1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 6 月 第 42 卷第 3 期June，2023Vol.42 No.3DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202204056基于离散元法的砾岩水力压裂裂缝扩展规律及主控因素张家伟1，2 刘向君1，2 熊健1，2 梁利喜1，2 张文1，2 张旭3（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610500；3.西气东输苏北输气分公司，江苏 南通226363）摘要：砾岩储层普遍具有
2、低孔低渗、非均质性强等特点，地层起裂以及裂缝扩展难以控制，极大影响了砾岩储层的压裂改造效果。为了搞清砾岩储层水力压裂裂缝的形成机制，针对国内典型砾岩储层，采用数值模拟方法研究了砾岩储层裂缝的扩展规律及主要控制因素。结果表明：强度高、尺寸大的砾石对裂缝的阻碍作用较为明显，破裂压力随着砾石的强度和粒径的增大而增大；低胶结强度比有利于砾石对水力裂缝的“吸引”，进而形成曲折的裂缝延伸路径；水平应力差对裂缝延伸方向起主导作用，随着最小水平主应力的减小，地层起裂难度降低；通过随机森林对影响压裂缝扩展因素的重要程度进行分析，认为胶结强度比和水平应力差为影响压裂缝扩展的主要因素。研究成果为砾岩储层压裂的选层提
3、供了理论依据。关键词：砾岩；离散元；水力压裂；胶结强度比；数值模拟；扩展规律；主控因素中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）03-0048-10Fracture propagation law and main controlling factors of conglomerate hyraulic fracturing based on discrete element methodZHANG Jiawei1，2，LIU Xiangjun1，2，XIONG Jian1，2，LIANG Lixi1，2，ZHANG Wen1，2，ZHANG Xu3（1.
4、Petroleum Engineering School，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu 610500，China；3.WesttoEast Gas Transmission Subei Gas Transmission Branch，Nantong 226363，China）Abstract：Conglomerate reservoirs generally h
5、ave characteristics of low porosity，low permeability and high heterogeneity.Fracture initiation in formation and fracture propagation are difficult to control，much affecting the fracturing effect of conglomerate reservoirs.In order to understand the formation mechanism of hydraulic fractures in cong
6、lomerate reservoirs，the propagation law and main controlling factors of fractures in conglomerate reservoirs are studied by numerical simulation method for typical domestic conglomerate reservoirs.The results show that high-strength and large-size gravel has obvious hindering effect on fractures，and
7、 fracture pressure increases with the increase of strength and particle size of gravel.Low cementing strength ratio is favorable for“attraction”of conglomerate for hydraulic fractures，thus forming tortuous fracture extension path.Horizontal stress difference plays dominant role in fracture extension
8、 orientation，and with the decrease of minimum horizontal principal stress，the diffi收稿日期：2022-04-20 改回日期：2022-08-27基金项目：西南石油大学青年科技创新团队项目“非常规地层岩石物理”（2018CXTD13）。第一作者：张家伟，男，1995年生，在读硕士，从事岩石力学与井壁稳定研究。E-mail：通信作者：刘向君，女，1969年生，博士，教授，博士生导师，从事岩石力学与井壁稳定研究。E-mail：第 42 卷 第 3 期张家伟 等：基于离散元法的砾岩水力压裂裂缝扩展规律及主控因素cult
