侯 冰，張其星，陳 勉

（1.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆克拉瑪依 834000；2.油氣資源與工程全國重點實驗室（中國石油大學(xué)（北京））,北京 102249；3.石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學(xué)（北京））,北京 102249）

據(jù)國土資源部統(tǒng)計，我國深層頁巖氣可采資源量為55.45×1012m3、頁巖油可采資源量為145×108t[1]，總體資源量巨大。隨著我國非常規(guī)儲層開發(fā)的日益深入，低孔、低滲油氣資源的戰(zhàn)略地位逐漸提高，頁巖油氣從儲層物性來看都有低孔-低滲甚至特低孔、特低滲的特點。在我國深地油氣勘探開發(fā)快速發(fā)展的進程中，水力壓裂技術(shù)的進步是解決深層頁巖油氣開發(fā)難題的金鑰匙。深層頁巖面臨地應(yīng)力高（≥120 MPa）、應(yīng)力差大（≥15 MPa）、儲層塑性強、壓裂縫寬度窄（≤3 mm）和多尺度層理難以溝通等難題，壓裂改造難度大[2]。當(dāng)前，為了提高改造效率、降低作業(yè)成本，保證儲層的高效和長效開發(fā)，頁巖油氣開發(fā)時采用了“井工廠”壓裂模式，實現(xiàn)了立體開發(fā)、多甜點壓裂等。此外，通過重復(fù)壓裂、步式壓裂和拉鏈?zhǔn)綁毫训瓤稍龃髥尉投嗑畠痈脑祗w積的壓裂形式，形成了更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[3]。

1936 年，W.Kjellman[4]研制了世界上第一套適用于砂土的真三軸試驗裝置。1981 年，黃榮樽[5]在國內(nèi)首次研究提出了水力壓裂，指導(dǎo)構(gòu)建國內(nèi)首個室內(nèi)真三軸水力壓裂試驗系統(tǒng)。隨后，多位學(xué)者持續(xù)研究，模擬方法、壓裂工藝和監(jiān)測技術(shù)等不斷細(xì)化和量化。目前，水力壓裂物理模擬主要研究布井方式、儲層產(chǎn)狀、儲層非均質(zhì)性、地應(yīng)力狀態(tài)、壓裂液性能、壓裂液泵注方案和完井方式等因素對水力裂縫起裂和擴展的影響[6]，并且發(fā)展形成了分布式光纖等新的監(jiān)測技術(shù)。研究人員研制了針對不同尺寸的真三軸物理模擬試驗裝置，并不斷改進和發(fā)展[7]。筆者結(jié)合課題組20 余年的相關(guān)研究成果，闡述了真三軸物理模擬試樣制備、壓裂井型和射孔組合、裝置原理、相似準(zhǔn)則和裂縫監(jiān)測等，驗證了模擬不同工況下頁巖壓裂裂縫復(fù)雜擴展路徑的可控性；探究變排量和交替注液作用模式，穿層壓裂縫高延伸機制的主控因素排序，水平井密切割多段多簇壓裂縫群競爭擴展和暫堵轉(zhuǎn)向等，能有效開啟多尺度層理/紋理/天然裂縫，增大頁巖儲層壓裂造縫規(guī)模；并提出了下一步需要在模擬井工廠立體壓裂、智能化和數(shù)字化等方向進行攻關(guān)。研究結(jié)果為頁巖儲層室內(nèi)真三軸壓裂物理模擬技術(shù)發(fā)展與油田現(xiàn)場應(yīng)用提供了技術(shù)參考和借鑒。

1 真三軸水力壓裂物理模擬試樣制備

1.1 頁巖露頭和全直徑巖心試樣制備

頁巖立方體露頭制備分為鉆井和固井2 個步驟。侯冰等人[8]探究了斜井和定向井真三軸壓裂物理模擬裂縫擴展形態(tài)。斜井固井為在露頭試樣中鉆出具有井斜角的井筒，需要進行墊斜，此時井斜角即為墊高角α（見圖1）。如果頁巖立方體露頭邊長小于30 cm，需要在外圍包裹混凝土進行試驗。

圖1 直井、定向井墊斜和露頭包裹示意Fig.1 Vertical well,underlay for directional well,and packaged outcrop samples

侯振坤等人[9]采用割縫模擬現(xiàn)場真實工況下的射孔，模擬應(yīng)力集中區(qū)域，達到誘導(dǎo)裂縫起裂的作用。室內(nèi)試驗主要采用手持電鉆帶動割縫柱上的金剛石磨片對露頭進行割縫，形成細(xì)長的縫槽，金剛石磨片的尺寸和厚度決定了割縫的厚度。此外，周健等人[10]采用A4 紙模擬試樣內(nèi)天然裂縫，分析多裂縫地層壓裂過程中平行天然裂縫和隨機天然裂縫對水力裂縫擴展的影響。王燚釗等人[11-12]采用頁巖油全尺寸井下巖心探究裂縫縱向擴展特征。利用手持沖擊鉆，組合合適尺寸的鉆頭進行鉆孔，將巖心固定并在模具中充填混凝土（見圖2）。

