页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)
水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟
水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟何泽轩【摘要】水力压裂过程中对裂缝的启裂和扩展的研究有重大的理论意义.本论文利用Franc2D/L软件,它一方面克服了其他有限元软件需要不断手动划分网格的缺点,另一方面也保证了裂缝尖端参数的精度.本文所要做的第一步是要建立模型,再对水力压裂过程中,裂缝的启裂和扩展进行数值模拟.通过数值模拟,得到了压裂过程中人工裂缝周围地应力的分布,为更好地进行体积压裂裂缝受力分析奠定了基础.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】4页(P58-61)【关键词】水力压裂;数值模拟;Franc2D/L;裂缝启裂扩展【作者】何泽轩【作者单位】西安石油大学,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TE357.14在全球油气勘探程度持续增长的条件下，传统常规石油天然气被发现的数量在减少，而且规模同样亦在缩减[1]。
依据我国的资源开采现状，对石油天然气的常规勘探基本上已经趋于稳定，若想要增大开采量，还是有些难度的，除此之外，我国非常规的汽油资源还是挺丰富的，但是还有待于大规模开发[2]。
参考以往的研究成果，纵观国内外，水力压裂对非常规油气田的开发明显是一个非常有效的手段[3，4]。
因此针对非常规储层水力压裂后裂缝的启裂情况、裂缝的形成和裂缝进一步扩展方面进行数值模拟研究，了解在压裂前后裂缝周围的应力状况，以便对水力压裂裂缝的整个形成过程有一个更好的理解。
将地层看成无限大，各项均质的理想线弹性岩体，在建立模型时，作出以下几个假设：（1）水力裂缝在地层中的延伸情况可以归结为平面应变问题；（2）根据地层中的地应力状态，可以忽略垂向应力的作用；（3）忽略井筒造成周围附近的地应力场变化，以及压裂液在地层中的渗透和滤失作用造成的压力损失。
通过以上的假设条件，本文建立二维平面模型，模型大小设置为200 m×200 m，最小水平主应力（Ph）方向为坐标轴中的x方向，最大水平主应力（PH）方向为坐标轴中的y方向，通过Franc2D/L自带的CASCA软件建立好有限元模型后，导入Franc2D/L软件。
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)
主要对垂直井进行计算。通过模拟发现：①天然裂 缝与最大水平主应力方向角度较小时，比较难形成
缝网，如图 2a 所示；角度较大时，容易形成复杂裂
图 1 页岩裂缝扩展室内实验后的试件
水力压裂裂缝扩展室内实验能够方便地获得页
缝网络，如图 2b 所示。②水平主应力差越大，形成 复杂裂缝网络的难度越大。
图 2 不同天然裂缝角度条件下扩展有限元法模拟的复杂裂缝扩展结果（垂直井）
裂效果 不 佳 的 页 岩 气 井，均 取 得 较 好 的 效 果。 Barnett 页 岩 某 水 平 井 重 复 压 裂 前 产 气 量 约 为 1 700 m3 / d，进行二段重复压裂后，初期产量约 为 4 530 m3 / d，1 a 后产气量为 2 800 m3 / d，增产 效果明显； 另外某页岩气水平井初次压裂后产量 衰减快，初次压裂 2 a 后，产气量由 5 600 m3 / d 下降到 1 415 m3 / d，进行了三段重复压裂后，产 气量增加到 3 400 m3 / d，1 a 后的产气量基本稳定 在 3 000 m3 / d。对页岩气井进行重复压裂，需要准
1. 3 页岩储层多井同步压裂技术
同步压裂技术即同时在相隔不远的 2 口井或 多口井进行多套车组的水力压裂，压裂过程中，压
无法堵水以致影响整体产能。 （4） 水平井水力喷射分段压裂技术［9 － 11］。该
技术利用水力喷射工具进行分段压裂，无需封隔器 和桥塞等封隔工具，是综合射孔、压裂、封隔为一体 的新型增产改造技术。优点：封隔效果好、定位准 确、适用范围广、埋砂和砂卡风险低、针对性和可控
力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。
