李慶輝，李少軒，劉偉洲

(1.前海港灣能源科技發(fā)展(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000； 2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710126； 3.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

深層頁巖油氣藏的勘探開發(fā)已經(jīng)逐漸成為非常規(guī)能源研究的熱點。由于特殊的地質(zhì)力學(xué)條件，深層頁巖在理化性能、巖石力學(xué)特性方面具有特異性，給油氣開發(fā)帶來極大挑戰(zhàn)[1-2]。以往的研究大多針對頁巖露頭或淺層樣品開展實驗分析[3-6]，相關(guān)實驗方法及測試標(biāo)準(zhǔn)大多集中在常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)的評價方面[3-4]。淺層頁巖具有顯著的脆性，巖石裂縫相對發(fā)育，具有較好的壓裂改造基礎(chǔ)[5，7-10]。由于淺層頁巖強度適中，天然裂縫發(fā)育較好，大多數(shù)裂縫處于半開啟(開啟)狀態(tài)，巖心餅化現(xiàn)象顯著，層理性更好，成巖膠結(jié)對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響并不明顯[6]。然而，深層頁巖的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、泊松比等力學(xué)參數(shù)與淺層頁巖具有明顯的不同[8-12]，這方面尚存在研究空白[4，13-14]。隨著國內(nèi)外深層頁巖的不斷開發(fā)[10]，迫切需要針對深層頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)開展系統(tǒng)的實驗研究及分析工作，掌握其力學(xué)及形變特性，獲得關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)及隨深度的變化規(guī)律，為井壁穩(wěn)定性分析、壓裂工藝設(shè)計、油藏數(shù)值模擬及生產(chǎn)開發(fā)提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)[4，8-11]。

1 深層頁巖巖石力學(xué)實驗方法

實驗巖心樣品取自四川盆地東南緣下志留統(tǒng)五峰組—龍馬溪組地層，構(gòu)造上位于川黔鄂褶皺帶結(jié)合部。該地區(qū)頁巖氣藏保存條件較好，地質(zhì)年代久，埋藏深，臺內(nèi)坳陷控制優(yōu)質(zhì)頁巖的形成分布，頁巖厚度大，有機質(zhì)含量高，頁巖氣層段壓力系數(shù)高，頁巖氣富集程度高。實驗采用的是同一地質(zhì)年代地層取樣的巖心，為兼顧層理面的影響，抗壓強度和抗拉強度測試時取樣方向應(yīng)保證最后施加的最小主應(yīng)力與層理面方向垂直，同時遵循“壓為正、拉為負(fù)”的力學(xué)原則。

單軸及三軸巖石力學(xué)實驗巖樣為沿層理面方向鉆取的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣，尺寸為Φ25.00 mm×50.00 mm，誤差不超過±0.50 mm，端面平行度誤差小于±0.02 mm。設(shè)備為剛性伺服控制的巖石力學(xué)測試系統(tǒng)，剛度為40 MN/mm，加載能力為2000 kN，圍壓上限為200 MPa。三軸實驗時，先將圍壓以3 MPa/min的速率加載至預(yù)定值，再軸向加載直至破壞。

采用巴西劈裂實驗法測試頁巖巖樣的抗拉強度。沿垂直于層理面方向鉆取直徑為50 mm的圓柱體巖心，切割加工成高徑比為1∶2的圓餅巖樣。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，將其表面打磨光滑，上下表面平行度控制在0.50 mm，平整度控制在0.02 mm以內(nèi)，以滿足實驗要求。采用直剪實驗法測試頁巖的抗剪強度、內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力。

