頁巖儲層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析_趙金洲

1、西南石油大學(xué)學(xué)報（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：1674–5086（2013）01–0001–09DOI：10.3863j.issn.1674–5086.2013.01.001中圖分類號：TE357文獻標(biāo)識碼：A專家論壇頁巖儲層壓裂縫成網(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)及開發(fā)工程”國家重點實驗室西南石油大學(xué)，四川成都610500摘要：壓裂實踐表明，頁巖儲層的水力裂縫呈現(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)為的對稱平面雙翼裂縫從形成機理上存在本質(zhì)的區(qū)別?；谑覂?nèi)實驗、礦場壓裂實踐、理論分析和數(shù)值模擬等研究成果，系統(tǒng)分析了頁巖儲層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素。研究表明：頁巖儲層的裂縫延伸形態(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、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)延伸與擴展；從壓裂作業(yè)的工程條件上來說，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)。該研究對認(rèn)識頁巖儲層縫網(wǎng)擴展機理以及提高頁巖儲層壓裂設(shè)計的科學(xué)性具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：頁巖；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，胡永全頁巖儲層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析[J]西南石油大學(xué)學(xué)報：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)出版時間：2013–01–22基金項目：國家科技重大專項（2011ZX05014）；中海油“十二五”重大專項“海上低滲油藏有效開發(fā)模式、方法與適用技術(shù)研究”；中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金“石油與天然氣工程國

12、家一級學(xué)科”。第1期趙金洲，等：頁巖儲層壓裂縫成網(wǎng)延伸的受控因素分析3儲層的天然裂縫越發(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)，有利于頁巖氣開采。而高粘土礦物含量的頁巖塑性強，水力壓裂時以形成平面裂縫為主，不易形成體積裂縫網(wǎng)絡(luò)[24]。美國產(chǎn)氣頁巖儲層的石英含量為28%～52%、碳酸鹽含量為4%～16%，總脆性礦物含量為46%～60%[25]，分析美國頁巖壓裂室內(nèi)礦物組成與礦場的水力裂縫延伸模式對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為頁巖中40%的脆性礦物

13、含量是形成縫網(wǎng)的巖礦門限條件。2.2巖石力學(xué)參數(shù)巖石力學(xué)參數(shù)對頁巖儲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，頁巖的脆性越強，Rickman提出了采用彈性模量與泊松比計算巖石脆性的數(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，無因次；BRIT?E—彈性模量對應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量，無因次；BRIT?ν—泊松比對應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量，無因次；BRIT?T—總脆性特征參數(shù)，無因次。依據(jù)式（1）～式（3），可計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)，總體上來說，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)的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示[26]。表1巖石脆性特征參數(shù)對水力延伸裂縫形態(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、縫與多縫過度?4030多縫?20兩翼對稱?10由表1可見，巖石的脆性特征參數(shù)越高，儲層裂縫延伸形態(tài)越復(fù)雜。當(dāng)巖石脆性特征參數(shù)大于50后，儲層的裂縫形態(tài)將趨向形成縫網(wǎng)。2.3天然裂縫分布頁巖儲層壓裂過程中，天然裂縫被水力激活后拓寬儲層中的裂縫帶是取得措施效果的關(guān)鍵[27]。事實上，任意裂縫性儲層中的水力裂縫延伸都會受到天然裂縫的作用和影響，裂縫性儲層水力壓裂礦場試驗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礦場試驗顯示裂縫性儲層中復(fù)雜裂縫延伸形態(tài)[4]Fig.4complexfractureextensionmodeinfracturedfmationsdisplayedinhydraulicfracturingfieldtest[4]Warpinski依據(jù)礦場試驗結(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，提出了遠井縫網(wǎng)的構(gòu)想圖[4]，如圖5所示，水力