1 页岩储层水力压裂技术
页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储 层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液 选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝 监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。
页岩储层压裂物理模拟技术进展及发展趋势
第 51 卷 第 5 期石 油 钻 探 技 术Vol. 51 No.5 2023 年 9 月PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES Sep., 2023doi:10.11911/syztjs.2023096引用格式：侯冰，张其星，陈勉. 页岩储层压裂物理模拟技术进展及发展趋势[J]. 石油钻探技术，2023, 51（5）：66-77.HOU Bing, ZHANG Qixing, CHEN Mian. Status and tendency of physical simulation technology for hydraulic fracturing of shale reservoirs [J].Petroleum Drilling Techniques，2023, 51(5)：66-77.页岩储层压裂物理模拟技术进展及发展趋势侯 冰1， 张其星2,3， 陈 勉2,3（1. 中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆克拉玛依 834000；2. 油气资源与工程全国重点实验室（中国石油大学（北京））, 北京102249；3. 石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京））, 北京 102249）摘 要: 传统压裂物理模拟难以仿真深部储层高温高压、复杂地应力和工况环境，在模拟分段细分射孔工艺和实时监测裂缝扩展路径等方面存在一定挑战。
系统调研了真三轴压裂物理模拟试验的试样制备、压裂井型和射孔组合、装置原理、相似准则和裂缝监测方式等，探究变排量、交替注液作用模式，穿层压裂缝高延伸机制，缝群压裂竞争扩展和暂堵转向模式；研究厘清了变排量和交替注液在提升缝网改造规模上的差异性，归纳了层状页岩储层水力裂缝缝高穿层主控因素排序，揭示了密切割多段多簇施工模式下裂缝群竞争扩展下的非平面、非对称和非均衡等扩展特征，总结了暂堵后裂缝转向扩展形态，指出“井工厂”立体压裂物理模拟、智能化和数字化为未来研究趋势。
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展一、本文概述随着全球能源需求的持续增长，页岩气作为一种重要的清洁能源，其开发与应用日益受到人们的关注。
页岩储层水力压裂裂缝扩展是页岩气开发过程中的关键技术，其模拟研究对于优化压裂工艺、提高页岩气采收率具有重要的指导意义。
本文旨在全面综述页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的最新研究进展，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考。
本文首先介绍了页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的研究背景和意义，阐述了水力压裂技术在页岩气开发中的重要作用。
接着，文章回顾了国内外在该领域的研究现状，包括裂缝扩展模型的建立、数值模拟方法的发展以及实际应用案例的分析等方面。
在此基础上，文章重点分析了当前研究中存在的问题和挑战，如裂缝扩展过程中的多场耦合作用、裂缝形态的复杂性以及模型参数的确定等。
为了推动页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究的发展，本文提出了一些建议和展望。
应加强基础理论研究，深入探究裂缝扩展的物理机制和影响因素，为模型的建立提供更为坚实的理论基础。
应发展更为先进、高效的数值模拟方法，以更好地模拟裂缝扩展的复杂过程。