按照國際巖石力學(xué)學(xué)會直剪實驗標(biāo)準(zhǔn)制備頁巖樣品。由于實驗所用巖樣尺寸較其他實驗更大，需要采用露頭樣品完成。取樣時選擇深度超過風(fēng)化層3 m以上、保存完整的頁巖樣品，巖樣尺寸為50 cm×50 cm×50 cm。取樣時確保層理面與一組表面平行，用于測量結(jié)構(gòu)層理面抗剪強度?？刂萍魬?yīng)力方向載荷的加載速度，巖樣相對位移不高于2.0 mm/min，位移達(dá)到0.2～0.5 mm記錄一次相應(yīng)的剪應(yīng)力值和位移量，當(dāng)剪切位移穩(wěn)定增加而剪應(yīng)力降至某一常值或剪力向位移量超過10.0 mm時，當(dāng)次測量即可停止。

深層頁巖的脆性評價采用全應(yīng)力應(yīng)變曲線分析法[8，10]，實驗數(shù)據(jù)基于三軸壓縮實驗，施加圍壓參考井下實際應(yīng)力環(huán)境。為與淺層頁巖進(jìn)行對比分析，取固定圍壓值為0、15、30、45、60、75、90 MPa進(jìn)行實驗并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 深層頁巖巖石力學(xué)實驗及形變特性研究

2.1 深層頁巖強度特性

2.1.1 抗壓強度

通過施加不同圍壓模擬頁巖在不同深度的抗壓強度(圖1，σc為圍壓，MPa)。由圖1a可知：頁巖的屈服強度(曲線偏離彈性直線段處的應(yīng)力)[13]、膨脹點強度(非穩(wěn)定破裂階段起點處的應(yīng)力)[14]、抗壓強度(峰值應(yīng)力)、殘余強度(宏觀破裂發(fā)生后的殘余應(yīng)力臺階)[10]均隨圍壓的升高而升高。圍壓為60 MPa以上時，抗壓強度不太穩(wěn)定，σc為60、70 MPa的2條曲線更加接近。此時，圍壓對天然裂縫及層理面的限制作用比較明顯，深層頁巖本身礦物結(jié)構(gòu)及不均一程度擾亂了抗壓強度隨圍壓升高的規(guī)律性。因此，針對埋深較深、圍壓較高的頁巖，建議按照目的層應(yīng)力環(huán)境開展抗壓破壞實驗，獲取特定埋深及礦物組成的頁巖的抗壓性能。

圖1 頁巖抗壓強度隨圍壓變化曲線Fig.1 The curve of shale crushing strength versus confining pressure

在分析全應(yīng)力應(yīng)變曲線時，重點關(guān)注屈服強度、膨脹點強度、抗壓強度、殘余強度等幾個特征點之間的變化及與實際破裂過程的對應(yīng)關(guān)系。

(1) 屈服強度。由圖1b可知：隨圍壓的升高，屈服強度穩(wěn)定升高。屈服強度對應(yīng)的應(yīng)變量代表主彈性形變階段結(jié)束的時刻。屈服強度逐漸升高代表頁巖在破壞前儲備彈性能的水平不斷升高，圍壓越高，巖石變得越硬，越不容易破壞。

(2) 膨脹點強度。屈服強度和膨脹點強度分別代表巖樣發(fā)生穩(wěn)定破裂和非穩(wěn)定破裂的起始點[15]。隨著圍壓升高，這2個數(shù)值也明顯升高，這表明頁巖巖樣在圍壓升高時，發(fā)生穩(wěn)定破裂和非穩(wěn)定破裂的難度均顯著提高(圖1b)?？梢?，隨著頁巖儲層賦存深度變深、圍壓增加，地層被壓開并形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的難度變大。

(3) 峰后應(yīng)力跌落幅度?？箟簭姸扰c殘余強度間的差值為峰后應(yīng)力跌落幅度[13]，在圖1b中以線段頂?shù)组g長度表示。跌落幅度主要用來表征頁巖巖樣達(dá)到破裂點后，在內(nèi)部剩余能量作用下自行發(fā)生多維破裂形成自由表面的能力，可以部分代表脆性的大小[10]?？傮w而言，隨著圍壓升高，峰后應(yīng)力跌落幅度顯著變小，代表頁巖巖樣在高圍壓條件下，自行維持脆性破裂及形成多維裂縫面的能力顯著降低。