圖2 全直徑包裹巖心水平井、垂直井和定向井示意Fig.2 Full-diameter wrapped core for horizontal,vertical,and directional wells

1.2 疊置地層模塊化組合試樣制備

以長7 頁巖油儲層為例，相比常規(guī)單一巖性儲層，頁巖油儲層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，儲層縱向上含多個小層，巖性多變，儲層疊置，壓裂改造縫高控制難度大，壓裂改造效果不理想。此外，深層頁巖擁有縱向薄層多、塑性強及裂縫形態(tài)簡單的特征，巖石力學(xué)性質(zhì)、物性參數(shù)和地應(yīng)力狀態(tài)對水力裂縫縱向延伸能力有較大的影響?？紤]3 層和5 層兩種組合形式設(shè)計壓裂試樣，如圖3 所示。

圖3 疊置地層水平井和直井壓裂試樣示意Fig.3 Fracturing samples for horizontal and vertical wells in superimposed formations

1.3 壓裂井型和射孔模式組合

壓裂井型可分為直井（單一/多段多簇井筒）、水平井和斜井（定向井）等3 類，見圖4）。圖4 中，定面射孔從井底到井口對射孔面依次編號為1，2，…，5；每一射孔面的3 個射孔編號為a、b 和c；螺旋射孔的6 個射孔依次編號為1，2，…，6。侯冰等人[13]探究了不同水平應(yīng)力差條件下水力裂縫形態(tài)與井斜角、方位角和射孔相位角之間的變化關(guān)系。此外，多段/多簇壓裂井筒需設(shè)置多個獨立注液口和出液口，為此，實驗室研發(fā)了分簇動態(tài)控流壓裂泵注系統(tǒng)，能實現(xiàn)密切割壓裂物理模擬過程中各射孔簇流量的實時監(jiān)測和量化調(diào)控。

圖4 真三軸壓裂物理模擬各類井筒示意Fig.4 Various wellbores for physical simulation of true triaxial fracturing

2 物理模擬設(shè)備及裂縫監(jiān)測

2.1 設(shè)備簡介

中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實驗室在20 世紀(jì)90 年代組建了第一套大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)。此外，2018 年，與美國GCTS 公司共同研制了能模擬高溫、高壓、高應(yīng)力環(huán)境的真三軸壓裂物理模擬試驗系統(tǒng)，試驗溫度≥260 ℃，圍壓≥140 MPa，應(yīng)力≥120 MPa，分布式監(jiān)測精度≤1 μm，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫高壓快速傳導(dǎo)、分層地應(yīng)力加載、復(fù)雜井型射孔和分布式光纖監(jiān)測等一系列模擬試驗。

MTS 增壓器提供的高壓液壓油驅(qū)動活塞，將油水分離器中的壓裂液注入模擬井筒內(nèi)的試樣中，模擬過程中泵注壓力、排量和注入體積等隨時間的變化可由MTS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行記錄。分離器容積為700 mL，可承載壓力為100 MPa。此外，為實現(xiàn)交替注液等工藝，設(shè)計了能添加2 種不同壓裂液的雙活塞泵注系統(tǒng)，每個活塞可盛放1 000 mL 壓裂液，壓裂過程中通過控制閥門實現(xiàn)交替注液（見圖5）。

圖5 真三軸壓裂系統(tǒng)示意Fig.5 True triaxial fracturing system

李潤森[14]探究了干熱巖等壓裂破裂特征及裂縫延伸規(guī)律，設(shè)計了真三軸加熱裝置。試驗過程中將油管插入位于樣品上表面中部的預(yù)鉆井井筒中，通過油管測量樣品溫度和注入壓裂液。設(shè)備中加熱元件包括電加熱棒、隔熱板、溫度傳感器和溫度調(diào)節(jié)器。除底面外，在試樣的5 個外表面分別安裝了3 根2 000 W 的電熱棒，加熱棒的后面安裝隔熱板隔離加熱區(qū)。保溫板的厚度設(shè)定保證加熱區(qū)可恒溫250 ℃。溫度調(diào)節(jié)器和6 個溫度傳感器分別安裝在井筒內(nèi)和樣品的每個表面，用于控制加熱情況。

