易良平 楊長(zhǎng)鑫 楊兆中 宋 毅 何小平 周小金 李小剛 胡俊杰

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院 3.中國(guó)石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部

0 引言

四川盆地頁(yè)巖氣資源豐富，奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組埋深4 500 m以淺可工作頁(yè)巖面積達(dá)2.0×104km2，資源量超過(guò) 10×1012m3，其中埋深超過(guò)3 500 m的深層頁(yè)巖資源占比超過(guò)80%，是頁(yè)巖氣產(chǎn)能建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域[1-4]。目前，四川盆地3 500 m以淺頁(yè)巖氣開發(fā)工藝技術(shù)體系已成熟，深層頁(yè)巖勘探開發(fā)尚處于快速發(fā)展階段[5-6]，其中水平井分段壓裂工藝是頁(yè)巖氣有效開發(fā)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。深層頁(yè)巖具有地應(yīng)力高、水平主應(yīng)力差大、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)等特征，使得壓裂工藝面臨裂縫擴(kuò)展困難、壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜度低以及井下事故頻發(fā)等挑戰(zhàn)[9-11]。特別是，四川盆地深層頁(yè)巖中發(fā)育有大量條帶狀分布的天然裂縫帶[12]，增加了壓裂改造的難度，然而，天然裂縫帶對(duì)儲(chǔ)層壓裂改造的影響規(guī)律尚未明確。因此，研究天然裂縫帶對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律，對(duì)優(yōu)化深層頁(yè)巖壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)，提升儲(chǔ)層改造效果具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)值模擬方法對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律做了大量研究，涉及段內(nèi)多簇裂縫擴(kuò)展規(guī)律[13-15]、暫堵壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化[16-17]、壓裂裂縫縱向穿層延伸[18-19]、壓裂評(píng)價(jià)與參數(shù)優(yōu)化[20]等方面。但是，對(duì)天然裂縫帶影響下的壓裂裂縫擴(kuò)展行為的研究相對(duì)較少，與此相關(guān)的研究主要探索了壓裂裂縫與天然裂縫相互作用機(jī)理[21-22]以及裂縫性儲(chǔ)層中壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律[23-25]，尚未揭示四川盆地深層頁(yè)巖天然裂縫帶對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律，導(dǎo)致完井壓裂參數(shù)優(yōu)化缺乏必要的理論支撐。

針對(duì)上述問(wèn)題，以四川盆地南部瀘州區(qū)塊深層頁(yè)巖為例，以離散天然裂縫群近似表征天然裂縫帶，建立天然裂縫帶影響下的水平井壓裂裂縫擴(kuò)展流固耦合模型與壓裂裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)方法，模擬分析不同天然裂縫帶參數(shù)與完井壓裂參數(shù)下的水平井壓裂裂縫擴(kuò)展特征。通過(guò)評(píng)價(jià)不同地質(zhì)工程條件下的壓裂延伸結(jié)果與儲(chǔ)層改造效果，降低天然裂縫帶附近水平井壓裂施工設(shè)計(jì)的盲目性。該研究成果可為深層頁(yè)巖水平井壓裂增產(chǎn)改造提供理論參考，助力我國(guó)深層頁(yè)巖氣早日實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)。

1 物理模型

地震多級(jí)斷裂體裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果顯示（圖1-a），瀘州區(qū)塊深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中發(fā)育有大量條帶狀天然裂縫帶，水平井筒與天然裂縫帶間存在平行、斜交、垂直等多種復(fù)雜位置關(guān)系。在瀘X-Y水平井趾端，井筒與天然裂縫帶呈斜交分布，微地震事件點(diǎn)分布顯示左側(cè)壓裂裂縫主要沿天然裂縫帶延伸（圖1-b）。在該水平井中部，井筒兩側(cè)天然裂縫帶呈非對(duì)稱分布，左側(cè)斜交井筒天然裂縫帶對(duì)裂縫擴(kuò)展具有阻隔作用，使得壓裂裂縫在井筒右側(cè)優(yōu)勢(shì)延伸。