(4) 抗壓強度?？箟簭姸群蜌堄鄰姸阮愃?，均隨圍壓的增大而近似線性增大。但抗壓強度對圍壓的敏感性不如殘余強度高，因此，圖1b中的黃色虛線較平，綠色虛線較陡，這也是深層頁巖破壞后殘余應(yīng)力平臺較高，脆性相對變?nèi)?、延性逐漸增強的客觀表現(xiàn)。

2.1.2 抗拉強度

通過力學(xué)實驗得到不同賦存深度對頁巖抗拉強度、抗剪強度的影響規(guī)律(圖2)。由圖2a可知：隨著埋深的增加，10組頁巖巖樣的抗拉強度逐漸增加，整體規(guī)律性比較明顯；5組深層頁巖巖樣的抗拉強度顯著高于其他相對淺層頁巖巖樣的抗拉強度，以4 500～5 000 m為分界點；埋深最深的頁巖巖樣的抗拉強度較其他頁巖巖樣的抗拉強度有突變式增加。分析認(rèn)為，埋深增加后，頁巖的層理及紋理處的膠結(jié)效果變得更好，該巖樣尤其完整，因此，抗拉強度也更高。

圖2 賦存深度對頁巖抗拉、抗剪強度的影響Fig.2 The effect of occurrence depth on shale tensile and shear strength

頁巖儲層水力壓裂過程中主裂縫的形成和擴展主要以拉張型為主，抗拉強度升高后，若需要形成裂縫，則要求井筒和縫內(nèi)靜壓力同時升高。這也是現(xiàn)場壓裂改造時，深層頁巖儲層壓裂時往往難以壓開、持續(xù)蹩壓的原因，同時也造成所需的泵壓和排量更高[1]。

2.1.3 抗剪強度

通過施加法向應(yīng)力，模擬地層條件下埋深增加時剪切應(yīng)力增加的情況(圖2b)。由圖2b可知：隨法向應(yīng)力的增加，剪切應(yīng)力呈整體升高的趨勢；淺層頁巖抗剪強度隨法向應(yīng)力增加而升高的速度(藍(lán)色虛線斜率為0.399 8)低于深層頁巖抗剪強度隨法向應(yīng)力增加而升高的速度(紅色虛線斜率為0.650 3)，后者的變化速率約為前者的2倍。這表明，隨著頁巖埋深的增加，法向應(yīng)力超過25 MPa后，抗剪強度將不能簡單依靠淺層頁巖實驗得到的相關(guān)關(guān)系外推獲得，否則將帶來較大誤差。此外，不施加正應(yīng)力和施加最大正應(yīng)力的巖樣，其抗剪強度差異接近4倍。因此，在評價深層頁巖剪切應(yīng)力時必須考慮原位正應(yīng)力的影響。

在淺層頁巖壓裂過程中，除了主裂縫還會形成更多次級擴展的裂縫(Ⅱ型剪切滑移裂縫)，這些裂縫共同構(gòu)成水力壓裂改造后的復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。次級裂縫、分支裂縫和連通性裂縫大多具有不沿最大主應(yīng)力擴展的特點[6]。偏離最大應(yīng)力方向的分支裂縫除了需要承受垂直裂縫壁面施加的正應(yīng)力，同時會受到沿裂縫壁面施加的剪切應(yīng)力影響，當(dāng)達(dá)到抗剪強度時，裂縫開始發(fā)生錯動、滑移，從而形成上述幾類次生裂縫，進(jìn)而改善壓裂效果[6,8,13]。

但從實驗結(jié)果看，賦存更深的頁巖其法向應(yīng)力也相應(yīng)增加，抗剪強度得到顯著提高，導(dǎo)致次級裂縫的起裂和擴展難度加大。這種難度將限制裂縫轉(zhuǎn)向和分叉行為的發(fā)生，導(dǎo)致最大主應(yīng)力方向的主裂縫重新獲得擴展優(yōu)先權(quán)，從而形成形狀更加單一的裂縫，較難形成復(fù)雜裂縫和縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不利于壓裂改造體積的增加。