2.2 相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則是真三軸水力壓裂物理模擬的理論基礎(chǔ)，用于指導(dǎo)試驗的根本布局、求解微分方程解和驗證經(jīng)驗公式。室內(nèi)真三軸水力壓裂物理模擬能夠基于相似準(zhǔn)則準(zhǔn)確反映現(xiàn)場尺度下的水力裂縫擴展?fàn)顟B(tài)。國內(nèi)外針對相似準(zhǔn)則本身的理論研究較早。柳貢慧等人[15]基于裂縫延伸控制方程的三維模型，進行無因次化，獲得最早的真三軸水力壓裂物理模擬的相似準(zhǔn)則，并且得到了泵入排量、速率和井底壓力等的相似指標(biāo)。侯冰等人[16-17]在此基礎(chǔ)上，計算了某一確定深度和三向地應(yīng)力下龍馬溪組頁巖地層的現(xiàn)場施工排量和室內(nèi)真三軸壓裂施工排量的對應(yīng)關(guān)系。郭天魁等人[18]基于相似第二定理，對水力裂縫擴展控制方程和射孔井裂縫起裂壓力方程進行了無因次化，推導(dǎo)出了射孔井水力壓裂模擬試驗的相似準(zhǔn)則，得到了各物理量間的相似比例關(guān)系。

2.3 裂縫監(jiān)測、重構(gòu)及定量評價

2.3.1 示蹤劑跟蹤監(jiān)測及溝通面積定量評價

將熒光示蹤劑加入壓裂液中，試驗結(jié)束后用物理方法將巖樣打開，可通過熒光示蹤劑染色區(qū)域直觀地觀察裂縫的擴展形態(tài)。侯冰等人[16]首次提出將裂縫溝通面積作為水力壓裂效果的評價指標(biāo)，裂縫溝通面積指壓裂后試樣中3 類裂縫面的面積總和，能有效評價和對比淺層、深層頁巖水力裂縫與層理的交叉作用模式。Zhou Dawei 等人[19]采用高速攝像機拍攝照片，可以更直觀地觀察裂縫擴展過程。這種方式需要采用透明環(huán)氧樹脂充當(dāng)試樣，能通過染色劑的邊界識別橫向徑向裂縫范圍，拍攝和記錄透明試樣裂縫擴展整個過程。付海峰等人[20]和J.Kear 等人[21]采用了三維連續(xù)切片，并對水力裂縫進行了數(shù)字重構(gòu)，但重構(gòu)的裂縫形態(tài)受到切割刀片厚度和切割間隔的影響。侯冰等人[22]采用3D 掃描設(shè)備對裂縫破裂面進行三維掃描，真實還原裂縫擴展形態(tài)，獲得了主裂縫與分支縫的三維數(shù)據(jù)體。

2.3.2 低熔點合金測縫寬和裂縫形態(tài)重構(gòu)

低熔點合金具有黏度低、強度高、塑性強、固化后裂縫面厚度薄等優(yōu)點，不僅能獲得裂縫寬度，還能三維可視化重構(gòu)裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，因此，邱園[23]采用低熔點合金（低于232 ℃）作為壓裂液。試驗時，在油水分離器、高壓管線等合金經(jīng)過的地方均用加熱帶纏繞，并保持恒溫狀態(tài)；固化后的低熔點合金塑性較好，有助于完整地把固化后的裂縫面取出；取出的裂縫面重新按照原來的裂縫位置進行排列，可大致看出裂縫擴展的面，重構(gòu)裂縫網(wǎng)絡(luò)（見圖6）。固化后的合金即使厚度很薄也不容易發(fā)生斷裂，合金片最薄可達到0.02 mm，主裂縫寬度最大可達到1.0 mm。

圖6 固化后的低熔點合金及重構(gòu)的裂縫形態(tài)Fig.6 Low melting point alloy and reconfigured fracture shapes after solidification

2.3.3 聲發(fā)射三維裂縫重構(gòu)

聲發(fā)射能通過水力裂縫擴展過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射事件的三維空間位置，實時監(jiān)測水力裂縫擴展路徑。侯冰等人[24]認(rèn)為壓裂時巖石試樣內(nèi)部的破裂位置與聲發(fā)射事件的源定位密切相關(guān)，影響聲發(fā)射定位精度的主要因素包括硬件設(shè)備、信號處理和定位算法。聲發(fā)射探頭可記錄聲發(fā)射事件計數(shù)和波形參數(shù)并進行實時定位，監(jiān)測可以覆蓋整個巖樣內(nèi)部的微破裂信號。此外，還能通過聲發(fā)射事件點的空間位置分布，刻畫水力裂縫的形態(tài)和尺寸。通過事件點本身的能量和頻率分布辨別水力裂縫尖端能量損耗特征，通過聲發(fā)射的震源機制辨別拉伸/剪切裂縫，解釋水力和天然裂縫的斷裂機制。