圖1 瀘X-Y水平井地震多級(jí)斷裂體刻畫裂縫帶與微地震事件點(diǎn)分布圖

借鑒文獻(xiàn)[24]對(duì)頁(yè)巖露頭中裂縫形態(tài)的刻畫結(jié)果，以離散天然裂縫群組成的區(qū)域來(lái)近似表征深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中的天然裂縫帶，建立天然裂縫帶影響下水平井壓裂裂縫擴(kuò)展物理模型，如圖2所示。在平面狀態(tài)下，水平井筒與水平最小主應(yīng)力（σh）平行，初始裂縫沿水平最大主應(yīng)力（σH）方向。天然裂縫帶幾何形態(tài)由天然裂縫帶的長(zhǎng)度與寬度進(jìn)行刻畫，而天然裂縫帶與水平井筒間的位置關(guān)系可通過(guò)天然裂縫帶中心與井筒距離，以及兩者間的夾角確定。

圖2 天然裂縫帶影響下水平井壓裂裂縫擴(kuò)展物理模型圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 天然裂縫帶模型

假設(shè)離散天然裂縫群中天然裂縫位置服從隨機(jī)均勻分布，天然裂縫數(shù)目（N）計(jì)算式為：

式中ρnf表示天然裂縫密度，條/m2；a與b分別表示天然裂縫帶區(qū)域的長(zhǎng)度與寬度，m。

天然裂縫的方位角（β）與長(zhǎng)度（l）可通過(guò)Fisher分布與正態(tài)分布描述[26-27]，即：

式中γ表示天然裂縫帶與水平井筒夾角，（°）；R表示0～1之間的隨機(jī)數(shù)；Zβ表示偏離系數(shù)；lave表示天然裂縫平均長(zhǎng)度，m；σl表示長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差，m2。

基于式（1）～（3）可生成不同規(guī)模與方位的天然裂縫帶。

2.2 裂縫擴(kuò)展模型

2.2.1 巖石變形模型

考慮裂縫間應(yīng)力干擾作用，基于位移不連續(xù)法建立壓裂裂縫單元位移與應(yīng)力的關(guān)系式[28]：

式中Dn、Ds分別表示裂縫單元的法向與切向位移不連續(xù)量，m；σn、σs分別表示作用于裂縫單元上的法向與切向應(yīng)力，Pa；Css、Csn、Cns、Cnn分別表示裂縫單元切向位移對(duì)切向應(yīng)力、法向位移對(duì)切向應(yīng)力、切向位移對(duì)法向應(yīng)力、法向位移對(duì)法向應(yīng)力的影響系數(shù)。

縫高方向上縫寬分布可通過(guò)England & Green方程計(jì)算[29-30]。

2.2.2 流體流動(dòng)模型

如圖2-a所示，壓裂液由水平井筒經(jīng)射孔簇進(jìn)入不同的壓裂裂縫，裂縫擴(kuò)展過(guò)程中流入各射孔簇的流量以及裂縫內(nèi)流體壓力是相互影響且隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)值。根據(jù)基爾霍夫定律，水平井壓裂段入口處的流體壓力（p）滿足[23,31]：

流入各射孔簇的流量滿足體積守恒定律：

式中nf表示射孔簇?cái)?shù)；pw表示水平井筒沿程摩阻，Pa；pp表示射孔孔眼摩阻，Pa；pf表示裂縫內(nèi)流體壓力，Pa；上標(biāo)in表示裂縫進(jìn)液位置；Qall表示壓裂泵注排量，m3/min；qj表示進(jìn)入第j簇壓裂裂縫分配的壓裂液排量，m3/min。

結(jié)合式（5）、（6）可求解流入各射孔簇的動(dòng)態(tài)流量。

壓裂裂縫內(nèi)泊肅葉流動(dòng)方程為[32]：

壓裂液流動(dòng)連續(xù)性方程為：

將式（7）代入式（8），基于有限體積法得到裂縫內(nèi)流體壓力計(jì)算表達(dá)式：

式中s表示裂縫單元中點(diǎn)位置，m；t表示時(shí)間，s；Δt表示時(shí)間增量，s；μ表示壓裂液黏度，Pa·s；pf,i表示裂縫單元i內(nèi)的流體壓力，Pa；qi表示流經(jīng)裂縫單元i的流量，m3/s；wi表示裂縫單元i中點(diǎn)的縫寬，m；Hi表示裂縫單元i的縫高，m；Si表示裂縫單元i的源項(xiàng)，包括壓裂液注入與濾失，m2/s；a表示裂縫單元半長(zhǎng)，m。