同時，圖2b也反映出深層頁巖的抗剪強度參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)與淺層頁巖存在差異。內(nèi)聚力(截距)和內(nèi)摩擦角(斜率)除了可以表征頁巖的剪切形變能力外，還能反映不同深度頁巖顆粒大小、咬合及成巖膠結(jié)強度等方面的重要信息，是評價深層頁巖完整性、抵抗裂縫形變能力、抗剪能力的重要指標(biāo)。由圖2b可知：深層頁巖與淺層頁巖的內(nèi)聚力差異并不顯著，而前者內(nèi)摩擦角卻顯著大于后者。因為巖樣取自于同年代同地層，頁巖礦物組成基本相同，礦物顆粒體積也基本相似，不同分子間引力無較大差別，因此，內(nèi)聚力雖有增加但差異不大；內(nèi)摩擦角差異主要是因為不同深度頁巖的密度、顆粒形狀及孔隙度有變化，深層頁巖的密度較淺層頁巖一般相對更大，顆粒在較高有效應(yīng)力作用下產(chǎn)生進(jìn)一步的形變，孔隙度也相對更低，這些都進(jìn)一步增大內(nèi)摩擦角，進(jìn)而影響頁巖抗剪性能。

2.2 深層頁巖的形變特性

根據(jù)實驗結(jié)果計算頁巖各形變參數(shù)隨圍壓的變化情況(圖3)。由圖3可知：隨圍壓升高，變化趨勢最顯著的是彈性模量和泊松比，彈性模量隨圍壓升高而顯著升高，泊松比則隨之降低。根據(jù)國外學(xué)者的研究[11]，彈性模量越高、泊松比數(shù)值越小，頁巖脆性越好。若僅從圖3分析，隨著圍壓升高頁巖脆性似乎變得更好。

圖3 不同圍壓對頁巖形變模量的影響Fig.3 The influence of different confining pressures on shale deformation modulus

但實際上這并不符合真實情況[10，12-14]，除了說明這種脆性評價方法存在缺陷外[10]，從能量演變的角度看，深層頁巖全應(yīng)力應(yīng)變過程中共有3個比較重要的彈性蓄能三角形，分別是彈性階段彈性蓄能E1、破壞前累積彈性能E2及破壞后殘余彈性能E3(圖4a，σy為屈服強度，σs為膨脹點強度，σp為抗壓強度，σr為殘余強度，α為彈性斜率)。在應(yīng)力達(dá)到峰值點后，頁巖開始發(fā)生脆性破裂，裂縫的擴展是在累積彈性能E2驅(qū)動下發(fā)生的，彈性模量越高相應(yīng)的彈性蓄能能力也越高，一般而言脆性也更好。但對于深層頁巖，由于頁巖破壞完成后殘余彈性能E3普遍隨深度增加而升高，因此，真正用于促進(jìn)裂縫自發(fā)生長的彈性驅(qū)動能(E2-E3)反而隨埋深和圍壓增加逐漸降低，這與圖1b中跌落幅度逐漸減小代表的含義一致，說明更大比例的能量被頁巖內(nèi)的塑性形變消耗，脆性已然變差。

頁巖的破壞過程伴隨著彈性能的累積與釋放，同時也是總能量向彈性能和塑性能的轉(zhuǎn)化過程，如圖4b所示。在圖4b中，頁巖破壞階段的彈性驅(qū)動能和塑性形變能用氣泡圖進(jìn)行表征，氣泡大小代表2種能量各自的數(shù)值大小，氣泡位置代表兩者之間的相對比例。由圖4b可知，在不考慮其他能量損耗的情況下，頁巖巖樣破壞過程中，99.18%的彈性驅(qū)動能[13]是為裂縫擴展提供能量，而在圍壓為90 MPa的深層頁巖中這一比例降至36.56%，減少的能量都消耗在不可逆的塑性變形中；深層頁巖在壓裂變形時獲得的絕大多數(shù)能量不再用于有效裂縫的形成，而是消耗在了塑性形變上，這種變化不利于深部頁巖的壓裂改造，改造后的有效裂縫體積也將大大低于淺層頁巖，從而影響單井產(chǎn)能。