2.3.4 CT 無損裂縫監(jiān)測

通過三維圖像處理對物體進行內(nèi)部可視化，獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，如孔隙分布、物質(zhì)組成、裂縫發(fā)育情況和裂縫剪切破裂等破壞特征。對比試樣壓裂前和壓裂后CT 掃描是檢測水力裂縫起裂及擴展形態(tài)特征的重要手段（見圖7）。賈利春等人[25]對壓裂后水力裂縫的空間形態(tài)和裂縫面的扭曲程度進行了CT 三維重建和可視化處理。毫米級CT 一般用于大尺寸水力壓裂物模露頭，微米級CT 一般用于全直徑井下巖心和標(biāo)準(zhǔn)巖心柱，納米級CT 掃描精度最高。掃描精度越高，成本越高，微米級CT 基本可以滿足巖石無損檢測要求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)巖心、全直徑井下巖心和海相頁巖試樣壓裂后CT 掃描結(jié)果Fig.7 CT scans of standard cores,full-diameter downhole cores,and marine shale samples after fracturing

2.3.5 分布式光纖裂縫監(jiān)測

光脈沖在傳播過程中受到溫度和應(yīng)變等干擾時，光波的表征參量如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等會發(fā)生相應(yīng)的改變，通過檢測這些參量的變化，就可以診斷外界被測參量的信息。課題組真三軸壓裂物理模擬時依托的傳感光纖是基于OFDR 的OSI-D高精度采集儀，能有效監(jiān)測裂縫起裂、擴展及閉合時的應(yīng)變和溫度變化。解調(diào)儀的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集空間分辨率可以達到1 mm，應(yīng)變測量精度達到±10-6ε，溫度測量精度達到±0.1 ℃。

通過設(shè)置在試樣內(nèi)的光纖采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合壓裂施工過程中的泵注參數(shù)，提供實時注入剖面監(jiān)測，可實現(xiàn)對全井筒實時壓裂效果的可視化監(jiān)控。能實現(xiàn)起裂位置及有效性監(jiān)測，實時監(jiān)測和評價各射孔簇和水力裂縫進液量，實時監(jiān)測及評價裂縫轉(zhuǎn)向效果（見圖8）。能結(jié)合裂縫剖面、聲發(fā)射、泵入曲線等資料進行綜合分析，研究儲層壓裂主控因素，有助于壓裂效果評價。Hou Bing 等人[26]認(rèn)為鄰井光纖壓裂監(jiān)測能有效識別井間干擾，通過對Frac Hits 的識別，確認(rèn)井間干擾與壓裂參數(shù)的關(guān)系，對后期區(qū)塊開發(fā)中的井網(wǎng)部署提供重要的數(shù)據(jù)參考。隋微波等人[27]認(rèn)為，利用多類型分布式光纖傳感技術(shù)進行更科學(xué)有效的水力壓裂聯(lián)合監(jiān)測，是油田現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究要解決的重要問題。

圖8 傳感光纖在壓裂整個時域的應(yīng)變瀑布圖和頁巖露頭壓后裂縫形態(tài)Fig.8 Strain waterfall diagram of sensing optical fiber in the entire fracturing time domain and fracture morphology of shale outcrop after fracturing

3 頁巖儲層壓裂縫網(wǎng)改造規(guī)模施工模式

3.1 變排量壓裂造縫機制

史璨等人[28]認(rèn)為微裂縫只能在局部對水力裂縫的起裂方向造成影響，影響到裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展規(guī)模，但難以改變水力裂縫的整體擴展方向。水力裂縫起裂前，巖石內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)微裂紋，若要在目標(biāo)層形成多重裂縫分叉，需要在壓裂裂縫起裂位置具備較高能量。此時，需要壓裂施工提供的泵壓加大，短時間內(nèi)提高裂縫入口處能量，促進裂縫在井筒近距離分叉，進而擴大縫網(wǎng)波及體積，提高壓裂效果。

H.Gu 等人[29]分析裂縫在多層材料界面處的擴展行為，表現(xiàn)為穿透、偏轉(zhuǎn)后穿透、捕獲、轉(zhuǎn)向。層理縫和天然裂縫均能影響水力裂縫的擴展路徑，低排量壓裂有利于激活并壓開層理縫和天然裂縫，增大排量后水力裂縫易沿著層理縫周圍的微裂縫分叉形成多個擴展面，且有利于延伸主縫和誘導(dǎo)縫的縫長。侯冰等人[30]研究認(rèn)為，水力裂縫在穿越天然裂縫時的轉(zhuǎn)向過程和主裂縫動態(tài)分叉是使整體裂縫形態(tài)變得復(fù)雜的主要因素。張旭等人[31]通過真三軸壓裂物理模擬試驗，證明變排量壓裂能為水力裂縫分叉提供了有利時機。曾義金等人[32]認(rèn)為變排量壓裂方式可以克服小排量壓裂能量供給不足和大排量壓裂鉆井液不能充分濾失地層的缺點。變排量壓裂能夠維持水力裂縫的擴展，充分溝通天然裂縫，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫；變排量壓裂的關(guān)鍵是確定變排量時機和排量范圍，建議現(xiàn)場壓裂施工以低排量、長時間注入壓裂液，在水力裂縫首次溝通層理面之后，選擇合適時機提高排量來促進水力裂縫擴展，開啟更多天然裂縫。此外，Hou Bing 等人[33]認(rèn)為采用低黏度壓裂液周期性壓裂，可以在高水平地應(yīng)力差條件下有效提高裂縫復(fù)雜程度和SRV，這種方法的關(guān)鍵點在于如何選擇變排量的時間點。

