1、第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .解晨阳，刘博，宋晨鹏 缝槽形态对水力压裂效果的影响 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）第一作者：解晨阳，男，陕西西安人，硕士研究生，：通信作者：刘博，男，吉林四平人，博士，副教授，：缝槽形态对水力压裂效果的影响解晨阳，刘 博，宋晨鹏（中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州；重庆交通大学 河海学院，重庆）摘 要：为研究资源开采中缝槽形态对水力压裂起裂及裂缝扩展规律的影响，解决因地质资源埋藏深、地下储层结构和应力水平复杂、水力压裂开采过程中所造成的钻孔压裂起裂压力大、起裂方位无序、压裂效果差异较大等问题，建立
2、圆孔和椭圆缝槽的二维水力压裂钻孔模型，利用数值模拟软件，理论分析并结合数值模拟，对圆孔和椭圆 个缝槽形态的起裂机理和裂缝的扩展规律进行研究。结果表明：压裂裂缝的扩展延伸方向与施加的应力组合中的最大主应力方向平行，且当施加的应力组合差值不断减小时，裂缝的起裂压力随之逐渐增大；最大主应力平行于椭圆缝槽长轴时相较垂直于椭圆长轴时，裂缝更容易起裂；当应力差减小至零时，对比椭圆缝槽，圆孔缝槽的裂纹扩展出现了随机分叉的现象；在应力组合相同的条件下，椭圆缝槽相比圆孔缝槽的起裂压力更小，椭圆缝槽更容易起裂。关键词：水力压裂；压裂缝槽形态；数值模拟；应力差；裂缝扩展中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科
3、学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：；引 言油气资源以及煤层气、页岩气等非常规地质资源具有热值高、清洁无污染等特点，开采潜力巨大，非常规地质资源的开采利用在一定程度上可以改善能源结构，缓解能源危机。非常规地质资源开采时，水力压裂是一种极其重要的增渗、增产手段，主要是利用煤岩体的力学特性和渗流特性，通过高压注水扩张岩体内原生和次生裂隙，达到弱化煤岩体 强 度、改 善 煤 岩 层 透 气 性 的 目的，为实现非常规气藏的大规模商业化开发提供了有效的技术保障。中国有些地区的油气、煤层气储层的埋藏较深（多为 ，部分超过 ），地下储层结构和应力水平异常复杂，水力压裂时往往会造成钻孔压裂裂缝起裂压
4、力大、起裂方位无序，压裂效果差异较大等现象。水力压裂裂缝无规律的起裂和扩展会直接影响到煤岩层渗透率的提高、后期压裂钻孔的布置、开采效果等一系列问题。国内外已有一些基于水力压裂裂缝起裂和扩展的研究。等研究发现水力压裂复杂裂缝延伸形态的存在，提出了裂缝延伸带的概念，通过在矿区进行试验发现了在水力压裂时主裂缝和分支的细小裂缝会一并扩展延伸；徐刚等提出煤层水力压裂过程会对煤体产生 个效果：生成煤体裂隙和扩展延伸煤体裂隙；等提出了压裂裂缝破裂的数学判断模型，在考虑到孔隙压力和渗透到岩石基质中的流体情况下，总结出破裂压力的数学表达式；黄荣樽综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究，提出垂直裂缝和水平裂缝
5、的起裂判据并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素；张乐等发现最小水平主应力较大的层段可以起到阻挡的作用，若目的层与上下隔层的最小水平主应力相差不大，裂缝高度就不易控制；侯振坤等采用真三轴物理模拟试验机进行模拟，对裂缝的延伸规律进行了分析，研究认为水力裂缝自割缝处起裂并扩展，延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力；严成增等基于 研究了地应力对水力压裂的影响，发现裂隙的扩展方向与最大主应力方向一致，水力压裂裂隙的起裂和扩展主要由最大主拉应力控制，裂隙在拉应力集中的区域起裂；孙可明等、等研究了页岩气储层水力压裂裂缝的影响因素及扩展规律，认为水力压裂裂缝扩展规律由原地应力状态和层理面结构及强度共同决定，
