周 鑫，劉向君，丁 乙，梁利喜，劉葉軒

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

進(jìn)入21 世紀(jì)，全球非常規(guī)油氣資源的發(fā)掘掀起了一股浪潮，中國非常規(guī)油氣資源儲量較大[1-3]。水力壓裂技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和不斷完善，已經(jīng)成為了頁巖氣規(guī)模開采的關(guān)鍵性技術(shù)[4-5]。頁巖作為一種沉積巖，由于具有埋深較深、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜以及高地應(yīng)力環(huán)境等特點(diǎn)，其天然裂縫較為發(fā)育[6]。天然裂縫中也存在著游離態(tài)的氣體，有數(shù)據(jù)表明，約有55%的游離氣的產(chǎn)出歸功于天然裂縫的活化[7]。因此，儲層氣體的產(chǎn)出效率也取決于天然裂縫縫網(wǎng)的活化程度。

國內(nèi)外不少科研人員研究了水力裂縫和天然裂縫相交時(shí)的擴(kuò)展行為。BLANTON[8]發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力差較高和相交角度較大時(shí)，水力裂縫易穿過天然裂縫；應(yīng)力差較低和相交角度較小的時(shí)候，天然裂縫被活化激活，并轉(zhuǎn)移掉一部分的孔隙壓力，使得水力裂縫無法繼續(xù)向前擴(kuò)展，并且得到了水力裂縫和天然裂縫相互作用的判斷準(zhǔn)則。WARPINSKI 等[9]研究了儲層的不連續(xù)性對裂縫擴(kuò)展的影響，且提出了W-T準(zhǔn)則。RAHMAN 等[10]認(rèn)為水力裂縫和天然裂縫間的相互作用關(guān)系并不會受到孔隙水壓力的直接影響，但其計(jì)算模型并未考慮天然裂縫的力學(xué)特性。馬耕等[11]利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明巖體的起裂壓力會因?yàn)樘烊涣芽p的存在而降低，且水力裂縫遇到天然裂縫主要呈現(xiàn)3種情況：①沿著天然裂縫擴(kuò)展；②遇到天然裂縫停止擴(kuò)展；③繞過天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。其實(shí)驗(yàn)樣品小，存在邊界效應(yīng)。劉向君等[12]基于平面力學(xué)理論及損傷力學(xué)理論，利用數(shù)值模擬軟件，研究了天然裂縫的方向、強(qiáng)度、位置及水平應(yīng)力大小對水力裂縫擴(kuò)展的影響。劉順等[13]發(fā)現(xiàn)裂縫間距、傾角能較大地影響裂縫延伸幅度；交錯(cuò)裂縫延伸幅度在一定程度上受到主應(yīng)力比值的影響，儲層泊松比與楊氏模量對其影響不明顯。郭靜蕓等[14]考慮天然裂縫與水力裂縫的逼近角、主應(yīng)力差和地層的彈性參數(shù)，對單一天然裂縫和3 條天然裂縫兩種情況下進(jìn)行了研究。逼近角較大，開啟天然裂縫所需要的井壓力更大，但更容易形成分開裂縫；逼近角越小，天然裂縫開啟的井壓力更小，但水力裂縫在天然裂縫的一端進(jìn)行轉(zhuǎn)向，不利于形成縫網(wǎng)。肖陽等[15]對水力裂縫與天然裂縫的相交準(zhǔn)則進(jìn)行了改進(jìn)，并且驗(yàn)證了當(dāng)水平應(yīng)力差一定時(shí)，逼近角越小，水力裂縫越易轉(zhuǎn)向；水平應(yīng)力差越小時(shí)，使水力裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的凈壓力越小，水力裂縫越易轉(zhuǎn)向。周小金等[16]根據(jù)BLANTON 準(zhǔn)則提出了在不同情況下，水力裂縫與天然裂縫的相互作用關(guān)系，并主要研究了細(xì)微裂縫及大尺度天然裂縫較為發(fā)育的儲層的壓裂問題。張健等[17]通過預(yù)制cohesive 單元設(shè)置不同的天然裂縫角度分析天然裂縫角度對水力壓裂的影響，得到當(dāng)巖層處于均勻的地應(yīng)力狀態(tài)下，水力壓裂的擴(kuò)展行為及裂縫寬度會受到天然裂縫角度的影響，但其僅考慮了在均勻地應(yīng)力條件下的情況。沈永星等[18]考慮巖石儲層變形與裂縫內(nèi)的流體流動之間的耦合作用以及天然裂縫與水力裂縫的相互作用建立了頁巖儲層二維流固耦合水力壓裂裂縫與天然裂縫的相交擴(kuò)展模型，研究了在不同的水平應(yīng)力差、逼近角以及天然裂縫長度對水力裂縫擴(kuò)展行為的影響。魏明強(qiáng)等[19]建立了含有大尺度的離散裂縫網(wǎng)格模型，采用了DFN 方法開展了天然裂縫的數(shù)量、角度以及長度等特征參數(shù)對氣藏試井典型曲線的影響研究。結(jié)果表明，裂縫的數(shù)量及長度與后期壓力導(dǎo)數(shù)曲線的下降幅度呈正比，而裂縫角度對試井曲線特征總體影響不大。張帆等[20]采用大尺寸真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了變壓裂液排量條件下的煤巖水力壓裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變壓裂液排量是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)煤儲層縫網(wǎng)改造的有效途徑，并初步探討了煤巖水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制。郭培峰等[21]通過真三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了水平地應(yīng)力差、天然裂縫和水力壓裂縫之間的逼近角對水力壓裂縫的擴(kuò)展影響，并推導(dǎo)出了簡潔、涉及參數(shù)少、實(shí)用的水力壓裂縫與人工裂縫相交判斷準(zhǔn)則公式。何強(qiáng)等[22]利用真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了水平應(yīng)力比及壓裂液黏度對裂縫網(wǎng)格復(fù)雜性的影響，并對實(shí)驗(yàn)后的裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了三維CT 重構(gòu)。結(jié)果表明，在較低的水平應(yīng)力比和壓裂液黏度下，能夠形成較復(fù)雜的裂縫網(wǎng)格；過低或過高的壓裂液黏度限制了復(fù)雜裂縫網(wǎng)格的形成。