圖4 頁巖形變過程中彈性能變化規(guī)律及能量分配比例

此外，盡管深層頁巖與淺層頁巖相比其塑性表現(xiàn)更加明顯，但評價其形變恢復(fù)能力的剪切模量、體積恢復(fù)能力的體積模量和橫縱向應(yīng)變差異的拉梅常數(shù)均無明顯變化。這表明，深度并未對頁巖形變后的恢復(fù)能力產(chǎn)生顯著影響。對應(yīng)于壓裂改造現(xiàn)場應(yīng)用，施工時形成的壓裂裂縫在長期開采過程中會逐漸變化并恢復(fù)閉合，而深層頁巖這一裂縫形變恢復(fù)能力與淺層頁巖相當(dāng)。長期開采時，深層頁巖在同等應(yīng)力作用下，具有淺層頁巖類似的裂縫閉合能力，而考慮到深層頁巖實際閉合應(yīng)力又遠(yuǎn)高于淺層頁巖，其人造裂縫發(fā)生閉合的速度和程度必將超過淺層頁巖，不利于生產(chǎn)工作的持續(xù)進(jìn)行。

2.3 深層頁巖破壞形式及脆性演變

通過三軸抗壓及抗拉強度實驗，可以得到頁巖破壞形式和裂縫擴展結(jié)果(圖5、6)。由圖5可知，在軸向壓縮作用下，低圍壓淺層頁巖受力達(dá)到斷裂極限后，主要以劈裂式拉張縫為主[4]，裂縫發(fā)育的數(shù)量與尺寸均較為明顯，由于受側(cè)向壓力限制的作用較小，不同尺寸的裂縫遍布巖樣，形成比較充分的裂縫體(圖5a—e)。深層頁巖處于較高的圍壓環(huán)境，受力后以雙剪裂縫和單剪裂縫為主，此外由于側(cè)限壓力較高，裂縫法向應(yīng)力分量較大，部分微細(xì)裂縫起裂及擴展困難，只沿部分薄弱點形成較短擴展(圖5f、g)。

圖5 頁巖三軸抗壓實驗裂縫擴展效果

由圖6可知，在無側(cè)限壓力作用下，從不同深度取得的頁巖樣品，巴西劈裂實驗中裂縫破壞形態(tài)和劈裂效果整體差異不大。由于加載時上下加壓點連線與頁巖層理方向大致相同，實驗后形成的破壞都以拉張型裂縫為主，縱向貫通截面(圖6a、b)，部分頁巖巖樣會出現(xiàn)1～2條分支裂縫，主要為層理面剝離發(fā)育的次生裂縫(圖6c—e)。

圖6 頁巖劈裂實驗裂縫擴展效果

通過分析實驗結(jié)果可以看到，頁巖在無側(cè)限壓力作用下，取自不同深度處的樣品其拉張型裂縫形成的效果沒有太大差異，之所以在井下形成張性縫的結(jié)果和形式有所差異，主要來自于賦存環(huán)境的外在影響，地應(yīng)力狀態(tài)、地層流體壓力等都顯著影響了頁巖張性裂縫的形成和擴展，進(jìn)而帶來井下人工造縫難度上的較大差異。通常來講，地應(yīng)力越大，張性縫形成越困難；流體壓力越大，巖石脆性相對越好。