6、层理方向是水力压裂裂缝扩展方向的主控因素；张帆等采用型煤试样，利用自主研发的水力压裂实验系统，进行了煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律，分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。上述研究大多将水力压裂钻孔的起裂问题简化为圆孔在内水压作用下，超过孔壁最大拉应力产生破裂的问题，而实际在钻孔时，孔周围应力重新分布，会使圆形钻孔在地应力作用下呈椭圆状。目前对钻孔的形态，尤其对于水力压裂钻孔射孔后所形成的椭圆形缝槽的起裂问题研究甚少。以圆形、椭圆形缝槽为例，建立圆形、椭圆形 种缝槽形态下的起裂模型，模拟在不同应力大小、方向条件下，起裂压力及起裂后裂缝的扩展，揭示水力压裂裂缝的延伸规律，为生产现场
7、中预测、导向裂缝扩展提供理论依据。不同形态缝槽的压裂模型 圆孔缝槽压裂模型在研究原生结构煤体的起裂机理时，可将煤层钻孔系统抽象成弹性力学中相应可解的空间形式，采用厚壁筒模型进行研究，为简化分析，将三维钻孔应力问题简化为沿 平面的二维钻孔应力问题（图）。图中 和 分别为水平方向和垂直方向施加的 个主应力；为径向正 西 安科技大学学报 年第 卷第 期解晨阳，等：缝槽形态对水力压裂效果的影响应力；为环向正应力；为剪应力。图 圆形钻孔二维压裂模型（据文献修改）（）椭圆缝槽压裂模型当采用高压射流对煤体造缝时，在煤体中形成类圆盘状孔隙，缝隙的空间几何形态可近似为椭圆。沿水平面对岩体中射流造缝形成的椭圆缝槽
8、进行剖切，裂纹尖端处双向为，且在压裂过程中压力保持不变，这时缝槽的平面压裂模型可简化为图。图 椭圆缝槽二维压裂模型（据文献修改）（）裂缝扩展机理 圆孔缝槽的起裂机理考虑到钻孔内水压 和地应力的共同作用，岩体断裂失效准则采用最大拉应力理论，可得任意起裂角度 下（）（）（）式中 为孔内水压，；，为地应力的分量，；为起裂角度，（）。，可用地应力，表示。可得适用于任意角度的压裂钻孔起裂压力计算公式。（）（）（）（）（）（）式中，分别为水平最大地应力、水平最小地应力、垂直地应力，；，分别为压裂钻孔的倾斜角、方位角。椭圆缝槽的起裂机理把高压射流造缝形成的缝隙视为平面上初始裂纹，对比分析线弹性断裂力学及弹塑
9、性断裂力学特征，结合射流造缝煤体受力特征，分析造缝缝隙尖端裂缝 积分，从而得出射流割缝煤体压裂起裂压力的计算公式。当 达到临界值（）时，裂纹开始扩展。能够得出裂纹开始起裂时所需高压水的压力表达式()()()（）式中 ，分别为水平方向和垂直方向施加力，；为孔内水压，；为裂缝长度，；为泊松比。数值模拟 压裂模型的建立采用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统，对圆孔及椭圆 种形态缝槽的起裂及扩展进行数值模拟研究，揭示水力压裂裂缝的扩展规律。个压裂模型均建立在 的矩形区域内，划分 个单元。在模型中部开挖一直径为 的圆孔来表示岩层中的圆孔缝槽（图（）。依据前文射流造缝几何形态的分析，着重分析裂缝起裂及扩展
10、在水平面上特性，因此对缝隙进行平面剖切，在模型中部开挖一个长轴为 ，短轴为 的椭圆（图（）。两者均将模型的水平地应力以位移边界条件的方式施加于模型的两边。在水力压裂过程中，天然储层多为砂岩，故模型中岩体的各项具体参数借鉴于砂岩的力学参数（表）。圆孔缝槽压裂数值模拟分析对于圆孔缝槽压裂模型，为明确应力差对裂 缝起裂压力及扩展特性的影响，总共模拟 组不同应力差的实验，（，）分别为（，）、（，）、（，），模型的水平方向施加力，垂直方向施加力，单位均为。每组实验选择 张压裂图片，分别代表圆孔缝槽裂隙刚开始起裂、起裂中期和起裂后期，图 图 为（，）（，）、（，）、（，）时裂缝的产生、扩展及延伸过程。组实
11、验模拟井筒中注入初始值分别为，并以 的步长递增，表 记录 组不同应力组合各模型的起裂压力。表 岩体力学参数 力学参数均值度弹性模量 内摩擦角（）抗压强度 压拉比残余强度系数孔隙水压系数渗透系数（）泊松比孔隙率参数值 图 不同缝槽形态压裂模型 图 应力组合（，）时圆孔缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）表 不同应力组合模型的起裂压力 （，）起裂压力（，）（，）（，）圆孔缝槽压裂时，当岩层所处水平应力存在差值，裂缝扩展规律明显，图 和图 为水平方向与垂直方向压力不同时的压裂情况。当水平方向应力大于垂直方向应力，裂缝扩展的主延伸方向与最大主应力平行，与最小主应力垂直，且裂缝的延伸没有分叉现象。第 组数值模