儲(chǔ)層中壓裂液濾失通過(guò)Carter模型計(jì)算，天然裂縫帶中濾失借鑒文獻(xiàn)[33]中的模型與參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3 裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則

考慮拉張與剪切的復(fù)合斷裂模式，當(dāng)壓裂裂縫尖端單元的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石斷裂韌性時(shí)，裂縫發(fā)生擴(kuò)展，并通過(guò)最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則[34-35]預(yù)測(cè)裂縫擴(kuò)展方向。本文以離散天然裂縫群近似表征天然裂縫帶，壓裂裂縫穿過(guò)天然裂縫的判定準(zhǔn)則為[33]：

壓裂裂縫開啟天然裂縫并轉(zhuǎn)向延伸的判定準(zhǔn)則為：

式中KI表示I型應(yīng)力強(qiáng)度因子，Pa·m0.5；rc表示表示裂縫尖端區(qū)域臨界半徑，m；σh表示水平最小主應(yīng)力，Pa；T表示巖石抗拉強(qiáng)度，Pa；θ表示偏轉(zhuǎn)角，（°）；α表示逼近角，（°）；σθ、τrθ分別表示作用于天然裂縫壁面的法向與切向應(yīng)力，Pa；τ0表示天然裂縫抗剪強(qiáng)度，Pa；Kf表示天然裂縫壁面摩擦系數(shù)。

2.3 壓裂裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)方法

天然裂縫帶對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展具有捕獲與阻隔的雙重作用[12,36]。如圖2-b所示，水平井筒下方儲(chǔ)層的壓裂裂縫沿水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，并能進(jìn)入遠(yuǎn)離井筒的深部?jī)?chǔ)層區(qū)域，即遠(yuǎn)井區(qū)域。在水平井筒上方，壓裂裂縫被天然裂縫帶捕獲后偏離水平最大主應(yīng)力方向，沿天然裂縫帶延伸并進(jìn)入到左側(cè)或右側(cè)相鄰壓裂段。由于天然裂縫帶的阻隔作用，壓裂裂縫難以延伸至遠(yuǎn)井區(qū)域，導(dǎo)致目標(biāo)壓裂段的改造區(qū)域減小并對(duì)相鄰壓裂段區(qū)域過(guò)度改造。針對(duì)天然裂縫帶影響下壓裂裂縫形態(tài)的特殊性，引入儲(chǔ)層改造面積、目標(biāo)區(qū)改造率以及鄰段影響系數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立天然裂縫帶影響下水平井壓裂裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)方法，分析不同地質(zhì)工程條件下裂縫擴(kuò)展特征與差異。

基于文獻(xiàn)[37]中儲(chǔ)層改造體積計(jì)算方法，考慮裂縫擴(kuò)展過(guò)程中地應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化，將滿足天然裂縫破壞條件的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域視為儲(chǔ)層壓裂有效改造區(qū)域。平面內(nèi)壓裂裂縫的儲(chǔ)層改造面積（AS）（圖2-b黃色虛線區(qū)域）計(jì)算式為：

式中M表示平面內(nèi)離散的儲(chǔ)層單元數(shù)目；Δs表示儲(chǔ)層單元的面積，m2；si表示第i個(gè)儲(chǔ)層單元的儲(chǔ)層改造面積，m2；σi表示第i個(gè)儲(chǔ)層單元的應(yīng)力狀態(tài)，MPa；σc表示天然裂縫發(fā)生破壞時(shí)的臨界應(yīng)力，MPa。

為評(píng)價(jià)壓裂裂縫對(duì)目標(biāo)壓裂段儲(chǔ)層的改造程度，引入目標(biāo)區(qū)改造率（Re），定義為目標(biāo)壓裂段內(nèi)的改造面積（AT）（圖2-b灰色實(shí)線區(qū)域與黃色虛線區(qū)域重疊部分）與目標(biāo)壓裂段儲(chǔ)層面積（AR）（圖2-b灰色實(shí)線區(qū)域）之比。Re值越大，表明壓裂裂縫對(duì)當(dāng)前目標(biāo)壓裂段儲(chǔ)層改造越充分，計(jì)算式為：

