–9收稿日期：2012–12–19網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013–01–22基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05014）；中海油“十二五”重大專(zhuān)項(xiàng)“海上低滲油藏有效開(kāi)發(fā)模式、方法與適用技術(shù)研究”；中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金“石油與天然氣工程國(guó)

12、家一級(jí)學(xué)科”。第1期趙金洲，等：頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析3儲(chǔ)層的天然裂縫越發(fā)育，在水力壓裂外力作用下越易形成誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于頁(yè)巖氣開(kāi)采。而高粘土礦物含量的頁(yè)巖塑性強(qiáng)，水力壓裂時(shí)以形成平面裂縫為主，不易形成體積裂縫網(wǎng)絡(luò)[24]。美國(guó)產(chǎn)氣頁(yè)巖儲(chǔ)層的石英含量為28%～52%、碳酸鹽含量為4%～16%，總脆性礦物含量為46%～60%[25]，分析美國(guó)頁(yè)巖壓裂室內(nèi)礦物組成與礦場(chǎng)的水力裂縫延伸模式對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為頁(yè)巖中40%的脆性礦物

13、含量是形成縫網(wǎng)的巖礦門(mén)限條件。2.2巖石力學(xué)參數(shù)巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石的可壓性具有重要作用和影響，泊松比反映了巖石在應(yīng)力作用下的破裂能力，而彈性模量反映了巖石破裂后的支撐能力[26]。彈性模量越高、泊松比越低，頁(yè)巖的脆性越強(qiáng)，Rickman提出了采用彈性模量與泊松比計(jì)算巖石脆性的數(shù)學(xué)方程BRIT?E=(E?1)(8?1)100(1)BRIT?ν=(ν?0.40)(0.15?0.40)100(2)BRIT?T=(BRIT?EBRIT?

14、ν)2(3)式中，E—巖石彈性模量，MPa；ν—巖石泊松比，無(wú)因次；BRIT?E—彈性模量對(duì)應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量，無(wú)因次；BRIT?ν—泊松比對(duì)應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量，無(wú)因次；BRIT?T—總脆性特征參數(shù)，無(wú)因次。依據(jù)式（1）～式（3），可計(jì)算得到巖石脆性參數(shù)特征與巖石力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，如圖3所示，脆性特征參數(shù)是彈性模量和泊松比的二元函數(shù)，總體上來(lái)說(shuō)，高彈性模量和低泊松比下巖石脆性特征參數(shù)高。圖3巖石脆性特征參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

15、Fig.3RelationshipbetweenrockbrittleindexrockmechanicsparametersRickman提出了巖石脆性特征參數(shù)與壓裂裂縫形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示[26]。表1巖石脆性特征參數(shù)對(duì)水力延伸裂縫形態(tài)的影響[26]Tab.1Effectofrockbrittleindexonhydraulicfracturepattern[26]脆性特征參數(shù)裂縫形態(tài)裂縫閉合剖面描述圖示70網(wǎng)縫??6050網(wǎng)

16、縫與多縫過(guò)度?4030多縫?20兩翼對(duì)稱(chēng)?10由表1可見(jiàn)，巖石的脆性特征參數(shù)越高，儲(chǔ)層裂縫延伸形態(tài)越復(fù)雜。當(dāng)巖石脆性特征參數(shù)大于50后，儲(chǔ)層的裂縫形態(tài)將趨向形成縫網(wǎng)。2.3天然裂縫分布頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂過(guò)程中，天然裂縫被水力激活后拓寬儲(chǔ)層中的裂縫帶是取得措施效果的關(guān)鍵[27]。事實(shí)上，任意裂縫性儲(chǔ)層中的水力裂縫延伸都會(huì)受到天然裂縫的作用和影響，裂縫性儲(chǔ)層水力壓裂礦場(chǎng)試驗(yàn)為裂縫性油氣藏中復(fù)雜水力裂縫的幾何形態(tài)提供了視覺(jué)觀察[4]，如圖4所示，壓

17、裂后幾乎觀察不到單裂縫的延伸，而更多觀察到的是多分支復(fù)雜的裂縫延伸。圖4礦場(chǎng)試驗(yàn)顯示裂縫性儲(chǔ)層中復(fù)雜裂縫延伸形態(tài)[4]Fig.4complexfractureextensionmodeinfracturedfmationsdisplayedinhydraulicfracturingfieldtest[4]Warpinski依據(jù)礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，水力裂縫的幾何形態(tài)為寬度約6～9m的裂縫帶，提出了遠(yuǎn)井縫網(wǎng)的構(gòu)想圖[4]，如圖5所示，水力