以上均是在儲層內(nèi)部展開裂縫擴(kuò)展研究，對隔層影響作用下的裂縫擴(kuò)展行為的研究比較缺乏?；贏BAQUS 有限元軟件，建立水力裂縫和天然裂縫相交模型。同時(shí)，考慮隔層效應(yīng)，研究在隔層影響作用下天然裂縫對水力裂縫擴(kuò)展行為的影響，得到了在隔層效應(yīng)下的不同應(yīng)力差、相交角度、儲隔層應(yīng)力差以及儲隔層彈性模量差的水力裂縫與天然裂縫相交的擴(kuò)展規(guī)律。研究反映了更加貼合實(shí)際情況的裂縫擴(kuò)展行為，為天然裂縫發(fā)育的儲層進(jìn)行水力壓裂提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 水力裂縫和天然裂縫相交模型建立

1.1 Cohesive單元介紹

Cohesive 單元，即黏性單元，通過在裂縫擴(kuò)展路徑方向上插入一層cohesive 單元，以此來模擬研究二維/三維裂縫擴(kuò)展情況。圖1所示，雖然cohesive 單元有一個(gè)頂面（5、6、7、8），一個(gè)中面（9、10、11、12）和一個(gè)底面（1、2、3、4），實(shí)際上我們將其看做厚度為0 的單元層。根據(jù)斷裂準(zhǔn)則來判斷cohesive 單元的損傷情況，當(dāng)滿足損傷判據(jù)時(shí)，cohesive 單元開始損傷，當(dāng)cohesive 單元完全失效時(shí)，會從單元中層一分為二，從而形成裂縫。

圖1 三維cohesive單元示意圖Fig.1 Three-dimensional cohesive unit

1.2 牽引分離定理

宏觀上來說，牽引—分離定理描述了牽引力和位移之間的關(guān)系，常用的線彈性模型見圖2。

圖2 牽引—分離定理Fig.2 Traction and separation theorem

一個(gè)完整的損傷過程可以分為起裂階段和損傷階段。裂縫初始牽引階段主要為線彈性形變過程，當(dāng)牽引力達(dá)到極限時(shí)，即達(dá)到損傷起始點(diǎn)時(shí)，材料就會開始損傷，牽引力開始下降，直至為0，裂縫完全開裂。

在損傷前，應(yīng)力與應(yīng)變滿足如下關(guān)系[23]：

式中：σ為應(yīng)力矢量，Pa；σn為單元的法向應(yīng)力，Pa；σs為第一切向應(yīng)力，Pa；σt為第二切向應(yīng)力（在二維情況下不存在），Pa；K為單元?jiǎng)偠染仃嚕沪艦閼?yīng)變；εn為單元法向產(chǎn)生的應(yīng)變；εs為第一切向產(chǎn)生的應(yīng)變；εt為第二切向產(chǎn)生的應(yīng)變。表達(dá)式如下：