式中AT表示目標(biāo)壓裂段的改造面積，m2；AR表示目標(biāo)壓裂段的儲(chǔ)層面積，m2；AS表示壓裂裂縫形成的儲(chǔ)層改造面積，m2。

以壓裂裂縫進(jìn)入相鄰壓裂段的橫向距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入鄰段影響系數(shù)（Ce）描述當(dāng)前目標(biāo)壓裂段裂縫對(duì)鄰段壓裂的影響。Ce值越大，表示目標(biāo)壓裂段的裂縫對(duì)鄰段裂縫擴(kuò)展或壓裂改造的影響越顯著，計(jì)算式為：

式中Lf表示目標(biāo)壓裂段內(nèi)壓裂裂縫橫向擴(kuò)展距離，m；Lc表示壓裂段的長(zhǎng)度，m。

3 模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比分析實(shí)際裂縫擴(kuò)展特征與模擬裂縫軌跡的異同，驗(yàn)證本文模型的可靠性。從圖3-a可知，瀘X-Y水平井第3段水平井筒與天然裂縫帶呈斜交分布。現(xiàn)場(chǎng)壓裂過(guò)程中，裂縫帶區(qū)域有強(qiáng)烈的微地震事件響應(yīng)（圖3-b黑色虛線框），表明在壓裂過(guò)程中水平井左側(cè)壓裂裂縫主要沿天然裂縫帶擴(kuò)展，在水平井筒兩側(cè)形成了非對(duì)稱壓裂裂縫。圖3-c是本文模型的模擬結(jié)果，模擬裂縫軌跡與微地震事件點(diǎn)分布特征吻合較好。壓裂裂縫在天然裂縫帶一側(cè)偏轉(zhuǎn)延伸，沿水平井筒呈非對(duì)稱分布，驗(yàn)證了模型模擬天然裂縫帶影響下水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的可靠性。

圖3 實(shí)際壓裂與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證圖

進(jìn)一步，以天然裂縫代替天然裂縫帶，本文模型將退化為天然裂縫影響下的水平井壓裂裂縫擴(kuò)展模型，通過(guò)分析壓裂裂縫與天然裂縫的相交結(jié)果，驗(yàn)證本文模型的正確性。參考文獻(xiàn)[38]中物理模型與實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬不同水平應(yīng)力差與逼近角下壓裂裂縫與天然裂縫的相交結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得到的趨勢(shì)基本一致，證明本文模型退化后可準(zhǔn)確分析壓裂裂縫與天然裂縫相交結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建模型的可靠性。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比圖（據(jù)文獻(xiàn)[37]修改）

4 數(shù)值模擬結(jié)果

以瀘州區(qū)塊陽(yáng)101井區(qū)頁(yè)巖氣井為例，考慮不同天然裂縫帶參數(shù)和完井壓裂參數(shù)，針對(duì)水平井壓裂前置液造縫階段，模擬分析壓裂裂縫的擴(kuò)展特征與改造效果。模擬基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 模擬基礎(chǔ)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.1 天然裂縫帶參數(shù)

4.1.1 天然裂縫帶寬度

如圖2-a所示，假設(shè)天然裂縫帶長(zhǎng)度a=160 m，天然裂縫帶與水平井筒夾角γ=30°，天然裂縫帶中心離水平井筒距離Δd=0 m，分析不同天然裂縫帶寬度b（10 m、20 m、30 m、40 m）對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。