3.2 交替注液提高壓裂縫網(wǎng)規(guī)模

頁巖氣田中最常使用的壓裂液包括交聯(lián)劑配制的高黏度胍膠液和高分子聚合物配制的滑溜水。隨著壓裂液性能的增強和剪切速率的優(yōu)化，裂縫網(wǎng)絡(luò)的形狀可以更加可控和有效。總結(jié)膠液和滑溜水在頁巖壓裂過程中的作用如下：1）膠液黏度大，造縫受儲層非均質(zhì)性和非連續(xù)性影響小，傾向于形成大型橫切縫，而滑溜水在高壓下優(yōu)先向已經(jīng)存在的縫隙中濾失，激活高角度天然裂縫和層理縫，有助于形成更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；2）先注入膠液有一定的暫堵作用，使后續(xù)注入的低黏度壓裂液能夠充分濾失并激活層理縫和高角度天然裂縫；3）膠液相比滑溜水具有更高的攜砂能力，可形成寬且長的主裂縫，而滑溜水更容易形成高且窄的裂縫。

考佳瑋等人[34]認(rèn)為，可以充分利用膠液和滑溜水在頁巖中作用方式的差異交替注入2 種液體，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有效增大SRV，擴大儲層的泄流面積。交替注液壓裂時，巖石的起裂壓力、注液模式與巖樣自身特征相關(guān)，但相較而言優(yōu)先注入滑溜水的巖樣會達到更高的起裂壓力。此外，滑溜水黏度較低，在井筒內(nèi)憋壓過程中存在濾失，因此壓力上升較緩慢；而膠液黏度大、濾失量小，導(dǎo)致壓力上升迅速。Hou Bing 等人[35]總結(jié)深層頁巖儲層中水力裂縫在高應(yīng)力差下的擴展模式，交替注液可以在高應(yīng)力差下的頁巖儲層形成以“十”字形裂縫為基礎(chǔ)的復(fù)雜裂縫體系，裂縫的復(fù)雜程度、層理縫與高角度天然裂縫的發(fā)育程度及發(fā)育位置密切相關(guān)。基于水力裂縫起裂點的不同，可將深層頁巖的起裂方式分為橫切縫起裂、層理縫起裂和高角度天然裂縫起裂。其中，后2 種起裂方式不利于提高SRV 和裂縫導(dǎo)流能力，次級誘導(dǎo)縫的開啟和擴展將會嚴(yán)重制約主縫的擴展；此外，次級裂縫的產(chǎn)生也不利于支撐劑的泵入和鋪展。因此，在水力壓裂現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)確保水力裂縫起裂點附近層理縫和高角度天然裂縫不發(fā)育，并且在每段交替注液壓裂初期都應(yīng)持續(xù)注入膠液，直到主縫充分?jǐn)U展后再進行后續(xù)的交替注入程序，以確保主縫的導(dǎo)流能力。

3.3 穿層壓裂縫高延伸機制

儲層多層疊置時水力裂縫擴展是一個全三維擴展過程，不僅要求在水平面內(nèi)形成復(fù)雜縫網(wǎng)，也期望在縱向上充分延伸以溝通更多的產(chǎn)氣層，獲得最大的儲層改造體積。研究發(fā)現(xiàn)，層間物理性質(zhì)差異和射孔位置、層間應(yīng)力差、層理面性質(zhì)、儲層高度及彈性模量等力學(xué)性質(zhì)差異對縫高擴展及縫內(nèi)壓力影響顯著[36]。層狀頁巖儲層水力裂縫縫高穿層主控因素主要表現(xiàn)排序為：地質(zhì)因素（地應(yīng)力、層理和天然裂縫等弱面膠結(jié)強度）＞完井參數(shù)（簇間距）＞黏度和排量等施工參數(shù)。此外，陸相頁巖近井筒裂縫形態(tài)復(fù)雜，易激活井周天然裂縫及紋層結(jié)構(gòu)，垂直層理縫的延伸距離容易受限。海相頁巖較為均質(zhì)、脆性較高的同時，層理膠結(jié)強度較高，壓后裂縫縫寬較窄，且分布面積大，近井區(qū)域裂縫擴展的形態(tài)簡單，水力裂縫延伸距離較遠(yuǎn)且分支縫較少，能有效溝通射孔段儲層。