9、y of fracture initiation decreases.The importance of the factors affecting fractures propagation is analyzed by random forest，and it is considered that cementing strength ratio and horizontal stress difference are the main factors affecting fractures propagation.The research provides theoretical bas
10、is for selection of fracturing layers in conglomerate reservoirs.Key words：conglomerate；discrete element；hydraulic fracturing；cementing strength ratio；numerical simulation；propagation law；main controlling factor0引言随着中国经济和工业化不断快速发展，对化石能源的消耗需求不断增加。研究表明，中国常规油气资源量未来即将接近峰值12，将难以满足中国发展日益增长的能源需求。随着北美页岩气的成功
11、开发，非常规油气资源已经成为油气勘探开发的重要领域34，非常规油气越来越受到重视。砾岩致密油是非常规油气资源的重要组成部分5，2018年在新疆油田玛湖凹陷发现了世界上最大的砾岩油田，被证实探明石油地质储量达到了 5.2108 t6，砾岩致密油资源的勘探开发对于缓解中国能源紧张的局面具有十分重要的意义。砾岩储层普遍具有低孔、低渗的特点，自然产能较低，需要进行压裂改造才能实现大规模投产开发711。在压裂施工改造过程中，评价压裂效果最主要的判断指标就是压裂缝的几何形态。近年来，国内外学者在水力压裂裂缝延伸的规律和机制上进行了大量的理论、物理实验和数值模拟研究。在理论研究方面，国外有些学者提出了裂缝在
12、材料中的起裂和扩展机理1214，国内张广清等15利用拉格朗日法和最大拉应力准则建立了水力裂缝空间模型，H.Y.Tang等16基于DDM方法提出多平面压裂缝扩展模型，J.N.Dong 等17解释了流体与裂缝尖端的动态关系。在物理实验方面，刘鹏等1821通过真三轴水力压裂模拟系统研究了不同应力比和粒径比、注入速率、水平井角度和砾石粒径等因素对裂缝扩展的影响。在数值模拟方面，李连崇等2223通过有限元 RFPA模拟砾岩地层裂缝扩展过程并发现了5种裂缝的扩展形态，X.Shi等24采用CZM模拟了含裂缝的强非均质性砾岩水力压裂裂缝扩展路径。尽管已经取得了许多对砾岩储层油气勘探开发具有指导意义的研究成果，
13、但有限元法和物理实验同样具有较大的局限性，前者具有网格不能实时更新、裂缝尖端网格划分困难以及高密度网格牺牲大量的算力等局限性，后者存在难以大规模开展实验，难以充分认识砾岩储层中裂缝扩展规律和量化相关研究等问题。离散元法在研究非连续介质力学问题上具有显著的优势，能够实时计算跟踪颗粒之间的交互作用，精确揭示微观尺度上的力学响应，能够捕捉裂缝成核、起裂延伸，并能描述复杂的裂缝形态，因此在岩石水力压裂领域得到大量应用。本文采用离散元方法，基于渗流-离散元耦合模型建立砾岩水力压裂模型，研究砾岩储层地质因素（砾石粒径、胶结强度、砾石强度）以及工程因素（地应力）对水力裂缝扩展规律的影响。利用随机森林分析各因
14、素对水力压裂效果影响的重要程度，并采用层次分析法构建储层压裂计算模型。研究结果对认识砾岩储层水力裂缝的扩展机理及压裂选层可提供一定参考。1砾岩离散元模型1.1离散元法本文在离散元模拟软件 PFC2D平台上进行建模、模拟。在离散元法中采用颗粒表示岩石的矿物组分，采用键表征岩石矿物颗粒间的黏结特性，用平行黏结模型表示（图 1），可以很好地模拟岩石的力学行为。平行黏结模型可用于模拟材料的拉张破坏特图1平行黏结模型Fig.1 parallel bond model492023 年大庆石油地质与开发性，也能模拟材料的剪切破坏特性，其构模型表达式为 =FnA+MbRI（1）式中：黏结键周边法向应力，MPa
15、；Fn黏结键接触处的法向力，kN/m；Mb接触点的弯 矩，kN/m；R 两 颗 粒 的 平 均 半 径，m；A 横截面面积，m2；I惯性矩，m4；力矩贡献系数。离散元法能准确地表征材料微观力学性质，根据颗粒之间的黏结即可判断是否产生裂缝及裂缝的位置。当颗粒间的拉张应力超过拉张强度时，颗粒间的法向黏结破坏，从而形成张性裂缝；当颗粒间的切应力超过剪切强度时，颗粒间切向黏结被破坏形成剪切裂缝。当外部载荷持续增加，黏结键持续断裂，裂缝持续增加，在模型上显示出累计裂纹，起裂准则关系式为：t=Fn（2）=ntan+Fs（3）式中：t拉张应力，Pa；切应力，Pa；n法向压应力，Pa；Fs法向切向力，Pa；内
16、摩擦角，（）。1.2砾岩单轴模型及其参数砾岩取自于玛湖凹陷百口泉组，埋藏深度3 1093 259 m，砾石体积分数 30%70%，粒径 570 mm。砾岩储层孔隙度为 2.1%6.4%，渗透率0.12610-30.61310-3 m2，具有低孔、低渗的特点。通过 CAD 软件获取砾石轮廓后，导入到离散元模型中，数值模型由砾石、基质和胶结界面构成，模型长宽尺寸为100 mm100 mm，见图2。由于离散元数值模型中颗粒的细观力学参数与材料的宏观力学参数之间没有严格的对应关系，因此多采用“试错法”标定细观力学参数，直到模型符合宏观力学行为25。砾石与基质之间主要为泥质胶结，强度由高至低依次为砾石、基质、胶结，为降低问题的复杂性，本文对砾石统一赋值。“试错法”标定结果表明（图 3），数值模拟与室内实验的应力-应变曲线在峰值强度前及峰值强度点吻合度较好，弹性模量误差为1.9%，峰值强度误差为1.6%，均在合理误差范围内（图 3（a）。数值模拟结果的破坏形态与室内实验结果一致（图 3（b），也表明了细观参数的合理性。1.3水力压裂模型根据真实砾岩样品的砾石分布情况，建立了细砾岩、中砾岩和粗砾岩的