式中：dn為cohesive 單元法向產(chǎn)生的位移，m；ds為cohesive 單元第一切向產(chǎn)生的位移，m；dt為cohesive單元第二切向產(chǎn)生的位移，m；T0為本構(gòu)厚度，m。

1.3 損傷模型

損傷模型由兩部分組成：起始準(zhǔn)則和演化規(guī)律。當(dāng)材料滿足了損傷起始準(zhǔn)則，就會按照已定義的演化規(guī)律進(jìn)行損傷破壞。當(dāng)牽引力達(dá)到了材料能夠承受的最大值時(shí)，損傷模型就會表現(xiàn)材料剛度的退化以及結(jié)構(gòu)的失效。該文采用的損傷起始準(zhǔn)則為最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則：

損傷演化規(guī)律描述的是當(dāng)材料達(dá)到破壞損傷的起始值時(shí)，材料剛度的退化速率。材料的總體損傷用D來表示，當(dāng)D=0時(shí)，表示材料未發(fā)生損傷；當(dāng)D=1時(shí)，表示材料剛度完全退化失效。應(yīng)力分量表示為[24]：

線性損傷演化準(zhǔn)則的損傷因子表達(dá)式為：

一般情況下，水力裂縫的擴(kuò)展形式是法向擴(kuò)展與切向擴(kuò)展的混合模式，其擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的過程，無法在裂縫擴(kuò)展前確定裂縫類型。若對單元混合模式進(jìn)行定義時(shí)采用冪律形式，則有[19]：

1.4 計(jì)算模型

該文采用abaqus 數(shù)值模擬軟件，基于損傷力學(xué)理論，利用cohesive 單元預(yù)制裂縫模擬在隔層效應(yīng)下，應(yīng)力差、相交角度、儲隔層應(yīng)力差以及儲隔層彈性模量差對水力裂縫與天然裂縫相交后的裂縫擴(kuò)展行為的影響。建立尺寸為20 m×20 m 的二維有限元模型，在模型中間天然裂縫與水力裂縫相交，長度為6 m，相交角度取30°、45°、60°、75°、90°，上下兩層為隔層，厚度均為5 m，初始模型設(shè)置為均勻地層應(yīng)力。模型為水平井的垂直剖面，模型中心的最左側(cè)為井筒的位置，即注入點(diǎn)，x方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力（σH）方向，z方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力（σh）方向，y方向?yàn)榇怪睉?yīng)力（σv）方向，天然裂縫上部分與水力裂縫的角度為相交角度θ。中間壓裂部分網(wǎng)格密度為0.1 m×0.1 m，其余網(wǎng)格從上下兩邊向中間逐漸加密。計(jì)算模型見圖3。

圖3 二維有限元模型示意圖Fig.3 Two-dimensional finite element model

模型基礎(chǔ)的巖石力學(xué)參數(shù)如下：儲層部分彈性模量12 GPa，泊松比為0.18，滲透系數(shù)為10-7m/s，孔隙比為0.11，濾失系數(shù)為10-13m/（Pa·s）；隔層部分彈性模量18 GPa，泊松比為0.13，滲透系數(shù)為10-8m/s，孔隙比為0.03，濾失系數(shù)為10-14m/（Pa·s）；天然裂縫抗拉強(qiáng)度為2 MPa，其余部分抗拉強(qiáng)度為6 MPa，壓裂液黏度為10-3Pa·s?？紤]到模型的尺寸與邊界效應(yīng)，排量取10-3m2/s，且為了更好地驗(yàn)證隔層以及其他參數(shù)對模擬結(jié)果的影響，模型的初始應(yīng)力均設(shè)置為16 MPa，初始應(yīng)力差設(shè)置為0。

2 結(jié)果分析

2.1 不同應(yīng)力差對水力裂縫與天然裂縫相交模擬的影響

在相交角度為60°時(shí)，分別改變模型水平地應(yīng)力差為0、2、4 MPa，對隔層是否會對結(jié)果產(chǎn)生影響進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果對比見圖4。