圖5為不同天然裂縫帶寬度下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果。在天然裂縫帶與縫間應(yīng)力干擾共同影響下，中間簇壓裂裂縫被天然裂縫帶捕獲后并沿之?dāng)U展，因裂縫偏轉(zhuǎn)與壓裂液濾失導(dǎo)致縫寬較小，將不利于支撐劑輸送。這與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工時(shí)天然裂縫帶附近存在加砂困難的情況相吻合[39]。隨著天然裂縫帶寬度增加，壓裂裂縫因分叉、匯交而使裂縫復(fù)雜度增大，加劇了壓裂裂縫的非均勻擴(kuò)展。圖6反映了天然裂縫帶寬度對(duì)目標(biāo)壓裂段的改造效果及相鄰壓裂段干擾程度的影響規(guī)律。隨著寬度增加，儲(chǔ)層改造面積與目標(biāo)區(qū)改造率逐漸減小，壓裂裂縫對(duì)相鄰壓裂段的影響程度增加。通常認(rèn)為，天然裂縫的存在增加了壓裂裂縫的復(fù)雜程度，有利于提升儲(chǔ)改造效果[24]。然而，天然裂縫帶對(duì)壓裂裂縫的捕獲與阻隔作用主導(dǎo)了壓裂裂縫的擴(kuò)展行為，且隨天然裂縫帶規(guī)模的增加而更加明顯，不利于對(duì)儲(chǔ)層中的甜點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)改造。針對(duì)壓裂段附近存在大規(guī)模天然裂縫帶發(fā)育的情況，應(yīng)合理控制壓裂液濾失并調(diào)控裂縫擴(kuò)展方向，以削弱壓裂裂縫沿天然裂縫帶轉(zhuǎn)向擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖5 不同天然裂縫帶寬度下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果圖

圖6 不同天然裂縫帶寬度下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)圖

4.1.2 天然裂縫帶與水平井筒夾角

天然裂縫帶長(zhǎng)度a=160 m，寬度b=30 m，距離Δd=0 m，其余模擬參數(shù)不變，分析不同天然裂縫帶與水平井筒夾角γ（20°、40°、60°、80°）對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。

裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果表明（圖7），壓裂裂縫擴(kuò)展方向主要受天然裂縫帶方位控制。隨著天然裂縫帶與水平井筒夾角的增加，壓裂裂縫擴(kuò)展方向逐漸趨近于水平最大主應(yīng)力方向，縮短了在平行井筒方向上的擴(kuò)展距離，有利于壓裂裂縫對(duì)遠(yuǎn)井區(qū)域儲(chǔ)層進(jìn)行改造。當(dāng)天然裂縫帶與井筒近似垂直時(shí)（圖7-d），邊簇壓裂裂縫兩翼充分延伸，中間簇壓裂裂縫縫長(zhǎng)與縫寬較小，整體壓裂裂縫形態(tài)平直。僅考慮單條壓裂裂縫與單條天然裂縫相交，本文模型驗(yàn)證獲得了與文獻(xiàn)[21]中不同逼近角下相同的認(rèn)識(shí)。然而，當(dāng)研究對(duì)象為天然裂縫帶，在高水平應(yīng)力差與大逼近角下多條壓裂裂縫與離散天然裂縫群組成的裂縫帶相交時(shí)，多數(shù)壓裂裂縫仍難以穿過(guò)天然裂縫帶。

圖7 不同天然裂縫帶與水平井筒夾角下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果圖

圖8表明，隨著天然裂縫帶與水平井筒夾角增加，更多的射孔簇分布在天然裂縫帶區(qū)域外，儲(chǔ)層改造面積與目標(biāo)區(qū)改造率逐漸增大，降低了對(duì)相鄰壓裂段的影響。統(tǒng)計(jì)瀘州區(qū)塊部分水平井生產(chǎn)資料，線性擬合夾角（γ）與折算后水平段產(chǎn)量，結(jié)果如圖9所示。以γ=50°為界限將產(chǎn)量分為低產(chǎn)區(qū)（左側(cè)實(shí)線框）與高產(chǎn)區(qū)（右側(cè)實(shí)線框）兩個(gè)區(qū)域。折算1 800 m水平段產(chǎn)量隨角度增加而增大，與儲(chǔ)層改造面積與目標(biāo)區(qū)改造率的變化規(guī)律一致。

圖8 不同天然裂縫帶與水平井筒夾角下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)圖

圖9 生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果圖

4.1.3 天然裂縫帶中心離水平井筒距離

天然裂縫帶長(zhǎng)度a=160 m，寬度b=30 m，夾角γ=40°，分析天然裂縫帶中心離水平井筒距離Δd（10 m、20 m、30 m、40 m）對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。