通過全應(yīng)力應(yīng)變曲線法，計算頁巖巖樣在不同圍壓下受力破壞全過程的脆性指數(shù)，得到結(jié)果如表1所示。由表1可知：埋深越大的頁巖，其所受的圍壓相應(yīng)也越高，高圍壓能顯著影響頁巖的脆性，圍壓達(dá)到60 MPa時，頁巖已經(jīng)開始由拉張型脆斷破壞逐漸向剪切滑移型雙剪切破壞轉(zhuǎn)變，圍壓達(dá)到75 MPa時，剪切滑移型裂縫成為主要的破壞形式；繼續(xù)增加圍壓至90 MPa時，深層頁巖已經(jīng)呈現(xiàn)出單剪裂縫型破壞模式。脆性指數(shù)計算的結(jié)果與圖1、4的分析結(jié)果相吻合，三者相互佐證，顯示頁巖在賦存深度較深的環(huán)境下將逐漸由彈-脆性向塑-延性力學(xué)狀態(tài)過渡。

表1 頁巖巖樣抗壓破壞脆性指數(shù)計算結(jié)果Table 1 The calculating results of compressive failure brittleness index of shale rock sample

限于篇幅，不深入探討溫度對頁巖強度和脆性的影響。但據(jù)前人研究成果[12-14]可知，賦存深度越深的巖石在高溫作用下，內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)和本身礦物組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生內(nèi)在變化，這將促使巖石由淺層的脆性向深層的延性轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度大約在200 ℃以上。眾多學(xué)者認(rèn)為[12-18]，四川東部至湖北西部下志留統(tǒng)頁巖的脆性底界為1 940～2 763 m，因此，埋深為4 500～5 000 m處的溫度、應(yīng)力環(huán)境，雖然不會讓頁巖由脆性徹底轉(zhuǎn)變成延性，但已顯著影響頁巖的力學(xué)表現(xiàn)，使其開始接近脆性—延性的轉(zhuǎn)變范圍，這與文中的研究結(jié)論一致。

3 深層頁巖力學(xué)特性的變化對壓裂改造的影響

3.1 壓裂改造效果的敏感性分析

上述分析表明，深層頁巖力學(xué)特性的變化對其本體破裂形式、形變造縫能力都有顯著影響。采用Weng等提出的非常規(guī)裂縫模型(UFM)，考慮深層頁巖力學(xué)參數(shù)變化對裂縫溝通、應(yīng)力陰影及縫間干擾的影響，建立巖石力學(xué)因素對儲層改造體積的敏感性模型[17-19]，計算結(jié)果見表2。

由表2可知：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量增加時，儲層SRV會隨之降低；泊松比、脆性指數(shù)減小時，儲層SRV也會降低?？估瓘姸鹊脑黾?，能夠最為顯著地影響SRV結(jié)果，敏感性最高，主要由于有效裂縫大多以拉張型裂縫為主，抗拉強度的增加顯著提高了裂縫生成的難度；其次是脆性指數(shù)，作為頁巖變形破壞的綜合指數(shù)，其綜合反映了其他力學(xué)參數(shù)的整體變化，參考意義較大；再次是抗壓強度、泊松比、抗剪強度和彈性模量。盡管SRV對各參數(shù)的敏感性不同，但都反映出隨賦存深度的增加，各參數(shù)都較為顯著地影響了儲層改造的結(jié)果，甚至大大降低了改造效果。

表2 深層頁巖儲層改造體積的敏感性分析Table 2 The sensitivity analysis of stimulated volume of deep shale reservoir

3.2 人工裂縫起裂壓力升高

由于頁巖屬于水化效應(yīng)比較明顯的巖石，采用考慮水化應(yīng)力的破裂壓力計算模型，分析賦存深度對起裂壓力的影響[18]。

結(jié)合前人研究成果及現(xiàn)場壓裂經(jīng)驗[10，18]，開展單因素變量分析后可以看到，頁巖地層起裂壓力隨埋深的增加呈顯著升高趨勢。通過計算可以得到埋深為3 000 m和5 000 m的頁巖的起裂壓力數(shù)值(表3)。由表3可知：頁巖在埋深為3 000 m時的起裂壓力約為57 MPa；埋深為5 000 m時，起裂壓力達(dá)到110 MPa左右。埋深的增加通過影響地應(yīng)力水平、抗拉強度及泊松比等力學(xué)參數(shù)，顯著提升了地層起裂壓力，為壓裂施工的開展帶來更高的難度。