從圖4 可知，在裂縫擴(kuò)展初期，即水力裂縫與天然裂縫相交之前，地應(yīng)力差對裂縫擴(kuò)展行為無影響；水力裂縫與天然裂縫相交后，當(dāng)水平應(yīng)力差為0 MPa時(shí)，兩種模型裂縫的破裂程度大致相當(dāng)，但舊模型（無隔層影響）中天然裂縫僅開啟上部分，新模型（存在隔層影響）因?yàn)楦魧拥挠绊懀◤椥阅Ａ?、泊松比等發(fā)生了變化），且天然裂縫的開啟較容易，因此，開啟了上下兩部分（圖4a、圖4b）；當(dāng)應(yīng)力差為2 MPa 時(shí)，由計(jì)算結(jié)果（圖4c、圖4d）及裂縫形態(tài)可以看到，兩種模型均只開啟了天然裂縫的上部分，但舊模型天然裂縫開啟的程度較小，破裂程度較低，新模型中由于應(yīng)力差的增大，裂縫沿著最大主應(yīng)力方向向前擴(kuò)展的趨勢增加，在與天然裂縫相交后，由于天然裂縫下部分有著相反的擴(kuò)展趨勢，因此，僅開啟了天然裂縫的上部分；當(dāng)應(yīng)力差為4 MPa 時(shí)，隔層是否存在對水力裂縫的擴(kuò)展路徑?jīng)]有產(chǎn)生影響，水力裂縫均未開啟天然裂縫，但從計(jì)算結(jié)果（圖4e、圖4f）可以看出，新模型的水力裂縫破裂程度更大，開啟效果更好。

圖4 不同地應(yīng)力下兩種模型模擬的結(jié)果對比Fig.4 Comparison of simulation results of two models under different in-situ stresses

2.2 不同相交角度對水力裂縫與天然裂縫相交模擬的影響

為了更好地觀察隔層效應(yīng)在不同相交角度下產(chǎn)生的影響，取應(yīng)力差為0 MPa。在水力裂縫與天然裂縫相交角為30°、45°、60°、75°以及90°的情況下，對隔層是否會對結(jié)果產(chǎn)生影響進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果見圖5。

在應(yīng)力差為0 MPa的情況下，當(dāng)水力裂縫與天然裂縫的相交角度為30°以及45°的時(shí)候，隔層是否存在對于裂縫擴(kuò)展的路徑并沒有影響，天然裂縫均開啟了上部分（圖5a—圖5d）。當(dāng)相交角度為60°時(shí)，雖然兩種模型的裂縫破裂程度大致相當(dāng)，但舊模型中水力裂縫只開啟天然裂縫上部分，而在新模型中天然裂縫完全開啟（圖5e、圖5f）。當(dāng)相交角度為75°的時(shí)候，舊模型中水力裂縫直接穿過天然裂縫，而新模型中水力裂縫會開啟天然裂縫上下兩部分，且裂縫的破裂程度和開啟效果均好于舊模型（圖5g、圖5h）；當(dāng)相交角度為90°時(shí)，水力裂縫都會直接穿過天然裂縫（圖5i、圖5j）。

可以看到，當(dāng)相交角度為30°及45°時(shí)，由于天然裂縫力學(xué)特性較弱，水力裂縫均開啟了天然裂縫的上部分，但從計(jì)算結(jié)果（圖5a—圖5d）可以看到，新模型的裂縫破裂程度更大，開啟效果更好一些；當(dāng)相交角度為60°及75°時(shí)，隔層的存在對裂縫的擴(kuò)展路徑產(chǎn)生了較大的影響，且從計(jì)算結(jié)果（圖5e—圖5h）可以看到，在新模型中兩個(gè)相交角度的裂縫破裂程度及形態(tài)大致相當(dāng)；當(dāng)相交角度為90°時(shí)，隔層對水力裂縫的擴(kuò)展路徑影響不大，均是直接穿過天然裂縫，其影響僅體現(xiàn)在裂縫的破裂程度和開啟效果上。

圖5 不同相交角度下兩種模型模擬的結(jié)果對比Fig.5 Comparison of simulation results of two models at different intersection angles

2.3 儲隔層間的應(yīng)力差對水力裂縫與天然裂縫相交模擬的影響

為了更好地研究儲隔層之間的應(yīng)力差對于模擬結(jié)果的影響，選取相交角度為60°，水平最大、最小地應(yīng)力差為2 MPa的模型，分別設(shè)置儲隔層間的地應(yīng)力差為4，6，8 MPa進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果見圖6。