模擬結(jié)果表明，隨著天然裂縫帶中心離水平井筒距離增加，壓裂裂縫在平行于水平最大主應(yīng)力方向的擴(kuò)展距離增加，水平井筒兩側(cè)裂縫軌跡差異越明顯。分布于井筒上側(cè)的天然裂縫帶阻礙了壓裂裂縫向上擴(kuò)展，壓裂裂縫在遠(yuǎn)離天然裂縫帶的井筒下側(cè)優(yōu)勢(shì)延伸，與圖1-b中天然裂縫帶影響下微地震事件點(diǎn)分布特征相似。受天然裂縫帶阻隔作用影響，裂縫軌跡沿水平井筒兩側(cè)呈非對(duì)稱分布，與文獻(xiàn)[22]中天然裂縫對(duì)壓裂裂縫的作用機(jī)理相似，但本文模擬結(jié)果還可觀察到由于射孔簇間流量分配不均導(dǎo)致的裂縫非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象（圖10-d）。

圖10 不同天然裂縫帶中心與水平井筒距離下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果圖

圖11表明，天然裂縫帶離水平井筒距離越大，壓裂裂縫在目標(biāo)壓裂段儲(chǔ)層中擴(kuò)展距離越大，能動(dòng)用更多遠(yuǎn)井區(qū)域的天然氣資源，儲(chǔ)層改造面積和目標(biāo)區(qū)改造率越高，鄰段影響系數(shù)越小。由于天然裂縫帶的阻隔作用，一方面壓裂裂縫難以穿過(guò)天然裂縫帶區(qū)域?qū)h(yuǎn)井區(qū)域儲(chǔ)層進(jìn)行改造，另一方面壓裂裂縫在遠(yuǎn)離天然裂縫帶一側(cè)的擴(kuò)展距離較大，存在井間壓竄的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)合理控制壓裂規(guī)模。如何優(yōu)化完井壓裂參數(shù)，促使壓裂裂縫穿過(guò)天然裂縫帶對(duì)遠(yuǎn)井區(qū)域儲(chǔ)層進(jìn)行改造，是提高天然裂縫帶附近壓裂改造效果的關(guān)鍵。

圖11 不同天然裂縫帶中心與水平井筒距離下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)圖

4.2 完井壓裂參數(shù)分析

4.2.1 簇間距

為認(rèn)識(shí)不同簇間距下水平井壓裂多裂縫延伸影響規(guī)律，將天然裂縫帶參數(shù)設(shè)為a=160 m、b=40 m、γ=30°、Δd=0 m，基礎(chǔ)參數(shù)保持不變，固定裂縫段的長(zhǎng)度為48.0 m，將簇?cái)?shù)設(shè)為3簇、5簇、7簇、9簇，相應(yīng)的簇間距為 24.0 m、12.0 m、8.0 m、6.0 m。

不同簇間距下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果如圖12所示。隨著簇間距減小，壓裂裂縫容易在天然裂縫帶中交匯連通形成復(fù)雜縫網(wǎng)，壓裂裂縫沿水平最大主應(yīng)力方向的擴(kuò)展距離減小。由于裂縫軌跡主要分布于天然裂縫帶中，難以對(duì)天然裂縫帶外區(qū)域進(jìn)行改造。當(dāng)固定裂縫段長(zhǎng)度，增大簇間距，射孔簇?cái)?shù)減小，進(jìn)入各射孔簇的排量增加，進(jìn)而增大了縫內(nèi)凈壓力，壓裂裂縫能穿過(guò)天然裂縫帶并擴(kuò)展至遠(yuǎn)井區(qū)域，避免對(duì)天然裂縫帶區(qū)域重復(fù)改造。圖13表明，增加簇間距有利于增加儲(chǔ)層改造面積與目標(biāo)區(qū)改造率。由于邊側(cè)射孔簇的位置固定，鄰段影響系數(shù)無(wú)明顯變化。針對(duì)天然裂縫帶存在的壓裂段，在固定的段長(zhǎng)條件下，采用大簇間距的射孔方案，有利于壓裂裂縫對(duì)天然裂縫帶外儲(chǔ)層資源進(jìn)行有效動(dòng)用，而減小簇間距可控制壓裂裂縫擴(kuò)展距離，適用于控縫長(zhǎng)防壓竄的水平井段。

