摘 要：水平井及水力壓裂技術(shù)是當(dāng)前非常規(guī)致密儲(chǔ)層，尤其是頁(yè)巖儲(chǔ)層開發(fā)的主要手段，然而，天然裂縫發(fā)育導(dǎo)致水平井水力壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，為合理優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣產(chǎn)能帶來(lái)困難。本文綜合考慮水力壓裂內(nèi)流體湍流流動(dòng)及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，建立了致密儲(chǔ)層水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，應(yīng)用混合有限元法對(duì)上述模型進(jìn)行離散求解。計(jì)算研究表明：水力壓裂裂縫內(nèi)流體湍流影響導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展速度明顯高于常規(guī)層流模型；水力壓裂裂縫與天然裂縫的相互作用是造成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要原因。

關(guān)鍵詞：非常規(guī)儲(chǔ)層；水平井；壓裂；裂縫網(wǎng)絡(luò)；頁(yè)巖氣

頁(yè)巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，根據(jù)美國(guó)能源情報(bào)署估計(jì)，中國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量超過(guò)其它任何一個(gè)國(guó)家，可采儲(chǔ)量有1275萬(wàn)億立方英尺。按當(dāng)前的消耗水平，這些儲(chǔ)量足夠中國(guó)使用300多年。頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低孔特征和極低的基質(zhì)滲透率，因此多數(shù)頁(yè)巖氣井都需要進(jìn)行壓裂改造，目前美國(guó)已發(fā)展了水平井與水力壓裂相結(jié)合的頁(yè)巖氣開采主流技術(shù)[1-3]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造不同于常規(guī)氣藏，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)向裂縫的供氣能力較差，僅靠單一的壓裂主縫很難取得預(yù)期的增產(chǎn)效果，必須進(jìn)行“體積壓裂”以形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。因此，精確模擬裂縫網(wǎng)絡(luò)分布是頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程中壓裂方案優(yōu)化和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)[4-5]。

對(duì)于水力壓裂裂縫預(yù)測(cè)的研究已經(jīng)有半個(gè)世界的歷史，早期學(xué)者[6-7]基于均質(zhì)和各相同性介質(zhì)假設(shè)建立了傳統(tǒng)水力壓裂的雙翼擴(kuò)展模型，裂縫垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展。雙翼模型為常規(guī)油藏水力壓裂裂縫的擴(kuò)展提供了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的預(yù)測(cè)方法，在石油與天然氣的開采中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于天然裂縫的存在以及巖石的非均質(zhì)性和各向異性，水力壓裂應(yīng)用于致密油氣藏、頁(yè)巖氣藏時(shí)會(huì)出現(xiàn)非常復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，微地震數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了證實(shí)[8-9]。有些學(xué)者建立了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型用來(lái)模擬水力裂縫的擴(kuò)展及其與天然裂縫的相互作用[10-11]。部分學(xué)者基于非連續(xù)位移法建立了層面和摩擦界面對(duì)水力裂縫增長(zhǎng)影響的模型，借助離散元法研究了天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響[12-13]。當(dāng)前的研究多以裂縫內(nèi)層流流體流動(dòng)為基礎(chǔ)，且對(duì)于天然裂縫影響考慮過(guò)于單一。本文本文綜合考慮水力壓裂內(nèi)流體湍流流動(dòng)及水力壓裂裂縫與天然裂縫相互作用的影響，提出了了致密儲(chǔ)層水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，可以很好的預(yù)測(cè)致密儲(chǔ)層裂縫展布，對(duì)于致密儲(chǔ)層水力壓裂優(yōu)化及產(chǎn)能預(yù)測(cè)有重要的理論意義。

1 模型建立

模型綜合考慮了儲(chǔ)層變形和破裂、裂縫內(nèi)流體流動(dòng)的影響，應(yīng)用雙翼模型裂縫縫寬預(yù)測(cè)模型及擬三維思想，建立了致密儲(chǔ)層裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型，具體包括：流體流動(dòng)方程，裂縫寬度方程、系統(tǒng)流體質(zhì)量守恒方程、裂縫擴(kuò)展判別準(zhǔn)則及輔助邊界條件等。