淺層龍馬溪組頁巖儲層具有高脆性、相對較低的三向主應(yīng)力及應(yīng)力差等特征，壓裂后多數(shù)情況下沿垂直最小地應(yīng)力方向起裂、逐漸擴展，形成開度較大的主裂縫。延伸過程中主裂縫能夠溝通上下層理面，并與周圍天然裂縫交互作用，最終形成不同溝通形式和較為復(fù)雜的擴展規(guī)模的縫網(wǎng)體。趙金洲等人[37]研究了頁巖氣水平井縫網(wǎng)壓裂施工壓力曲線診斷識別方法，能有效識別裂縫起裂和擴展過程中的6 種行為。卞曉冰等人[38]認(rèn)為施工階段曲線壓力波動頻率和幅度反映了裂縫的復(fù)雜程度，結(jié)合地層脆塑性可綜合診斷遠(yuǎn)井裂縫形態(tài)。通過探究縫高擴展過程中溝通天然裂縫的不同程度，總結(jié)出4 種典型的裂縫形態(tài)，包括單一裂縫、魚骨刺狀裂縫、伴隨天然裂縫開啟的魚骨刺狀復(fù)雜縫和多分支魚骨刺狀裂縫網(wǎng)絡(luò)。

深層頁巖儲層難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，高水平地應(yīng)力差控制了水力裂縫的擴展路徑并阻礙其激活層理縫和天然裂縫，容易形成單一的橫切縫而非復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。垂深超過3500m 的龍馬溪組頁巖氣儲層具有地應(yīng)力高、水平應(yīng)力差大、層理及高角度天然裂縫發(fā)育、巖石塑性強等特征。與淺層頁巖氣儲層相比，深層頁巖氣開發(fā)的主要問題是由于高起裂壓力、砂堵、高應(yīng)力差及天然裂縫所導(dǎo)致的SRV 相對較小，產(chǎn)量較低。Zhang Qixing 等人[39]對比了深淺層頁巖儲層條件，包括物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特征等。深層頁巖氣儲層的裂縫形態(tài)相比于淺層更為簡單，可以分為單一水平縫、單一橫切縫、伴隨天然裂縫開啟的臺階縫和多側(cè)向臺階狀裂縫等4 種形態(tài)。在適當(dāng)?shù)膶永砟z結(jié)條件下，主裂縫擴展過程中壓裂液易沿層理濾失，由于上覆巖層壓力高，在沿層理滑移短暫距離后會在地應(yīng)力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成多分支橫切縫。

4 頁巖儲層縫群壓裂造縫機制研究

4.1 非平面水力裂縫擴展

傳統(tǒng)的水力壓裂模型解釋的水力裂縫為雙翼對稱平面裂縫，初始地應(yīng)力場是控制水力裂縫擴展的主要因素。層狀頁巖地層層理，天然裂縫系統(tǒng)等弱面結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力狀態(tài)、完井方式及巖石非均質(zhì)性，且天然裂縫走向和傾向、地應(yīng)力大小和方位及井眼幾何形狀不同，這些因素共同作用，導(dǎo)致井壁地層受力狀態(tài)不同，在層內(nèi)、層間及界面均表現(xiàn)出強烈的非均質(zhì)性。此外，受到壓裂施工工藝的影響，前期壓裂段泵入的壓裂液會對后續(xù)壓裂段的裂縫形態(tài)產(chǎn)生影響，使得水力裂縫不斷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在三維空間狀態(tài)下扭曲形成非平面裂縫形態(tài)。壓后裂縫形態(tài)在一定程度上取決于水力裂縫與天然裂縫交叉作用方式，程萬等人[40]提出了二維和三維穿透判別準(zhǔn)則，并設(shè)計室內(nèi)模擬試驗，數(shù)值模擬了水力裂縫與天然裂縫的交叉作用行為。

J.Rungamornrat 等人[41]實現(xiàn)了對非均質(zhì)彈性介質(zhì)中三維水力裂縫非平面擴展的模擬，采用伽遼金邊界元法計算巖石基質(zhì)變形和縫內(nèi)流體流動，水平井密切割多段多簇裂縫會呈現(xiàn)非平面擴展、非對稱擴展和非均衡等特征。趙金洲等人[42]研究了均勻彈性介質(zhì)中三維非平面多裂縫相互競爭起裂和擴展過程，分析了孔眼摩阻、流體黏度等參數(shù)對多裂縫擴展的影響。層狀儲層壓裂水力裂縫在縫高上也可以展現(xiàn)出非平面擴展行為。王士國等人[43]采用改進的真三軸壓裂裝置，研究了界面非膠結(jié)條件下層狀巖石的裂縫擴展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了水力裂縫在不同巖層內(nèi)水力裂縫縫長的非協(xié)調(diào)擴展過程。李連崇等人[44]基于有限元方法，模擬研究了層狀儲層三維水力裂縫穿層及扭曲擴展規(guī)律。R.R.Settgast 等人[45]采用有限單元和有限體積方法，開展了全耦合三維水力壓裂數(shù)值模擬，水力裂縫縱向上穿透上下層間界面、水平方向逐漸延伸并溝通天然裂縫，在張性縫和剪切縫共同作用下形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