圖12 不同簇間距下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果圖

圖13 不同簇間距下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)圖

4.2.2 施工排量

將射孔簇?cái)?shù)、簇間距以及壓裂液黏度分別設(shè)為4簇、18.0 m、5 mPa·s，其余模擬參數(shù)與 4.2.1 節(jié)保持一致，模擬分析 12 m3/min、14 m3/min、16 m3/min、18 m3/min四種不同施工排量下的裂縫擴(kuò)展特征。

圖14表明，不同施工排量下的壓裂裂縫形態(tài)有明顯差異。增大施工排量，裂縫內(nèi)凈壓力增加，裂縫寬度得到改善，增大了壓裂裂縫穿過(guò)天然裂縫帶并進(jìn)入儲(chǔ)層中擴(kuò)展的可能性，與文獻(xiàn)[21]中大排量下壓裂裂縫容易穿過(guò)天然裂縫的規(guī)律一致。當(dāng)施工排量為12 m3/min時(shí)，僅有部分壓裂裂縫能擴(kuò)展進(jìn)入非天然裂縫帶區(qū)域。壓裂液主要進(jìn)入這些延伸阻力較小的裂縫中，加劇了裂縫非均勻擴(kuò)展。施工排量增至18 m3/min時(shí)，中間兩簇壓裂裂縫成功穿過(guò)天然裂縫帶，促進(jìn)了裂縫的均勻擴(kuò)展。

圖14 不同施工排量下裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果圖

圖15表明，隨著施工排量增加，儲(chǔ)層改造面積先增加后減小，目標(biāo)區(qū)改造率逐漸增加，鄰段影響系數(shù)逐漸減小。在小排量范圍（12～14 m3/min），增大施工排量，縫寬得到改善，儲(chǔ)層改造面積增大。當(dāng)施工排量增加至18 m3/min時(shí)，多裂縫非均勻擴(kuò)展得到改善，中間簇裂縫在裂縫帶外的有效延伸距離增加。由于泵注液量不變，邊簇裂縫的長(zhǎng)度與寬度減小，使得儲(chǔ)層改造面積有所降低。可以發(fā)現(xiàn)，壓裂裂縫在天然裂縫帶區(qū)域外的擴(kuò)展長(zhǎng)度越大，儲(chǔ)層改造面積越大。通過(guò)促使中間簇壓裂裂縫穿過(guò)天然裂縫帶，擴(kuò)展進(jìn)入縫間未充分改造區(qū)域，能提升目標(biāo)壓裂段的改造效率。為增加目標(biāo)壓裂段改造效率并降低對(duì)鄰段的影響，建議前置液造縫階段采用大排量壓裂施工。

圖15 不同施工排量下裂縫擴(kuò)展特征評(píng)價(jià)圖

5 結(jié)論

1）深層頁(yè)巖天然裂縫帶對(duì)水平井壓裂裂縫擴(kuò)展具有顯著的捕獲與阻隔作用，且與天然裂縫影響下壓裂裂縫擴(kuò)展特征存在差異，天然裂縫帶限制了壓裂裂縫長(zhǎng)度并加劇了裂縫非均勻擴(kuò)展，不利于對(duì)遠(yuǎn)井區(qū)域儲(chǔ)層進(jìn)行定點(diǎn)改造，增加了井間壓竄風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)目標(biāo)改造區(qū)的相鄰壓裂段產(chǎn)生影響。

2）儲(chǔ)層中天然裂縫帶分布對(duì)水平井壓裂裂縫形態(tài)起主導(dǎo)作用，當(dāng)大規(guī)模天然裂縫帶與水平井筒近似垂直相交時(shí)，儲(chǔ)層改造面積與目標(biāo)區(qū)改造率較大，并能降低對(duì)相鄰壓裂段的干擾程度。為提升天然裂縫帶附近壓裂段的改造效果，鉆井時(shí)應(yīng)避免鉆進(jìn)方向與天然裂縫帶呈小角度斜交分布。

3）在天然裂縫帶發(fā)育的深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中，增加壓裂裂縫在非天然裂縫帶區(qū)域中的延伸長(zhǎng)度，有利于提升目標(biāo)壓裂段儲(chǔ)層壓裂改造效果。針對(duì)天然裂縫帶附近壓裂施工，建議采用大簇間距、高排量的壓裂工藝，促使壓裂裂縫穿過(guò)天然裂縫帶，提升目標(biāo)儲(chǔ)層的壓裂改造效果。