表3 深層頁巖與淺層頁巖天然裂縫激活參數(shù)對比Table 3 The comparison of natural fracture activation parameters between deep shale and shallow shale

3.3 天然裂縫激活難度變大

在淺層頁巖中，人工裂縫在起裂位置或擴展路徑中遇到相對薄弱的天然裂縫時會將其激活。深層頁巖由于地應(yīng)力更大，作用在天然裂縫壁面的正應(yīng)力更大，發(fā)生剪切和拉張型開啟的效率都更低，加上巖石在漫長的地質(zhì)年代過程中經(jīng)由地下流體攜帶的礦物質(zhì)填充，裂縫本身膠結(jié)狀態(tài)改變，壓裂液自人工裂縫進(jìn)入后，并不容易引起天然裂縫的激活效應(yīng)。

采用水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向擴展的壓力公式[16]計算深層頁巖裂縫轉(zhuǎn)向條件。結(jié)果表明：淺層裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向相對更容易，轉(zhuǎn)向壓力比起裂壓力高3 MPa左右即可滿足轉(zhuǎn)向條件；深層頁巖發(fā)生裂縫轉(zhuǎn)向時的難度更大，比起裂壓力約高6 MPa(表3)，難度增加一倍。

3.4 裂縫發(fā)生分叉難度增加

頁巖氣儲層產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于裂縫擴展時產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和分支裂縫，從而提高人造裂縫的復(fù)雜程度，增大改造體積。關(guān)于頁巖裂縫轉(zhuǎn)向的研究較多，但針對其分叉現(xiàn)象的討論較少，根據(jù)動態(tài)斷裂力學(xué)及能量守恒理論，水力裂縫發(fā)生分叉時的條件主要有2個：必要條件用來判斷外界供能是否能夠驅(qū)動多條裂縫分支共同擴展；充分條件用來判斷裂縫分叉后張開角度是否足夠大，從而避免裂縫再次合并[17]。

必要條件為：

(1)

充分條件為：

(2)

實際分析時，裂縫分叉擴展的必要條件可作為壓裂過程中裂縫分叉行為發(fā)生與否的力學(xué)判斷準(zhǔn)則，求得裂縫分叉角度后代入充分條件可判斷裂縫是否滿足分支縫獨立擴展的條件。

采用ANSYS數(shù)模軟件，模擬不同深度水力壓裂時裂縫的擴展形態(tài)。從數(shù)值模擬結(jié)果看，淺層頁巖在壓裂過程中，主裂縫易在擴展到一定長度后產(chǎn)生更高的能量累積，從而驅(qū)動更多分支裂縫的擴展，次生分支縫部分能夠獨立擴展，部分則由于主縫優(yōu)勢和應(yīng)力主導(dǎo)重新并入主裂縫，最終形成類似于網(wǎng)狀的裂縫體，壓裂效果相對較好[16]。

結(jié)果表明，深層頁巖壓裂時主裂縫起裂、延伸、轉(zhuǎn)向及分叉受到更高法向應(yīng)力及剪切摩擦力的影響，雖然能量積累也可以產(chǎn)生大角度分支裂縫，但受到高法向應(yīng)力影響，大多無法與主縫競爭，擴展較短距離后則停止生長。從力學(xué)角度分析，由于頁巖在深層應(yīng)力環(huán)境影響下具有塑性增強的特點，微分支縫在裂縫尖端形成后，其長度常小于裂縫尖端塑性變形區(qū)的尺寸，當(dāng)主裂縫繼續(xù)向前延伸時，微分支縫即停止擴展[17]。有些分支縫則在分叉時受到最大主應(yīng)力的顯著影響，只能形成較小角度分叉，分支縫擴展較短距離后會被主裂縫吸收、合并，最終沿主裂縫擴展路徑留下短毛刺狀的整體裂縫形態(tài)，裂縫數(shù)量及縫網(wǎng)體積較淺層頁巖顯著降低。