從圖6 中可以看到，當(dāng)儲隔層應(yīng)力差為4 MPa時(shí)，水力裂縫沿著天然裂縫上部分方向擴(kuò)展（圖6a）。當(dāng)儲隔層應(yīng)力差為6 MPa 時(shí)，隨著應(yīng)力差的增大，天然裂縫上部分先發(fā)生開啟，開啟完成后，水力裂縫與天然裂縫相交處產(chǎn)生憋壓，當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，天然裂縫下部分發(fā)生開啟，天然裂縫完全開啟后，憋壓所產(chǎn)生的壓力卻不足以使水力裂縫繼續(xù)向前擴(kuò)展（圖6b）。當(dāng)儲隔層應(yīng)力差為8 MPa 時(shí)，在應(yīng)力差作用下，相交點(diǎn)憋壓所產(chǎn)生的壓力達(dá)到了接下來水力裂縫開啟的條件，且裂縫的擴(kuò)展均有向著水平最大主應(yīng)力擴(kuò)展的趨勢，水力裂縫直接穿過天然裂縫，繼續(xù)沿著原來的路徑向前擴(kuò)展（圖6c）。

圖6 不同儲隔層應(yīng)力差下模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results under different stress differences between reservoirs

提取水力裂縫和天然裂縫相交點(diǎn)處的孔隙壓力隨時(shí)間的變化見圖7?？梢钥吹剑S著儲隔層間的地應(yīng)力差的增加，相交點(diǎn)處的最大孔隙壓力也在增加。當(dāng)儲隔層間地應(yīng)力差為4、6、8 MPa時(shí)，相交點(diǎn)處最大的孔隙壓力分別為30.56、32.20、32.89 MPa。因此，層間地應(yīng)力差的改變會導(dǎo)致壓裂過程中裂縫相交處的孔隙壓力的變化。

圖7 不同儲隔層應(yīng)力差下相交點(diǎn)孔壓變化Fig.7 Variation of pore pressure at intersection points under different stress differences between reservoirs

2.4 儲隔層彈性模量差對水力裂縫與天然裂縫相交模擬的影響

為了更好地研究儲隔層之間的彈性模量差對于模擬結(jié)果的影響，在相交角度為60°，應(yīng)力差為0 MPa的情況下，改變隔層的彈性模量，使之與儲層彈性模量差值分別為6，10，14，30 GPa，其影響及模擬結(jié)果見圖8。

當(dāng)儲隔層彈性模量差為6 GPa 時(shí)，天然裂縫先是開啟上部分，而后由于在交點(diǎn)處引起憋壓，再開啟下部分（圖8a）。當(dāng)儲隔層彈性模量差為10 GPa 及14 GPa 時(shí)，整個(gè)地層在上下兩個(gè)方向的抗擾動性增強(qiáng)，天然裂縫大傾角方向開啟較小傾角方向難度更大，相交點(diǎn)引起的憋壓不足以開啟天然裂縫下部分，因此僅開啟了天然裂縫上部分（圖8b、圖8c）。當(dāng)儲隔層彈性模量差為30 GPa 時(shí)，地層在上下兩個(gè)方向的抗擾動性進(jìn)一步增強(qiáng)，此時(shí)隔層可以看作一塊“鐵板”，對裂縫在垂直方向的擴(kuò)展，即對地層會產(chǎn)生上下擾動的抑制性增大，同時(shí)會引起憋壓，且裂縫擴(kuò)展時(shí)更容易產(chǎn)生左右擾動，即沿著天然裂縫進(jìn)行擴(kuò)展（圖8d）。

圖8 不同儲隔層彈性模量差下模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results under different reservoir barrier elastic modulus difference

從圖9 可知，隨著儲隔層間彈性模量差的增加，相交點(diǎn)處的孔隙壓力也在逐漸增大。當(dāng)層間彈性模量差分別為6，10，14，30 GPa 時(shí)，相交點(diǎn)處孔隙壓力分別為30.56，30.84，31.81，32.99 MPa，與此同時(shí)隔層對裂縫的壓制性也越大，因此裂縫擴(kuò)展的形態(tài)并不僅僅取決于孔隙壓力的大小。

圖9 不同儲隔層彈性模量差下相交點(diǎn)孔壓變化Fig.9 Variation of pore pressure at intersection point under different reservoir interlayer elastic modulus difference

為了更好地驗(yàn)證改變儲隔層彈性模量會產(chǎn)生對水力裂縫擴(kuò)展的壓制作用，增加了一組應(yīng)力差為3 MPa，不同儲隔層彈性模量差的模擬，結(jié)果見圖10。