还应加强实验研究和现场应用，以验证和完善模拟模型，推动水力压裂技术的不断进步。
通过本文的综述和分析，相信能够为页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究提供新的思路和方向，为页岩气的高效开发提供有力的技术支持。
二、页岩储层特性分析页岩储层作为一种典型的低孔低渗储层，其独特的物理和化学特性对水力压裂裂缝的扩展具有显著影响。
页岩储层通常具有较高的脆性，这是由于页岩中的矿物成分（如石英、长石等）和微观结构（如层理、微裂缝等）所决定的。
脆性高的页岩在受到水力压裂作用时，更容易形成复杂的裂缝网络，从而提高储层的改造效果。
页岩储层中的天然裂缝和层理结构对水力压裂裂缝的扩展具有重要影响。
这些天然裂缝和层理结构可以作为裂缝扩展的潜在通道，使得水力压裂裂缝能够沿着这些路径进行扩展，从而提高裂缝的复杂性和连通性。
页岩气储层水力压裂裂纹扩展规律研究
页岩气储层水力压裂裂纹扩展规律研究1. 前言页岩气作为一种非常重要的天然气资源，已经被广泛应用。
然而，在生产过程中，有一些特殊的挑战，其中最重要的是寻找适当的生产技术。
页岩气储层水力压裂是目前能够有效提高页岩气产量的一种技术。
本文旨在研究页岩气储层水力压裂后裂缝的扩展规律，以便更好地理解页岩气藏的开采机理，并为优化页岩气开采提供指导。
2. 页岩气储层水力压裂原理水力压裂是一种通过将高压水注入油气储层，以形成压力，利用岩石自身的脆性破裂形成裂缝，以释放页岩气的技术。
页岩气储层是一种岩石层，由于其压实度较高，裂缝不易形成，其自然气渗透率较低，导致天然气产量较低。
为了提高页岩气生产效率，需要通过水力压裂来扩大储层裂缝面积，增加气体开采量。
页岩气储层水力压裂的主要机理是压力差，即通过向井口注入高压水，使水在地下压缩，从而形成高压前缘。
压力前缘的到达速度越快，压缩效果越明显，在储层内形成最大的应力差。
当应力差超过岩石地下的抗拉强度时，岩石就会发生断裂，形成裂缝。
水力压裂主要受到多种因素的影响，其中包括注入流量、注入压力、裂缝网络、岩石物性和水路径等因素。
为了更好地控制水力压裂作用，需要对这些因素进行详细的研究和掌握。
3. 裂缝扩展规律研究裂缝的扩展规律是页岩气储层水力压裂的核心问题。
通过对裂缝扩展过程的研究，可以更好地了解页岩气储层的开采特性，为页岩气储层的优化开发提供技术支持。
3.1 裂缝扩展过程在页岩气储层水力压裂过程中，高压水通过注入口迅速进入岩石层内，形成一个高压区域。
在高压区域的受力作用下，岩石发生了断裂，从而形成了一系列裂缝。
这些裂缝的密度和深度是由岩石的物性、注入流量和注入压力等因素来决定的。
裂缝的扩展会受到多个因素的影响，其中最重要的因素是注入水的流量和压力。
注入水的流量越大，扩展的裂缝数量越多，裂缝的长度和深度也越大。
当注入水的压力越高，裂缝的深度和长度也会随之增加。
此外，地质条件和岩石物性也会影响裂缝的扩展过程。
页岩储层水力压裂裂缝展布数值模拟研究
关键 词 ： 非 常规储 层 ； 水平井； 压裂； 裂缝 网络 ； 页岩 气 页岩 气是 一 种重 要 的非 常 规天 然 气 资源 ， 根 据 美 同能 源 情 报署 网络 扩展 预测 模 型 ， 具体包括 ： 流体 流动 厅 程 ， 裂缝宽度方程 、 系 统 估计 ， 中国 的 页岩 气储 量 超 过 其它 任 何 一 个 国家 ， 可采 储 量 有 １ ２ ７ ５ 流 体质 量 守恒 方 程 、 裂缝 扩展 判别 准 则 及辅 助边 界 条件 等 。 万 亿立 方 英 尺 。按 当前 的 消耗 水 平 ， 这 些储 量 足 够 中 国使用 ３ ０ ０多 ① 流 体 流动 方程 ： 年 。 页岩 储层 具有 低 孑 Ｌ 特征 和极 低 的基 质 渗透 率 ， 冈此 多数 页 岩 气 ｐ ｕ ２ 一 塑 井 都需 要 进 行压 裂改 造 ， 目前美 国 已发展 了水 平井 与水 力 压 裂 相结 ｆ １ １ 合 的 页岩 气 开采 主流 技 术 １ 。 页岩 气储 层 的 压裂 改 造不 同 于常 规气 式 中， ｆ 为流 动 摩擦 系 数 ，分为 层 流 和 湍 流 流动 摩 擦 系数 ； ｐ为 藏， 由 于页 岩 储 层 基质 向裂 缝 的 供 气能 力 较 差 ， 仅 靠 单 一 的 压 裂 主 流体 密度 ； １ ２ ， 为流 体流 动 速度 ； Ｗ为裂缝 宽度 ； Ｐ 为 裂缝 内流体 力 。 