页岩气水平井分段压裂复杂缝网形成机制

油气藏评价与开发第7卷第5期2017年10月RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT页岩气水平井分段压裂复杂缝网形成机制许文俊，李勇明，赵金洲，陈曦宇，彭瑀（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）摘要：水平井分段压裂是页岩气高效开发的重要技术手段，有意识地利用水力裂缝沟通页岩储层中的天然裂缝，使其闭合的部分重新开启，开启的部分又相互连通，从而在地层中形成具有较大规模的复杂裂缝网络，有利于实现地层中页岩气向井筒的高效流动。

为了合理优化页岩储层压裂设计方案，提高页岩储层压裂改造效果，需先认清页岩水平井分段压裂复杂缝网形成机制。

基于位移不连续理论，建立了水平井分段压裂多裂缝干扰模式下的地应力场模型，分析了天然裂缝在复杂地应力场和存在压裂液滤失作用的情况下，发生张开或剪切破裂形成复杂缝网的机理。

分析表明：水力裂缝诱导应力虽能降低地层原始水平应力差，但也会增加地层中天然裂缝发生张开和剪切破裂的难度，不利于复杂裂缝网络的形成。

压裂液滤失是导致地层中天然裂缝发生张开和剪切破裂形成复杂裂缝网络的关键因素，天然裂缝的剪切破裂区域要远大于张开破裂区域，多条水力裂缝滤失效应的叠加更有利于形成具有较大波及区域的复杂裂缝网络。

充分考虑压裂液滤失对复杂裂缝网络形成的影响，对提高页岩气水平井分段多簇压裂改造效果具有重要意义。

关键词：分段压裂；位移不连续理论；剪切破裂区域；张开破裂区域；复杂缝网中图分类号:TE357文献标识码:AFormation mechanism of complex fracture network under horizontal well stagedfracturing in shale gas reservoirXu Wenjun,Li Yongming,Zhao Jinzhou,Chen Xiyu and Peng Yu(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China)Abstract:Horizontal well staged fracturing is an important technology for shale gas production,whose essence is to use hydraulic fracture to activate natural fractures.The natural fractures can make closed parts reopen and opened parts interconnect,and then form complex fracture network in shale reservoirs,accordingly,shale gas will flow to the wellbore through complex fracture network efficiently.In order to optimize shale reservoir fracturing design and improve the effects of shale reservoir fracturing,it is necessary to fully understand the formation mechanism of complex fracture network in staged fractured shale horizontal wells.Based on the displacement discontinuity theory,a complex stress field calculation model which takes into consideration hydraulic fracture inter⁃ference is established,which analyzes the mechanism that natural fractures occur open and shear fracture,and then the complex fracture network under the circumstance of complex ground stress field and fracturing fluid leak-off was formed.The results demon⁃strate that although the hydraulic fracture induced stress field can reduce the original horizontal stress difference,it would also in⁃crease the difficulty of natural fractures opening and shearing,which is unbeneficial for the formation of complex fracture network. Moreover,it is attained that fracturing fluid leak-off is the key factor that leads to the open and shear fracture of natural fractures in the formation of complex fracture network and the shear rupture zone of natural fractures is much larger than the open rupture zone, furthermore,the superposition of multiple hydraulic fracture filtration effect is more favorable for the formation of complex fracture network with a larger spread area.The impacts of fracturing fluid leak-off on complex fracture network have important significance for improving staged fracturing transformation of shale horizontal wells.Key words:staged fracturing,displacement discontinuity theory,shear rupture zone,open rupture zone,complex fracture network收稿日期：2016-10-31。

第一作者简介：许文俊（1991—），男，在读博士研究生，油气田增产改造理论与技术方面的研究。

基金项目：国家自然科学基金重大项目“页岩地层动态随机裂缝控制机理与无水压裂理论”（51490653）；国家重点基础研究发展计划“中国南方海相页岩气高效开发的基础研究”（2013CB228004）。

第5期许文俊，等.页岩气水平井分段压裂复杂缝网形成机制页岩储层压裂复杂裂缝网络形成机理研究，对页岩水平井分段压裂施工优化设计具有重要的指导意义，合理的压裂设计方案，有利于大幅度地提高页岩气井产量[1]。

近年来，已有国内外学者对此进行了相关研究，并取得了一定的进展。

Beugelsdijk等[2]和Fisher等[3]分别通过室内实验和矿场监测证实了页岩储层进行压裂时多形成复杂裂缝网络。

Blanton和陈勉等[4-9]通过物理模拟实验发现，水力裂缝相交天然裂缝后可能存在穿过、转向、穿过和转向同时发生的3种状态。

Warpinski等[10-12]通过矿场及室内实验发现，水力裂缝与天然裂缝发生干扰时，天然裂缝易发生剪切破裂。

程远方等[13]基于线弹性断裂力学理论，开展了页岩储层压裂缝网延伸形态研究，但是该研究只能解释井筒单裂缝起裂延伸模式下的复杂缝网形成机理。

郭建春等[14]在考虑多条裂缝相互干扰的情况下，进行了页岩储层压裂形成复杂缝网的可行性研究，但仅从地应力条件出发对页岩储层复杂缝网形成的规律做了相应的分析，并未清楚地阐释页岩储层水平井分段压裂复杂缝网的形成机理。

现阶段对页岩水平井分段压裂复杂缝网形成机制的认识还不够系统和完善，需要进一步的研究。

本文基于位移不连续理论，建立了水平井分段压裂多裂缝干扰模式下的地应力场模型，分析了天然裂缝在复杂地应力场和存在压裂液滤失作用的情况下，发生张开或剪切破裂形成复杂缝网的机理。

1多裂缝干扰模式下的地应力场模型页岩水平井分段压裂形成的水力裂缝会产生相应的诱导应力场，导致井筒周围的应力场发生变化，甚至会发生应力反转。

为了认清水力裂缝产生的诱导应力场对页岩水平井分段压裂形成复杂裂缝网络的影响，基于位移不连续理论（DDM）建立单缝和多缝模式下的诱导应力场模型以及多裂缝干扰模式下的地应力场模型。

1.1单条裂缝诱导应力场位移不连续理论是一种间接边界元方法，通过引入虚拟的位移不连续量反映由受力体实际边界条件引起的边界效应[15-16]。

图1所示，将水力裂缝划分成N个单元，给定任意单元j的应力边界条件（式1），从而求出任意单元j的位移不连续量[14，17]。

ìíîïïσyy j=p jσxy j=0(j=1，2，3，…，N)（1）ìíîïïïïïïσxx i=∑j=1N G i,j A xx i,j D x j+∑j=1N G i,j A xy i,j D y jσyy i=∑j=1N G i,j A yx i,j D x j+∑j=1N G i,j A yy i,j D y jσxy i=∑j=1N G i,j A sx i,j D x j+∑j=1N G i,j A sy i,j D y j（2）其中G i,j=1-di,jβ[]di,j2+(h/α)2β2式中：σyy j、σxy j分别为水力裂缝单元j受到的正应力和切向应力，MPa；p j为水力裂缝单元j上的净压力，MPa；D x j、D y j分别为裂缝单元j微段上的剪应力和正应力引起的位移不连续量；A xx i,j、A xy i,j、A yx i,j、A yy i,j、A sx i,j、A sy i,j均为平面应变弹性系数；G i,j为三维修正因子[18-19]；h为水力裂缝半高，m；α取值2；β取值3；di,j为任意单元i到裂缝单元j的距离。