從圖10 和圖11 可以看到，當(dāng)儲隔層彈性模量差為6 GPa 時(shí)，天然裂縫開啟上部分，在應(yīng)力差的作用下，水力裂縫向前擴(kuò)展的趨勢增加，而天然裂縫下部分裂縫擴(kuò)展方向與水力裂縫擴(kuò)展方向有相反的趨勢，因此，并未開啟，且在交點(diǎn)引起的憋壓以及存在的應(yīng)力差達(dá)到水力裂縫達(dá)到繼續(xù)向前擴(kuò)展的條件，水力裂縫繼續(xù)向前擴(kuò)展（圖10a）。當(dāng)儲隔層彈性模量差為30 GPa 時(shí)，模擬的結(jié)果與6 GPa 的基本一致，但隨著儲隔層彈性模量差的增加，其產(chǎn)生的壓制作用增大，與此同時(shí)交點(diǎn)處的孔隙壓力增大了2.5 MPa 左右，兩者的增量相互作用下基本抵消。因此，模擬結(jié)果基本一致。從計(jì)算結(jié)果（圖10b）可以看到，裂縫的破裂程度基本一致，但儲隔層彈性模量差為30 GPa 時(shí)，水力裂縫后段開啟程度較小。當(dāng)儲隔層彈性模量達(dá)到50 GPa 時(shí)，由隔層產(chǎn)生的壓制性進(jìn)一步增加，而同時(shí)交點(diǎn)的孔隙壓力僅增加了1 MPa 左右，無法與增加的壓制作用相互抵消，水力裂縫不足以繼續(xù)向前擴(kuò)展，而是開啟了天然裂縫上下兩部分，裂縫擴(kuò)展的擾動也從水力裂縫擴(kuò)展所產(chǎn)生的上下擾動變?yōu)榱颂烊涣芽p擴(kuò)展所產(chǎn)生的左右擾動（圖10c）。

圖10 3 MPa應(yīng)力差時(shí)不同儲隔層彈性模量差下模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of elastic modulus difference of different reservoir barriers under stress difference of 3 MPa

圖11 3 MPa應(yīng)力差時(shí)不同儲隔層彈性模量差交點(diǎn)最大孔壓Fig.11 Max pore pressure at intersection of elastic modulus differences of different reservoirs under stress difference of 3 MPa

3 認(rèn)識與結(jié)論

1）基于最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則，考慮材料損傷起始準(zhǔn)則及損傷演化，利用abaqus 軟件，對是否存在隔層效應(yīng)的情況下，研究了應(yīng)力差、相交角度、儲隔層應(yīng)力差以及儲隔層彈性模量差等因素對水力裂縫遇天然裂縫后擴(kuò)展行為的影響。

2）無隔層效應(yīng)的情況下，水力裂縫遇天然裂縫后僅沿天然裂縫上部分?jǐn)U展。存在隔層效應(yīng)的情況下，無應(yīng)力差時(shí)天然裂縫能夠被完全開啟，隨著地應(yīng)力差的增加，天然裂縫被開啟的程度逐漸減小，直至水力裂縫穿過天然裂縫。

3）當(dāng)相交角度較小時(shí)，隔層效應(yīng)的存在不會改變裂縫的擴(kuò)展行為，但卻能增加裂縫的破裂程度；隨著相交角度的增加，隔層效應(yīng)的存在能夠更好地開啟天然裂縫。

4）隨著儲隔層間應(yīng)力差的增加，相交點(diǎn)處的孔隙壓力也在增加，水力裂縫向前擴(kuò)展的趨勢增大；在一定范圍內(nèi)，天然裂縫的開啟程度隨層間應(yīng)力差的增加而增大，當(dāng)超過一定的層間應(yīng)力差值時(shí)，天然裂縫不再被開啟，水力裂縫沿著原有路徑繼續(xù)向前擴(kuò)展。

5）儲隔層間彈性模量的差異越大，地層抗擾動性增加，相交點(diǎn)處的孔隙壓力也會增大，兩者的相互作用下決定了裂縫的擴(kuò)展行為。當(dāng)儲隔層間彈性模量差較小或較大時(shí)，天然裂縫均能夠被完全開啟。相同條件下，隨著應(yīng)力差的增大，水力裂縫向前擴(kuò)展的趨勢增大，裂縫的破裂程度也隨之增大。