缝 很 难取 得 预期 的增产 效 果 ， 必须 进 行 “ 体 积压 裂 ” 以形 成天 然 裂缝 ②裂 缝 宽度 扩展 方 程 ： 与人 工 裂 缝 相互 交 错 的裂 缝 网 络 ， 从 而增 加 改 造 体 积 ， 提 高 初 始 产 ㈠ ｆ ２ １ 量 和 最终 采 收率 。因此 ， 精 确模 拟 裂 缝 网络 分 布是 页岩 气开 发 过 程 中压 裂 方案 优化 和 产 能预 测 的基 础 】 。 ③裂缝裂缝 内流体质量守恒疗程 ： 对 于水 力压 裂 裂缝 预 测 的研 究 已经 有 半个 世 界 的历 史 ， 早 期 学 （ Ｈ ｗ ｕ ） ＋ 。 者 Ｉ 基 于 均质 和 各 相 同性 介 质 假 设 建立 了传 统 水 力压 裂 的双 翼 扩 ＿ ＿ ㈣ 展模 型 ， 裂缝 垂 直 于最 小 主应 力 方 向扩 展 。双 翼模 型为 常 规 油藏 水 式 中 ｑ 为流 体 漏失 数 ， 其 实 验 表达 式为 ： 力压 裂 裂缝 的扩展 提 供 了一 个简 单 有效 的预 测方 法 ， 在 石 油 与大 然 ｆ Ｈ ｗ ｕ ） Ｈ ｗ 卜 ＋ｑ ｆ ４１ 气 的开 采 中得 到 了广 泛 的应 用 。 由于天 然 裂缝 的存 在 以及岩 石 的 非均 质 性 和各 向异性 ， 水力 压 ④ 系统 流体 质 量守 恒 方程 为 ： 裂应 用 于致 密 油气 藏 、页 岩 气 藏 时会 出现 非 常 复杂 的裂缝 网络 ， 微 ｆ ｏ Ｑ （ ｆ ） ： Ｈ ＋ ｑ Ｌ ｄ ｔ ｄ ｓ ｄ ｈ 地震 数 据 对其 进 行 了证 实 。 有些 学者 建 立 了复 杂 的裂缝 网络模 型 用来 模 拟水 力 裂缝 的扩展 及 其 与天 然 裂缝 的相 互作 用 ¨ ｏ Ｉ “ ］ 。部分 学 式中 ， Ｑ （ ｔ ） 为流体 泵 人量 ； Ｉ 为裂缝 长 度 。 者 基 于非 连 续 位 移 法 建立 了层 面 和 摩擦 界 面 对 水 力 裂缝 增 长影 响 ⑤裂缝扩展判别准则 ： 的模 型 ， 借 助 离散 元 法研 究 了天 然 裂缝 对 水力 裂缝 扩展 的影 响ｌ Ｉ ２ ＿ ］ 。 ０ ． ３ ５－ － 当前 的研 究 多 以裂缝 内层流 流 体流 动 为基 础 ， 且 对 于 天然 裂 缝影 响 （ ６ ） Ｏ － １ １ ． ０ ６ 考 虑过 于 单 一 。 本 文本 文综 合 考虑 水力 压 裂 内流 体 湍流 流动 及 水力 压 裂裂 缝 与 天然 裂缝 相互 作 用 的影 响 ， 提 出了 了致 密储 层 水 力压 裂 式中， Ｔ ０ 为 天 然 裂缝 剪 切 强 度 ， Ｍ Ｐ ａ ； 【 １ 盯为施 Ｔ 压 力 ， ＭＰ ａ ； Ｋ 为 裂 缝 网络 预测 模 型 ， 可 以很 好 的 预测 致 密 储 层 裂缝 展 布 ， 对 于致 密 内摩擦 系 数 。 储 层 水力 压 裂优 化及 产 能 预测 有重 要 的理 论 意 义。 ２模 型求 解 与验 证 １模 型建 立 应用 混 合 有 限元 法 和 移 动 网格 算 法 （ Ａ Ｌ Ｅ） 对以 提 … 的复 杂 模型 综 合考 虑 了储 层 变形 和 破 裂 、裂 缝 内流 体 流动 的影 响 ， 应 非线 性方 程组 进 行离 散 求解 ， 混 合 有 限 元法 可 以很 好 的处 复 杂 的 用双 翼模 型 裂缝 缝 宽 预测模 型 及 拟 三维 思 想 ， 建立 了致 密储 层 裂 缝 边 界 条件 ； Ａ Ｌ Ｅ算 法可 以刖 于 裂缝 网格 的动 态扩 展
裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究
裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究随着能源对于人类社会的重要性日益凸显，深层地质资源成为人们关注的重点。
裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展规律研究，是目前研究的热点之一。
本文将探讨裂缝性页岩储层多级水力裂缝扩展的原理、规律和难点。
一、水力裂缝扩展原理水力裂缝是一种通过水压力将裂缝扩展，从而增加裂缝面积的技术。
