SPE中文翻译（SPE 221450）-多层页岩水力裂缝纵向延伸机理及调控方法研究.docVIP

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SPE221450

多层页岩水力裂缝纵向延伸机理及调控方法研究

摘要：页岩储层纵向发育多层弱面，其强烈的地质不连续性及由此引起的应力非均质性导致水力裂缝扩展形态复杂，水力裂缝纵向延伸机理尚不明确。本文建立了单簇裂缝和多簇裂缝扩展的扩展有限元三维数值模型，通过数值模拟分析了垂向应力差、层理面结合强度、压裂液排量、压裂液粘度和簇间距对裂缝扩展形态的影响。结果表明：随着垂向应力差和层理面结合强度的增大，层理面更难以被激活，裂缝更容易实现纵向延伸；随着簇间距减小，裂缝间干扰增强，水力裂缝更容易激活层理面，形成正交网络裂缝；在高排量下，裂缝更容易穿层并激活层理面；低粘度压裂液有利于激活层理面，而高粘度压裂液则能更好地实现裂缝延伸。基于研究成果，对X-1井的压裂参数进行了优化，裂缝监测结果与设计目标吻合良好。本研究揭示了多层页岩水力裂缝纵向延伸机理，为多层页岩水力压裂参数优化提供了参考。

引文

随着勘探开发主流逐渐从常规油气资源转向页岩油、页岩气等非常规油气资源（Sayers2022），提出了合理压裂、高效开发的目标。同时，使用合适的压裂液也有利于环境保护。然而，页岩储层往往具有明显的多层结构，例如中国S盆地的L组页岩储层（Rassadkin等，2021）。层理面的力学强度远低于基质岩石（Sun等，2022）。在水力压裂过程中，水力裂缝倾向于沿着弱面扩展（Li等，2023），减少了改造体积（SRV）（Zeng等，2020），并限制了砂比的增加，导致导流能力低，水力压裂效果差（Li等，2022；Wu等，2023）。为了提高压裂效果，迫切需要研究层理面作用下水力裂缝的纵向穿层机制。

针对层理面作用下水力裂缝纵向穿透机制不明确的问题，先前的研究人员发现，水力裂缝的扩展规律由原始地应力状态（Zhang等，2023a）和层理面性质（Liu等，2024）共同决定（表1）。层理面性质包括结合强度、层理密度（Han等，2022）、层理开放度（Zeng等，2022）和层理方向（Liu等，2021）。Zhang等（2019）总结了水力裂缝与层理面相交的四种模式[捕获、穿过、转向（Zhang等，2023b）和转向后穿过（Liu等，2019）]，以及三种裂缝形态（简单裂缝、复杂裂缝和网络裂缝）。张性水力裂缝是最丰富的水力裂缝类型（Chong等，2020）。然而，Suo等（2020）发现，导致裂缝偏离直线路径的是起裂和扩展的混合模式，而不是张性模式。除了裂缝损伤模式的影响外，层理面固结强度的高度非均质性也是导致水力裂缝复杂扩展行为的原因（Heng等，2021）。此外，地层温度越高，水力裂缝越容易穿过层理面（Wang，2023）。上述研究主要集中在受页岩层理影响的单一水力裂缝扩展，而在实际压裂过程中，工程师通常追求多条裂缝的平衡扩展（Liu等，2023），以达到增加SRV的目的。

表1裂缝延伸机理

类型

因素

延伸机制

单簇裂缝扩展

层理方向

在垂直层理方向上，层理面更能够阻止水力裂缝的扩展

层理密度

在地层密集分布的地层中，水力裂缝难以垂直突破

胶结强度

较弱的层理结合强度、较大的层理面开口和较低的水平地应力差异有利于增加裂缝复杂性并形成裂缝网络

多簇裂缝扩展

层理开放度

水平应力差

裂缝破裂模式

混合模式的起裂和扩展导致裂缝偏离直线路径

储层温度

地层温度越高，水力裂缝越容易穿过层理面

注入排量

较低的流体注入排量有利于增加裂缝复杂性

层理界面渗透率

由层理界面高渗透率引起的流体压力变化对裂缝干扰有显著影响

储层倾角

增加储层倾角显著抑制水力裂缝在纵向穿透夹层的能力

垂向应力差

增加垂向应力差增加了水力裂缝的穿透能力

压裂液粘度

较高的压裂液粘度增加了裂缝宽度，变粘度流体注入提高了裂缝网络的复杂性和主裂缝的高度

射孔数量

减少射孔数量和直径有助于裂缝均匀扩展

射孔直径

簇间距

较小的簇间距不利于SRV的增加

暂堵

暂堵主裂缝有利于增加SRV

针对层状页岩中多簇裂缝扩展的形态研究，当局部应力差较低时，裂缝的复杂性更高（Zhang等，2023b），但层理面更容易捕获水力裂缝，从而限制裂缝高度的扩展，这与层状页岩中单一水力裂缝扩展的模式相似。与单一水力裂缝扩展不同的是，当多条裂缝扩展时，裂缝之间存在优势裂缝。当优势裂缝被临时堵塞材料封堵时（Luo等，2023b；Zhu等，2023a），两端非优势裂缝的流体压力在应力压缩的扰动下增加，非优势裂缝将进一步扩大（Xiao等，2023），这有利于增加SRV。不同的段间距、簇间距、压裂参数（Hou等，2019）等（Wu等，2022）对水力裂缝的扩展行为有显著影响。Xu等（2022）发现，通过减少射孔数量和射孔直径，射孔摩阻将增加（Wang等，2023），这将减弱应力场的扰动，有利于增加