12、拟实验如图 所示，施加的，均为 ，岩层所处水平应力相等时，此时裂缝的起裂位置呈现随机性，裂缝扩展没有固定方向，并且在裂缝扩展中出现随机的分叉现象。图 应力组合（，）时圆孔缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）图 应力组合（，）时圆孔缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）表 给出圆孔缝槽在不同应力组合各模型的起裂压力大小。组模拟实验施加的，为（，）、（，）、（，），应力差分别为，对应的起裂压力分别为，可以发现起裂压力的大小取决于水平压力差，水平应力差越大起裂压力越小。椭圆缝槽压裂数值模拟分析对于椭圆缝槽压裂模型，为明确应力差对裂缝起裂压力及扩展特性的影响，同样模拟以上 组应力差的实验，但考虑到最大水平主应力与椭
13、圆 西 安科技大学学报 年第 卷第 期解晨阳，等：缝槽形态对水力压裂效果的影响长轴有平行和垂直 种情况，故以上 组应力差实验变为 组实验，即（，）分别为（，）、（，）、（，）、（，）、（，），模型的水平方向施加力，垂直方向施加力，单位均为。同样每组实验选择 张压裂图片，分别代表椭圆缝槽裂隙刚开始起裂、起裂中期和起裂后期，图 图 为（，）（，）、（，）、（，）、（，）、（，）时椭圆裂缝的产生、扩展及延伸过程，图 中（）（）（）为水平方向施加力 时的压裂图片，（）（）（）为垂直方向施加力 时的压裂图片。模拟井筒中注入初始值分别为，之后水压均以 逐步增加，表 记录 组不同应力组合各模型的起裂压力。图
14、 应力组合（，）和（，）时椭圆缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）（，）（，）表 不同应力组合模型的起裂压力 （，）起裂压力（，）（，）（，）（，）起裂压力（，）（，）在上述应力组合条件下，数值模拟表明椭圆缝槽裂缝扩展规律明显，裂缝扩展的主延伸方向与最大主应力平行，与最小主应力垂直，且起裂压力随着应力差的减小而增大，如图 和图 所示。表 给出椭圆缝槽在不同应力组合各模型的起裂压力大小，当（，）（，）、（，）、（，）、（，）、（，）时，椭圆缝槽的起裂压力分图 应力组合（，）和（，）时椭圆缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）（，）（，）图 应力组合（，）时椭圆缝槽裂缝扩展过程 （，）（，）别为，可以发现当应力
15、差相同、最大主应力的施加方位不同时，裂缝的起裂压力会出现变化，如图 所示第 组模型施加的应力组合（，）为（，），最大主应力平行于椭圆长轴，对应起裂压力 ，图 中第 组模型施加的应力组合（，）为（，），相比上组模拟实验虽然应力差相同，但最大主应力垂直于椭圆长轴，对应的起裂压力为 ，大于最大主应力平行于长轴时的起裂压力。不同形态缝槽压裂数值模拟分析对比为明确在施加应力组合相同的情况下，圆孔和椭圆缝槽的起裂压力大小及裂缝扩展规律，如图 图 所示，分别为应力组合（，）（，）、（，）、（，）时圆孔和椭圆缝槽压裂裂缝的产生、扩展及延伸过程。图 中（）（）（）为圆孔缝槽裂隙刚开始起裂、起裂中期和起裂后期的压
16、裂图片，（）（）（）为椭圆缝槽裂隙起裂、起裂中期和起裂后期的压裂图片。图 应力组合（，）时不同缝槽形态裂缝的扩展过程 （，）（，）通过数值模拟分析可以看出，在应力组合相同的条件下，圆孔和椭圆缝槽压裂裂缝的扩展延伸方向呈现一致的规律，即裂缝扩展的主延伸方向与最大主应力平行，与最小主应力垂直，不同的是椭圆形缝槽的起裂压力小于圆孔缝槽，且裂缝的延伸更具方向。如图 和图 所示，在应力组合为（，）、（，）的条件下，圆孔和椭圆缝槽裂缝均沿着同一方向扩展延伸，与最大主应力方向平行。图 应力组合（，）时不同缝槽形态裂缝的扩展过程 （，）（，）表 给出圆孔和椭圆缝槽在不同应力组合下的起裂压力数据对比，可以发现无论椭圆长轴与施加的最大主应力平行或垂直，椭圆缝槽裂缝的起裂压力均小于圆孔缝槽，这表示在施加应力相同的情况下椭圆缝槽更容易起裂。图 为应力组合（，）下圆孔和椭圆缝槽裂缝的起裂和扩展数值模拟结果，研究表明当岩层所处水平应力相等时，圆孔缝槽裂缝扩展没有固定方向，并且在裂缝扩展中出现随机的分叉现象，但对于椭圆缝槽，裂缝起裂后沿着水平方向延伸，与施加应力方向平行。表 不同缝槽形态在不同应力组合下的起裂压力