水力裂缝通过管道将高压液压油压入劣质岩石中，使岩石发生裂缝。
水力裂缝扩展的原理，主要由弹性—塑性破裂、裂缝扩展与弥散三部分组成。
二、多级水力裂缝扩展规律多级水力裂缝扩展主要由以下几个方面影响：1.孔隙压力与裂缝起始压力：孔隙压力是一种作用在裂缝表面的压力，它在水力裂缝扩展过程中扮演着重要的角色。
孔隙压力高，裂缝扩展的难度也随之增加。
2.水力压裂液压强度：水力裂缝施工过程中，如何合理地选择水力压裂液的压力，是影响多级水力裂缝扩展的关键因素。
3.孔隙度与裂缝密度：孔隙度和裂缝密度的大小是多级水力裂缝扩展的直接决定因素。
岩石中孔隙度和裂缝密度越大，水力裂缝扩展的难度就越大。
三、难点与对策1.多级水力裂缝扩展路径不清晰：在岩石中，一个受许多力矩和剪应力控制的裂缝会随时间变化演化出一个复杂的裂缝模式。
在这个模式中，多个裂缝牵扯到水力压裂液扩展路径，裂缝路径交错复杂，使得水力裂缝扩展难以预测。
2.液-固互作用机理不明朗：裂缝网络与水力压裂液之间的互作用具有许多影响因素，这一部分的物理机理研究十分困难。
因此，对于多级水力裂缝扩展反应的研究，可以通过水力裂缝压裂试验和数值模拟来实验模拟和推算。
这些难点的存在，需要我们在多级水力裂缝扩展的研究中进行反复试验，在多个方向上寻找结果，逐步积累经验和数据，以此来逐步解决相关的技术需求问题。
结论多级水力裂缝扩展的原理和其规律对于深层地质资源的开采和利用至关重要。
在研究中，我们需要根据实验数据对相关技术方案进行分析和总结，综合相关因素进行综合考虑，以此来完善多级水力裂缝扩展的工作方法和技术手段，以此开创深层地质资源开采的新时代。
实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的方法
实验确定页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流
能力的方法
页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的实验方法通常包括以下步骤：
1.制备样本：从实际的页岩储层中采集岩石样品，并进行化学分析和物理性质测试。
样品应具有代表性，包括岩性、孔隙度、渗透率等特征。
2.压力实验：使用水力压裂装置对样本进行水力压裂实验，以模拟实际的压裂过程。
在实验过程中，应记录不同压力下的裂缝形态、数量、长度、宽度、方向等参数。
3.流量测定：通过流量计等设备，测定压裂后自支撑裂缝的导流能力。
实验中应记录不同压力下的流量、速度、压降等参数。
4.数据分析：根据实验结果，通过数据分析和统计方法，评估页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力。
这包括裂缝面积、渗透率、导流效率等指标。
同时也可以通过数值模拟等方法对实验结果进行验证和分析。
综上所述，页岩储层水力压裂自支撑裂缝导流能力的实验方法，需要设计合理的实验流程、选取合适的样品和测量设备，并进行数据分析和模拟验证。
通过这些方法，可以更加准确地评估页岩储层水力压裂后的导流能力，为实际的生产开发提供参考依据。
页岩气储层水力裂缝转向扩展机制
页岩气储层水力裂缝转向扩展机制
陈勉
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(037)005
【摘要】从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸.分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算.结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄；压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大；水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向；水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄；裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小；水力裂缝转向能扩展为2～3种裂缝模式的复合.