3.5 壓裂液體系及流程變化

深層頁巖壓裂后，儲層裂縫數(shù)量的減少和裂縫形式的改變(由張性縫過渡為剪切滑移縫)，必然會影響壓裂液體系的設(shè)計和支撐劑的選擇[19]。深層頁巖壓裂時將逐漸減少滑溜水的用量，轉(zhuǎn)而采用凝膠+滑溜水+凝膠的配合形式，前后2段凝膠可適當(dāng)選擇不同黏度配方，同時在支撐劑選擇上，需要加大100目及40(70)目覆膜陶粒用量，尾端追加30(50)目覆膜粉陶，以適應(yīng)高閉合壓力、低裂縫寬度下的支撐劑受力情況。

在埋深超過5 000 m的頁巖地層壓裂時，應(yīng)選擇段塞式、高砂液比、中等規(guī)模改造為主的方式進(jìn)行施工。同時，也要精細(xì)控制砂液比和壓裂作業(yè)流程，避免施工壓力過快上升，部分情況下需要適當(dāng)降低預(yù)期壓裂規(guī)模，必要時可以根據(jù)需要改變淺層頁巖改造常用的大規(guī)模加砂壓裂設(shè)計思路。此外，在高閉合應(yīng)力作用下，為了保持裂縫長期導(dǎo)流能力，可以嘗試不同濃度、段塞式加砂及復(fù)合型支撐劑優(yōu)選的思路，探索通道壓裂的可行性，研究多類型支撐劑配型組合與加砂方式變化，進(jìn)而獲得高應(yīng)力環(huán)境人造縫長期高導(dǎo)流能力。

4 結(jié)論及建議

(1) 基于系統(tǒng)的巖石力學(xué)測試實驗，研究了深層頁巖單軸及三軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、脆性指數(shù)及壓裂效果等巖石力學(xué)特性與淺層頁巖的差異。深層頁巖的關(guān)鍵強度、形變及造縫力學(xué)參數(shù)中，屈服強度、膨脹點強度、抗壓強度、殘余強度、抗拉強度、抗剪強度、內(nèi)摩擦角、彈性模量、剪切模量、殘余彈性能、裂縫起裂壓力、轉(zhuǎn)向壓力、分叉難度等均隨埋深(圍壓)的升高而顯著提升；泊松比、脆性指數(shù)、彈性形變能等隨深度(圍壓)的升高而降低；取決于巖石自身礦物組成及咬合特性的力學(xué)參數(shù)，如無側(cè)限內(nèi)聚力等變化不顯著。

(2) 淺層頁巖巖樣在低圍壓作用下大多表現(xiàn)出顯著的拉張型脆斷破壞特征，深層頁巖在高圍壓的側(cè)限作用下，逐漸由拉張型破壞向雙剪破壞及單剪破壞轉(zhuǎn)變。由淺及深，頁巖的破壞形式變得更加單一，破壞后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、縫網(wǎng)規(guī)模逐漸降低，裂縫類型也由張性縫轉(zhuǎn)變成剪切縫占優(yōu)，從而帶來裂縫縫寬及長期導(dǎo)流能力方面的顯著改變。

(3) 深層頁巖的脆性及壓裂改造能力隨深度的增加而降低，主要原因來自3個方面：一是應(yīng)力環(huán)境的改變限制了張性裂縫的產(chǎn)生及擴展能力；二是裂縫壁面法向正應(yīng)力的增加帶來了抗剪強度的提升，影響了剪切滑移縫的產(chǎn)生及擴展；三是深層賦存帶來的頁巖物性改變(顆粒密度、形狀等)及最大主應(yīng)力的主導(dǎo)作用，限制了裂縫的轉(zhuǎn)向及分叉擴展能力。賦存深度限制了深層頁巖在破裂過程中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力，進(jìn)而影響頁巖的脆性和壓裂效果。