4.2 裂縫競爭擴展及流量分配

密切割多段多簇體積壓裂技術(shù)有助于提高單井產(chǎn)量，但分段數(shù)增多導(dǎo)致成本增加的同時，縫間競爭擴展和縫間干擾也更加明顯，且受到應(yīng)力狀態(tài)、施工參數(shù)和工藝、壓裂順序和摩阻等因素的影響。曲占慶等人[46]采用三維有限元數(shù)值模擬，探究了水平井多段多簇壓裂時的應(yīng)力干擾和裂縫擴展特征。周大偉等人[47]采用真三軸物理模擬試驗手段，探究了孔隙壓力場對水力裂縫的吸引和排斥特征。程萬等人[48]等采用邊界元與冪律流體流動方程，解釋了多條裂縫同時擴展時的擴展速度和排量分配不均導(dǎo)致的內(nèi)側(cè)和外側(cè)裂縫擴展競爭行為。時賢等人[49]利用改進Picard 法求解方程，認(rèn)為簇間距、黏度和摩阻等參數(shù)是影響裂縫流量分配的主要參數(shù)，且外側(cè)裂縫的進液量、縫長和縫寬均大于內(nèi)側(cè)裂縫。Liu Qianli 等人[50]認(rèn)為簇間應(yīng)力干擾影響了誘導(dǎo)應(yīng)力場產(chǎn)生裂縫穿透、捕獲和轉(zhuǎn)向等行為，激活天然裂縫可以減少干擾，有利于形成復(fù)雜的裂縫。Li Minghui等人[51]認(rèn)為適當(dāng)增加射孔摩擦力，可以抵消多條裂縫之間的應(yīng)力陰影，且段內(nèi)應(yīng)力非均質(zhì)會加劇進液不均衡問題。王小華等人[52]采用離散格子方法探究了射孔密度和相位角等參數(shù)對近井筒處的起裂和擴展行為。侯冰等人[53]采用三維離散元數(shù)值模型分析了密切割體積壓裂改造過程中多簇裂縫競爭擴展規(guī)律和改造后裂縫系統(tǒng)的立體產(chǎn)狀和儲層改造體積等。王磊等人[54]認(rèn)為，非均勻極限限流布孔技術(shù)可改善段內(nèi)各簇的壓裂液進液分布，通過縫口暫堵和縫內(nèi)暫堵提高凈壓力以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。唐煊赫等人[55]基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)全局嵌入有限元法的暫堵裂縫擴展數(shù)值算法，探究了裂縫性頁巖儲層不同分簇方式下裂縫形態(tài)的暫堵時機。

4.3 暫堵壓裂裂縫轉(zhuǎn)向

隨著密切割多段多簇體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用，暫堵轉(zhuǎn)向和重復(fù)壓裂等也獲得了很大程度的發(fā)展。郭建春等人[56]認(rèn)為威遠(yuǎn)、長寧、川南實施暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂能有效提高裂縫復(fù)雜程度，改善頁巖儲層壓裂效果。李彥超等人[57]認(rèn)為多簇暫堵體積改造技術(shù)的關(guān)鍵是如何通過關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，保證各簇裂縫有效、均勻擴展，提高縫控儲量及采收率。目前投球分段壓裂技術(shù)存在較難預(yù)測壓開層段順序、投球時機不易把握、坐封效率難以評估等問題[58]。金智榮等人[59]認(rèn)為多次暫堵能夠產(chǎn)生明顯的分支縫，有利于形成復(fù)雜裂縫，且多次暫堵后起裂壓力增大，提升注入排量可使暫堵壓裂形成更多的分支裂縫，且存在天然裂縫或?qū)永砻?、暫堵后施工壓力明顯升高是實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向、形成復(fù)雜裂縫的必要條件。曹學(xué)軍等人[60]認(rèn)為，四川盆地頁巖氣藏壓裂改造采用縫口暫堵轉(zhuǎn)向和縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)后效果明顯。陳釗等人[61]總結(jié)得出，昭通示范區(qū)施工投球數(shù)量為所需封堵孔眼數(shù)的1.0～1.2 倍，暫堵球直徑不小于13.5 mm。隨著暫堵劑注入，水力裂縫展現(xiàn)出縫內(nèi)轉(zhuǎn)向、起新縫以及起新縫結(jié)合縫內(nèi)轉(zhuǎn)向擴展等形式，提高了頁巖水力裂縫的復(fù)雜程度。侯冰等人[30]將四川長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖暫堵壓裂水力裂縫形態(tài)總結(jié)為階梯裂縫、激活弱面的橫切縫、簡單多裂縫和復(fù)雜多裂縫網(wǎng)絡(luò)等4 種類型。楊恒林等人[62]認(rèn)為暫堵劑可有效促進頁巖水力裂縫轉(zhuǎn)向、分叉，以及多裂縫的形成，且小排量傾向于形成簡單縫，提高排量有利于促進裂縫復(fù)雜度。