【总页数】7页(P88-94)
【作者】陈勉
【作者单位】中国石油大学石油工程学院,北京102249
【正文语种】中文
【中图分类】TE357
【相关文献】
1.斜井井筒附近水力裂缝空间转向模型研究 [J], 张广清;陈勉;王强
2.页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律 [J], 夏彬伟;杨冲;卢义玉;宋晨鹏
3.页岩暂堵转向压裂水力裂缝扩展物模试验研究 [J], 侯冰;木哈达斯·叶尔甫拉提;付卫能;谭鹏
4.非均匀应力场作用下水力裂缝扩展特征数值模拟研究 [J], 侯林;伊向艺;王园园;陈一民;张婷婷
5.考虑页岩弱层理的水力裂缝扩展路径三维数值模拟 [J], 周文高;王素兵;杨焕强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究
页岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究张烨;潘林华;周彤;李宁;徐正辉;崔艺;柳明【摘要】页岩气藏储层具有超低孔、超低渗的物性特征,通过体积压裂改造形成复杂人工裂缝网络,是实现页岩气有效开发的关键.试验采用大尺寸真三轴水力压裂模拟,研究水平地应力差、泵注排量,井筒数量等因素对页岩气储层压裂裂缝扩展规律的影响.通过观察压后页岩表面裂缝延伸路径,结合工业高能CT扫描确定页岩内部实际的水力裂缝形态.实验所选用页岩脆性中等,但层理特征明显,微裂隙发育,具有可压性.试验结果表明:水平应力差为3 MPa时,水力裂缝易转向,沟通近井天然裂缝或弱胶结层理面;随着水平应力差的增加,有利于横切缝的产生,沟通远处更多天然裂缝及层理;当水平应力差达到12 MPa时,仅能形成简单平面横切缝.另外,变排量压裂或双井筒同步压裂可以有效地增加裂缝密度,提高水力裂缝复杂程度;但在12 MPa 的水平应力差下,双井筒同步压裂仍然仅生成2条简单的水平缝.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)005【总页数】6页(P11-16)【关键词】页岩;裂缝扩展;天然裂缝;水平地应力差;排量;同步压裂【作者】张烨;潘林华;周彤;李宁;徐正辉;崔艺;柳明【作者单位】国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院);重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院),重庆400042;国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院);重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院),重庆400042;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油长城钻探工程有限公司,北京100101【正文语种】中文【中图分类】P555我国页岩储层既包含丰富的海相页岩气，也包含大量的陆相和海陆过渡相页岩气区块，构造应力强烈，地质结构复杂，不同区域页岩物性差别较大[1]。
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扩展有限元法继承了常规有限元法的优点，能 域边界上离散求近似解的一种数值方法，具有如下
够方便地进行模拟和描述裂缝，计算过程中无需进 特点：①主要在区域边界进行离散，降低了求解问题
行网格重划分，计算速度较快，是今后页岩储层压 的维数，显著降低了未知量数目，可大大节省计算时
裂裂缝扩展模拟的重要方法之一。
3. 油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心，重庆 400042）
摘要：页岩储层低孔低渗，水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施，压裂 缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行 了调研和分析，得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法， 但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程；②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展 模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟 方法，但各种方法都有其优缺点和适用性，需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂 缝扩展；③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成，天然裂缝与水平 最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大，复杂裂缝网络形成难度越大；天然裂缝与水平 最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小，越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为 页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词：页岩气；水平井；水力压裂；压裂技术；裂缝扩展；室内实验；数值模拟 中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号： 1006 － 6535（2014）04 － 0001 － 06
