常规储层压裂中裂缝形成与延伸规律分析

众所周知，裂缝的起裂与延伸规律是压裂设计及施工的技术基础。它关系到裂缝的破裂模式、射孔方案设计及后续的压裂施工参数设计等。目前，研究的方法主要有物理模拟和数学模拟两种手段。

在物理模拟方面，国外以TeraTek公司为代表，能模拟的最大岩心尺寸为760 mm×760 mm×900 mm，并采用声波监测方法检测裂缝的扩展过程。目前，国内的中石油勘探开发研究院廊坊分院就引进了该系统。国内还有几家单位可模拟尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的小岩心，如中国石油大学（北京）、中国科学院武汉岩土力学研究所等。

1.裂缝的扩展规律

水力裂缝在扩展过程中与天然裂缝之间的相交作用是最为常见的力学作用模式，在过去几十年里，为了研究天然裂缝对水力裂缝延伸的影响，许多研究者［2—3］进行了大量的室内实验研究和分析，相关实验的构架如图3—3所示。

图3—3　在水平应力场中水力裂缝与天然裂缝的方位

1）Warpinski相交作用实验［4—5］

Warpinski就地质不连续体对水力裂缝延伸的影响进行了矿场实验和室内实验，矿场实验是在内华达实验测试基地进行的，是通过实验后物理挖掘地层岩石进行直接的裂缝延伸观察；而他们的室内实验是选用包含人工切割天然裂缝的Coconino砂岩，样品尺寸为20.3 cm×15.24 cm×15.24 cm，实验采用真三轴实验系统，所有测试中垂向应力加载保持为17.24 MPa，而水平最小主应力保持为3.45 MPa，水平应力差通过调节最大主应力而变化（一般为6.9～13.8 MPa），实验中样品的逼近角按30°、60°和90°设置。但在该实验中，岩块中只设置了一条单一的天然裂缝。

通过矿场实验和室内实验可观察到三种不同的延伸模式：

（1）水力裂缝穿过天然裂缝；

（2）水力裂缝被张开和膨胀的天然裂缝阻止延伸；

（3）水力裂缝被剪切破裂的天然裂缝阻止延伸，天然裂缝没有张开，但剪切破裂已经导致压裂液流动改向，沿天然裂缝流动。

室内实验结果如图3—4所示，水力裂缝与天然裂缝之间的作用类型是水平应力差和逼近角的函数，水力裂缝仅仅在高水平应力差和逼近角大于60°的情况下发生；在低应力差和低逼近角情况下，水力裂缝基本不会穿过天然裂缝，这主要是因为在水力裂缝内的流体压力足够张开天然裂缝，从而改变压裂液的流动方向；水力裂缝被天然裂缝的剪切破裂而阻止延伸，仅仅发生在逼近角为30°且为高应力差的条件下。

图3—4　在不同应力差和逼近角组合下的相交作用实验结果（Warpinski）(www.xing528.com)

根据该项试验研究，可以得到以下结论：

（1）在天然裂缝性地层，单裂缝延伸的情况几乎不能观察到，多分支裂缝延伸是非常显著的，在分支上又常会出现两到三个分支裂缝延伸。

（2）水力裂缝在到达地质不连续体附近的时候，常会发生延伸停止，如果非要继续延伸穿过天然裂缝的话，延伸方向将会发生改变，这可能是由于地质不连续体附近区域的应力场发生改变造成的。

2）Blanton相交作用实验［6—7］

Blanton对三轴压应力下的天然裂缝材料进行了水力压裂实验，测试的天然裂缝材料是阿帕拉契盆地泥盆纪页岩和石膏块。在该实验构架中，井眼位于两个规则的空间放置的垂直裂缝之间，最大与最小主应力控制在0.7～11.0 MPa，而最小水平主应力设定为4.1 MPa，逼近角分别设定为30°、60°和90°，实验岩体尺寸为30.45 cm×30.45 cm×38.0 cm，较长部分与井眼方向平行。选择石膏作为试验材料，主要基于以下两个方面：一是通过改变混合物的成分可以控制材料的力学特性；二是天然裂缝的方位和位置可以进行改变。在该动态压裂试验中可认为流体速度为常数，井的压力保持时间为裂缝延伸长度达到穿过天然裂缝或发生转向后的最大值。

在试验中，当水力裂缝与天然裂缝之间相互作用的时候，都能观察到张开和穿过两种作用类型。当逼近角为30°且应力差达到11.0 MPa的时候，天然裂缝都为张开类型；当高应力差时将可能会发生天然裂缝上的滑动。当逼近角为60°且应力差为4.1 MPa或者更高的情况下，穿过将会发生；而当应力差为2.0 MPa时张开将会发生。当逼近角为90°时，在任何应力差的情况下，穿过都会发生；另外，在较高的应力差作用下，双翼水力裂缝将会更对称，裂缝面将会更平整；但当应力差为0.7、1.4和2.1 MPa时，水力裂缝倾向不对称和不规则的延伸形态，常常伴随张开、穿过和分支的混合模式发生，这是由于在低应力差状态下，材料特性参数比应力方位更影响裂缝延伸的方向，故会导致更多不规则裂缝的产生。上述实验结果如图3—5所示。

该项实验结果与早期的研究结果有点差异，早期研究的实验设置为水力裂缝在一边逼近一条单一的天然裂缝，而在相反的方向上为自由延伸。在早期研究中能观察到裂缝延伸的停止，但当水力裂缝在交叉点停止后，却在相反的方向上能够自由的延伸，而在本试验中，由于在井眼的两边都放置了天然裂缝，从而阻止了裂缝延伸停止，因此，裂缝延伸停止只是一个临时作用行为，随着注入压力的继续上升，打开还是穿过均会产生。

图3—5　在不同应力差和逼近角组合下的相交作用实验结果（Blanton）

根据上述研究，可以得到以下结论：

（1）水力裂缝在高逼近角及高应力差和中逼近角及高应力差的情况下倾向于穿过天然裂缝而继续延伸；

（2）水力裂缝在低逼近角和中逼近角及低应力差的情况下倾向于张开天然裂缝，改变压裂液的流动方向而继续延伸；

（3）在高逼近角及低应力差的情况下，水力裂缝在与天然裂缝相交后常常伴随张开、穿过和分支的混合模式发生；

（4）在天然裂缝性油气藏压裂中，对称双翼的垂直裂缝几乎不会产生。