5 真三軸壓裂物理模擬技術(shù)發(fā)展趨勢

5.1 “井工廠”立體壓裂

頁巖油氣開發(fā)常采取“井工廠”壓裂模式[63]，水平井壓裂段內(nèi)存在多簇裂縫競爭擴展，且前序壓裂段內(nèi)施工泵入的壓裂液也會對后續(xù)段內(nèi)的水力裂縫擴展造成影響，且可能存在壓竄、套管變形等問題。縫內(nèi)壓力產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力明顯改變了裂縫周圍的初始地應(yīng)力場，同時壓裂液的濾失滲透導(dǎo)致了裂縫周圍孔隙壓力上升[64-66]。當(dāng)前真三軸壓裂物理模擬萬米深井儲層環(huán)境下的變高溫高壓高應(yīng)力等劣勢儲層環(huán)境存在一定困難。由于物理模擬尺寸較小，井間距和縫間距存在限制，模擬超臨界CO2壓裂、同步壓裂、拉鏈壓裂、重復(fù)壓裂、立體壓裂和多段多簇壓裂等復(fù)雜施工程序時存在一定局限[67-68]。此外，油田現(xiàn)場壓裂常連續(xù)泵注前置液、攜砂液和頂替液等，室內(nèi)真三軸物理模擬泵注施工步驟通常為間歇的，且由于管線限制，在添加支撐劑和暫堵劑等顆粒時存在一定不足。

5.2 智能化和數(shù)字化

油田現(xiàn)場壓裂智能調(diào)控屬于高度集成化的人工智能技術(shù)，不僅關(guān)系到智能勘探和開發(fā)，還涉及井底壓力和地層裂縫形態(tài)智能預(yù)測、風(fēng)險事故智能預(yù)判、施工參數(shù)智能優(yōu)化和施工設(shè)備智能控制等多方面的智能技術(shù)[69]。此外，油田現(xiàn)場工程師期望在智能壓裂設(shè)計和智能壓裂工況診斷方面取得突破，并且最終形成集智能設(shè)備，智能材料，智能工藝，智能診斷等于一身的綜合智能壓裂技術(shù)體系。真三軸壓裂物理模擬針對各類巖性組合、壓裂井筒和復(fù)雜工況進行有效的模擬和分析，后期能基于云平臺和人工智能等手段，打造智能實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能的數(shù)據(jù)存儲、壓裂分析、智能預(yù)測等。并且在智能工具、智能軟件、智能壓裂液流體及材料、智能監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)、智能控制、智能參數(shù)優(yōu)化、智能算法解釋等方面不斷突破。

6 結(jié)論

1）調(diào)研分析了頁巖儲層真三軸壓裂物理模擬試樣制備、壓裂井型和射孔組合、裝置原理、相似準(zhǔn)則、裂縫監(jiān)測、頁巖縫網(wǎng)壓裂改造、穿層壓裂縫高延伸和頁巖縫群壓裂提升改造規(guī)模等，認(rèn)為多類型分布式光纖傳感聯(lián)合監(jiān)測或聯(lián)合井下電視、微地震、聲發(fā)射等聯(lián)合監(jiān)測方法是今后油田現(xiàn)場和室內(nèi)物理模擬需要探究的重要問題。

2）變排量和交替注液模式能夠有效促進水力裂縫的擴展延伸，充分溝通層理和天然裂縫，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，提高縫網(wǎng)改造規(guī)模。

3）層狀頁巖儲層水力裂縫縫高穿層控制因素主次關(guān)系表現(xiàn)為：地質(zhì)因素（地應(yīng)力、層理和天然裂縫等弱面膠結(jié)強度）＞完井參數(shù)（簇間距）＞黏度和排量等施工參數(shù)。

4）頁巖儲層存在弱面結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力狀態(tài)、完井方式及非均質(zhì)性等特征，密切割多段多簇壓裂時縫間競爭擴展和應(yīng)力干擾會導(dǎo)致非平面、非對稱和非均衡擴展，暫堵壓裂有望改進簇間流量分配，改善頁巖儲層縫群壓裂改造效果。