保证产能和提高采收率。重复压裂形成新的压裂 利用中间井筒进行液体注入，直至裂缝延伸到试件
裂缝，新压裂裂缝可能与旧压裂裂缝沟通，形成更 边界。实验过程中利用声发射仪器动态监测裂缝
复杂的裂缝网络，进而提高裂缝的导流能力，以尽 扩展特征，实验后利用高能 CT 扫描或者直接敲开
可能低的成本，恢复页岩气井的产量，甚至可能提 试件进一步评价压裂裂缝的分布情况，能够准确地
裂效果 不 佳 的 页 岩 气 井，均 取 得 较 好 的 效 果。 Barnett 页 岩 某 水 平 井 重 复 压 裂 前 产 气 量 约 为 1 700 m3 / d，进行二段重复压裂后，初期产量约 为 4 530 m3 / d，1 a 后产气量为 2 800 m3 / d，增产 效果明显； 另外某页岩气水平井初次压裂后产量 衰减快，初次压裂 2 a 后，产气量由 5 600 m3 / d 下降到 1 415 m3 / d，进行了三段重复压裂后，产 气量增加到 3 400 m3 / d，1 a 后的产气量基本稳定 在 3 000 m3 / d。对页岩气井进行重复压裂，需要准
力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。
1 页岩储层水力压裂技术
页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储 层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液 选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝 监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。
1. 1 页岩储层水平井多级压裂技术
图 3 边界元模拟的水平井多段压裂裂缝扩展结果
边界元法能够很好地处理复杂缝网的裂缝扩 裂缝间的相互干扰作用，根据判断准则判断裂缝扩
展问题，并且处理比较简单，但是，该方法模拟流固 展路径及扩展长度，利用三维的裂缝高度方程和支
耦合的过程难度大。因此，如何考虑孔隙压力条件 撑剂的沉降方程，计算裂缝的宽度和支撑剂的分布
储层体积压裂值得关注的研究方向。 2 页岩储层水力压裂模拟方法 2. 1 水力压裂室内实验模拟
裂缝失效，降低产量。页岩储层由于存在大量的吸 附气，采收时间较长，压裂裂缝的失效会降低储层
利用人造试件或天然露头，加工成一定尺寸且 中间装有流体注入井筒的立方体试件，然后把试件
的采收率，因此需要对页岩储层进行重复压裂，以 装入大尺寸真三轴实验系统中，加载三向主应力，
间；②离散误差仅来源于边界，区域内的有关物理量
2. 2. 2 边界元法（Boundary Element Method － BEM） 可由解析式的形式求得，提高了计算精度；③奇异性
边界元法是将问题表达成边界积分方程后在区 的基本解可以更好的模拟裂缝尖端的奇异场。
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特种油气藏
第 21 卷
Olson［18］利用边界元理论建立了水平井多段 向对缝网形成影响较大，天然裂缝方向与水平井筒
高产量。 页岩储层 重 复 压 裂 最 先 出 现 于 美 国， Barnett
页岩对以前采用凝胶压裂的页岩气井择优采取了 重复压裂增产措施，增产效果明显，有些页岩气
认识页岩储层水力压裂裂缝扩展机理。 国外哈里伯顿研发中心、荷兰 Delft 大学、澳大
利亚西南威尔士大学、美国 TerraTek 公司［16］及国 内中国石油大学（ 北京） 、中石化勘探开发研究院、
压裂的裂缝扩展模型，图 3 是不同水平主应力差条 平行或者角度较小时，容易形成缝网；③压裂裂缝
件下的裂缝展布形态。通过模拟发现：①天然裂缝 内静压力越大，越容易形成复杂的网络裂缝；④水
不发育，压裂过程中容易形成两翼缝，但是压裂裂 平主应力差越大，压裂裂缝形成缝网的难度越大，
缝间可能由于干扰而发生转向；②天然裂缝分布方 压裂裂缝相对平直。
高；缺点：水力喷射工具寿命短，对油管和套管的强 层同步压裂作业。页岩储层同步压裂技术能够增
度有较高的要求。
加页岩储层裂缝体积和复杂程度，是今后国内页岩
1. 2 页岩储层重复压裂技术
支撑剂在闭合应力、井底压力和孔隙压力的联 合作用下会慢慢嵌入地层，流体高速运移产生大量 的岩屑和颗粒，在裂缝中聚集堵塞，从而导致压裂
od － XFEM）
扩展有限元法建立在常规有限元方法的理论
基础上，保留了常规有限元法的优点。两者的区别 在于：①网格与结构内部的几何或物理界面无关；
