页岩储层水力压裂裂缝相互作用数值模拟研究

何泽轩

（西安石油大学，陕西西安 710065）

页岩储层水力压裂裂缝相互作用数值模拟研究

何泽轩

（西安石油大学，陕西西安 710065）

在大多数的低渗透油气藏中，特别是页岩储层中，通常发育着丰富的天然裂缝。所以在页岩储层水力压裂的过程中，人工裂缝与天然裂缝之间所存在的关系以及相互作用，是很有必要对其进行探索及研究的。本文应用Franc2D/L软件，进行了模拟试验，目的是分析出在水力压裂过程中，人工裂缝与天然裂缝有什么样的相互影响。从得出来的数据可以得到它们相互作用的结果，这一结论的获得能够为体积压裂效果评价打下基础。

水力压裂；数值模拟；Franc2D/L；裂缝相互作用

目前，世界油气勘探程度逐步提高，但许多地质条件较好的常规油气数量不断减少，被发现的规模也在减小[1]。从我国改革开放以来，我国石油天然气的勘探和开发技术不断提升，但非常规油气却有待大规模的开发[2]。

在大多数的低渗透气藏中，如页岩气藏和煤层气藏等，通常发育着丰富的天然裂缝[3]。天然裂缝的存在，在体积压裂过程中，起着非常重要的作用，它为形成复杂裂缝网络，提供了先决条件[4，5]。所以，寻找人工裂缝和天然裂缝之间所存在的规律，以及它们彼此间的作用，是至关重要的。

1 人工裂缝与天然裂缝相互作用准则

当人工裂缝尖端与天然裂缝相遇之后，它们的扩展轨迹也会受到相应的变化，具体会出现两种现象：第一，它会使天然裂缝张开，并影响彼此的扩展轨迹。第二，它会穿过天然裂缝，照着之前的路径延伸[6]（见图1）。

图1 人工裂缝遭遇天然裂缝后可能的路径

如果人工裂缝直接穿过天然裂缝，它的数值模拟将会和人工裂缝在基岩中相吻合的，所以不再过度阐述。此文重点数值模拟是为了研究它们之间的相互作用和影响。

2 人工裂缝与闭合天然裂缝相互作用扩展研究

天然裂缝的形成是有一定规律的，它一般是在最大水平主应力的方向，所以本文的研究，着力点在于平行于最大水平主应力之间的两条缝，对其延伸规律进行模拟研究。模拟的初始数据使用如下页岩储层数据（见表1）。

表1 模型输入数据

在模拟的过程中两条缝的中心位置，横纵坐标的距离应符合模拟需要，初始距离应分别为10 m和20 m（见图2（a））。最大主应力PH是纵向的。在整个过程中对天然裂缝与人工裂缝的走向进行细致记录（见图 2（b、c、d））。

图2 闭合天然裂缝和人工裂缝的相互作用

通过这样的模拟实验，显而易见，人工裂缝与天然裂缝是互相影响的，如果人工裂缝没有与天然裂缝相沟通，它会自动延伸，到达一定的程度会受到相近天然裂缝的影响，它会向其一侧偏转。与此同时，天然裂缝也会受人工裂缝应力的诱导，当原始的天然裂缝处于诱导区时，它的轨迹也会受到诱使，随机发生破裂或转向延伸。可以从图2中总结到，天然裂缝远端总是避开人工裂缝的尖端向外侧延伸，而近端尖端会延伸于两裂缝之间。所以二者之间存在诱导应力，并且它能够对天然裂缝破裂及闭合产生决定性的影响。

对模拟进行分析可以得出，闭合裂缝和开启裂缝在延伸的过程当中是相互靠近的，而两条闭合裂缝，它们却是相互排斥的。这条结论可以用来控制裂缝的延伸方向，为复杂裂缝网络的形成提供了理论依据。

3 人工裂缝与张开天然裂缝相互作用进行扩展研究

在水力压裂中，所制造出的人工裂缝会与天然微裂缝进行沟通，这也势必会使压裂液随之进入，那么也就开启了天然裂缝。这样的天然裂缝内部是有压力的，也就会产生新的应力，这样的应力会对人工裂缝产生一定的影响。本章就重点模拟这种张开天然裂缝和另一条人工裂缝之间的相互作用关系。

在模拟时，两条裂缝所处的初始空间位置不变（见图 2（a）），裂缝的数值模型（见表1），假设天然裂缝和人工裂缝其内的压力均为5MPa，便有如下结论（见图3～图5）。

通过图3～图5可以发现，无论在任何条件下，张

图3 天然裂缝倾角平行于最大水平主应力时候的延伸情况

图4 天然裂缝倾角垂直于最大水平主应力时候的延伸情况

图5 天然裂缝倾角与最大水平主应力夹角为45°时候的延伸情况

开天然裂缝都会沿着最大水平主应力的方向延伸。与此同时，对比图2和图3～图5可以发现，当两者相遇后，张开天然裂缝会抑制人工裂缝尖端的延伸，这是因为在两者都延伸的情况下，天然裂缝周边会产生一定的诱导应力场，而它和人工裂缝的诱导应力场很类似。

4 结论

根据天然裂缝的张开与否，得出以下结论：

（1）人工裂缝与天然裂缝相遇时，可能出现的情况就是：人工裂缝会诱使天然裂缝张开，那么他们将会彼此影响，产生不同的扩展轨迹；再者人工裂缝穿过天然裂缝，按照以前的路径进行延伸。

（2）人工裂缝与闭合天然裂缝沟通时，彼此的裂缝之间是相互靠近的，换句话说，他们在各自的延伸过程中会相互影响并且发生偏转。

（3）人工裂缝与张开天然裂缝沟通时，那么天然裂缝的规律就是沿着最大水平主应力方向进行扩展，与此同时，它也会对人工裂缝尖端的延伸产生抑制。

［1]蒋廷学，卞小冰，苏瑗，等．页岩可压性指数评价新方法及应用［J］．石油钻探技术，2014，42（5）：16-19．

［2]蒲泊伶，牛嘉玉，董大忠，等．页岩气储层研究新进展［J］．地质科技情报，2014，33（2）：98-101．

［3]蒋裕强，等．页岩气储层的基本特征及评价［J］．地质勘探，2010，30（10）：7-12．

［4]唐颖，唐玄，王广源，等．页岩气开发水力压裂技术综述［J］．地质通报，2011，30（3）：394-398．

［5]谢和平，高峰，鞠杨，等．页岩储层压裂改造的非常规理论与技术构想［J］．四川大学学报（工程科学版），2012，44（6）：2-4．

［6]肖晖．裂缝性储层水力裂缝动态扩展理论研究［D］．成都：西南石油大学，2014.

Numerical simulation study on the interaction of hydraulic fracture in shale formation

HE Zexuan
（Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

In most low permeability reservoirs,especially shale reservoirs,abundant natural fractures are usually developed.Thus,it is necessary to study the interaction between artificial fractures and natural fractures in shale reservoirs.In this paper,respectively,simulate and analyze the interaction between artificial fractures and closed natural fractures as well as open natural fractures during hydraulic fracturing by Franc2D/L software.Through the numerical simulation,the results of the interaction between artificial fractures and natural fractures in the fracturing process are analyzed,which lays the foundation for the better evaluation of the volume fracturing effect.

hydraulic fracturing；numerical simulation；Franc2D/L；interaction between fractures

TE357.11

A

1673-5285（2017）09-0043-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.011

2017－07-27