②克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区 进行高密度网格剖分所带来的困难；③模拟裂纹扩 展时，无需对网格进行重新剖分。
Dahi Taleghani［17］利用扩展有限元法进行了页 岩储层天然裂缝条件下的水力压裂裂缝扩展模拟，
1. 3 页岩储层多井同步压裂技术
同步压裂技术即同时在相隔不远的 2 口井或 多口井进行多套车组的水力压裂，压裂过程中，压
无法堵水以致影响整体产能。 （4） 水平井水力喷射分段压裂技术［9 － 11］。该
技术利用水力喷射工具进行分段压裂，无需封隔器 和桥塞等封隔工具，是综合射孔、压裂、封隔为一体 的新型增产改造技术。优点：封隔效果好、定位准 确、适用范围广、埋砂和砂卡风险低、针对性和可控
验具有很大的局限性。 2. 2 页岩储层压裂裂缝扩展数值模拟
页岩储层压裂裂缝可能是复杂的网状裂缝，常 规的压裂模型不再适用，在常规理论基础上，国内
试件观测或者高能 CT 扫描，可以方便地评价页岩 外学者经过推导和模型改进，发展了一些适合页岩
裂缝扩展的形态。
储层的压裂裂缝扩展模型。
2. 2. 1 扩展有限元法（ Extend Finite Element Meth-
引言
页岩储层孔隙度、渗透率极低，给页岩气的经 济高效开发带来了极大的困难和挑战，长水平井段 钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的 关键和核心技术［1 － 2］，能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积，最终达到提高产量和采收率 的目的。页岩储层脆性大，天然裂缝和水平层理发 育，压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏［3］， 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝，可能形成复杂 的网状裂缝，给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解 释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展 布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟 方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水 平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟 方法的现状，分析了各种页岩水力压裂技术及压裂 裂缝模拟方法的优缺点，对后续页岩储层水平井水
第4 期
潘林华等：页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展
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中石油勘探开发研究院、中石油勘探开发研究院廊 岩压裂裂缝的形态，但是由于试件尺寸以及实验仪
坊分院都自行设计了水力压裂裂缝扩展模拟实验 器的限制，室内实验难以真实的模拟储层实际条件
仪器，实验试件尺寸为 0. 3 ～ 1. 0 m。 国外对页岩储层水力压裂裂缝扩展室内实验
下的水力压裂过程，小尺寸试件的天然裂缝分布可 能与实际地层的分布有很大的差异性，导致室内实
研究较少。中国石油大学（ 北京） 压裂酸化实验室 以及中石化工程研究院［16］进行了一系列页岩储层 裂缝扩展的室内实验，并获得了一些重要成果。图 1 是中国石油大学（ 北京） 和中石化工程技术研究 院进行页岩裂缝扩展模拟后的试件，通过实验后的
测技术研究”（2013AA064503） 作者简介：潘林华（1982 － ） ，男，工程师，2006 年毕业于中国石油大学（ 北京） 土木工程专业，2013 年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要
从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。
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特种油气藏
第 21 卷
裂技术之一，主要采用“多段分簇”射孔、套管压裂 和可钻式桥塞封隔。优点：定位准确、封隔可靠、污
井在重复压裂后产量甚至超过初次压裂的产 量［12 － 13］。重复压裂目前被广泛用于老井和初次压
染低、不易砂堵；缺点：施工步骤复杂，施工周期长， 施工成本高，可能出现桥塞钻不进或桥塞泵送遇堵 情况。
（2） 水 平 井 多 级 滑 套 封 隔 器 分 段 压 裂 技 术［5，7］。该技术国内应用较少，主要采用井口落球 系统操控滑套、用机械或压力坐封的机械式封隔器 坐封。优点：压裂层段选择性强，工序步骤简单，施 工速度快，成本低；缺点：井下工具性能要求高，砂 堵风险大，工艺复杂。该技术在页岩压裂中的应用
DOI：10. 3969 / j. issn. 1006 － 6535. 2014. 04. 001