页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析_赵金洲

西南石油大学学报 （自然科学版）
2013 年 2 月 第 35 卷 第 1 期 Journal of Southwest Petroleum University （ Science & Technology Edition ） Vol. 35 No. 1 Feb. 2013 文章编号：1674 – 5086 （ 2013） 01 – 0001 – 09 中图分类号：TE357 DOI： 10. 3863/j. issn. 1674 – 5086. 2013. 01. 001 文献标识码：A
18]
。Mayerhofer 等[19
20]
提出了对于页岩储
图2 裂缝由简单到复杂的不同分类[21]
Fig. 2 Simple and complex fractures[21]
层需要提高油藏改造体积 （ SRV， Stimulated Reservoir Volume ） 形成最大化的缝网展布才能取得好的 措施效果， 压裂缝成网延伸是页岩储层改造成功 的关键。由于目前对页岩储层的缝网形成机理认 识还不够系统和完善， 本文在室内实验、 矿场压裂 实践、 理论分析以及数值模拟等研究成果的基础 上， 对页岩储层的压裂缝成网延伸受控因素进行 分析， 对提高页岩储层压裂设计可靠性具有重要 的理论指导意义。
Abstract： Fracturing practice shows that hydraulic fractures in shale reservoir present complex extending models of non-planar and multiple branches， which is essentially different from traditional symmetry plane bi-wing fractures in forming mechanism. Based on the research results of indoor experiments， field fracturing practice， theory analysis and numerical simulation etc， this paper has systematically analyzed the controlling factors of hydraulic fractures extending into network in shale formations. Research shows the extending shape of fractures in shale reservoir is influenced by both geological factors and engineering factors： according to reservoir geological attributes， higher brittle mineral contents of rock， stronger elastic characteristic of rock mechanical properties， smaller horizontal differential stress and better developed natural fractures will be constructive to better extension and propagation for hydraulic fractures extending into network； according to engineering conditions of fracturing operations， higher operation net pressure， lower fluid viscosity and larger fracturing scale will be more helpful to the formation of fully propagated fracture-network. This study has important theoretical value and practical significance to the understanding of shale reservoir fracture-network propagation mechanism and can improve the science of shale reservoir fracturing design. Key words：shale； fracture-network； brittle mineral； natural fractures； net pressure
对含量所决定。页岩中粘土矿物含量越低， 石英、 长石、 方解石等脆性矿物含量越高， 岩石脆性越强，
， 如图 1 所示。
第1期Biblioteka 赵金洲， 等： 页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析
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储层的天然裂缝越发育， 在水力压裂外力作用下越 易形成诱导裂缝网络， 有利于页岩气开采。而高粘 土矿物含量的页岩塑性强， 水力压裂时以形成平面 裂缝为主， 不易形成体积裂缝网络[24] 。美国产气 页岩储层的石英含量为 28%∼52%、 碳酸盐含量为 4%∼16%， 总脆性矿物含量为 46%∼60% [25] ， 分析美 国页岩压裂室内矿物组成与矿场的水力裂缝延伸模 式对应关系， 认为页岩中 40% 的脆性矿物含量是形 成缝网的岩矿门限条件。 2.2 岩石力学参数 岩石力学参数对页岩储层岩石的可压性具有重 要作用和影响， 泊松比反映了岩石在应力作用下的 破裂能力， 而弹性模量反映了岩石破裂后的支撑能 力
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西南石油大学学报 （ 自然科学版 ）
2013 年
引 言
经过半个多世纪的发展， 水力压裂已经成为油 气田开发中提高低渗透储层单井产量和采收率的重 要技术手段， 特别是近年来， 在水平井分段压裂技 术的推动下[1
3]
， 美国在纳达级超低渗透页岩储层
中的非常规天然气开发上取得巨大成功， 2011 年的 年产量达到了 1 720.0 × 108 m3 ， 远超过中国 2011 年 的天然气年总产量 （ 1 025.3 × 108 m3） 。 长期以来， 对远井区域水力裂缝几何形态的认 识与理解是水力压裂的最新前沿理论之一， 传统 的经典压裂理论认为， 远井区域的水力裂缝是沿 垂直最小地应力方向延伸的平面对称双翼裂缝。 近些年来， 不少研究者已经认识到水力裂缝存在 复杂的延伸形态。Warpinski 等矿场试验首次发现 压裂时存在主裂缝与复杂分支裂缝同时延伸， 提 出了裂缝延伸带的概念[4
由 于 该 Barnett 页 岩 天 然 裂 缝 的 总 方 向 是 西 北 — 东南， 而水力诱导裂缝的趋势一般在东北 — 西 南方向， 为此， 在该页岩储层中形成了水力裂缝与 天然裂缝相互交错的复杂裂缝系统。
2 影响页岩储层压裂缝成网延伸的地 质因素
影响页岩储层压裂缝延伸的地质因素包括储层 的岩矿成分、 岩石力学性质、 水平应力场以及天然 裂缝分布等几个重要方面。 2.1 岩矿成分 岩石的脆性很大程度上由岩石的矿物成分所 控制[22
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1 页岩储层压裂缝扩展特征
井下微地震、 井下和地面测斜三种不同裂缝监 测技术获取的监测数据表明， 页岩地层的水力裂缝 不像均质砂岩地层呈 180 ◦ 对称两翼方向延伸的单 一平面裂缝， 而是不规则的多条裂缝连在一起形成 由各种不同长、 宽、 高裂缝组合而成的复杂裂缝网 络体系
[21]
， 即由岩石中硅质和钙质与粘土之间的相
[26]
Rickman 提出了岩石脆性特征参数与压裂裂缝 形态的对应关系， 如表 1 所示[26] 。
表1
Tab. 1
岩石脆性特征参数对水力延伸裂缝形态的影响[26]
Effect of rock brittle index on hydraulic fracture pattern[26] 裂缝形态 描述 网缝 网缝与多 缝过度 多缝 两翼对称
网络出版地址：http： ///kcms/detail/51.1718.TE.20130122.2043.006.html ： 赵金洲， 任 岚， 胡永全． 页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析[J]． 西南石油大学学报： 自然科学版， 2013， 35 （1 ） 1 – 9． Zhao Jinzhou, Ren Lan, Hu Yongquan． Controlling Factors of Hydraulic Fractures Extending into Network in Shale Formations[J]． Journal of Southwest ： Petroleum University： Science & Technology Edition， 2013， 35 （1 ） 1 – 9．
6]
图1
微地震监测图证实页岩储层复杂的裂缝延伸模式[21]
Fig. 1 Complex fracture extension mode in shale reservoir confirmed by microseismic monitoring mapping [21]
Warpinski[21] 基于页岩储层裂缝延伸形态， 将 水力裂缝从简单到复杂分为 4 大类， 如图 2 所示， 分 别为单一平面双翼裂缝、 复杂多裂缝、 天然裂缝张 开下的复杂多裂缝和复杂的缝网， 认为页岩储层压 裂将形成复杂的缝网。
专家论坛
页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析 *
赵金洲， 任 岚， 胡永全
“油气藏地质及开发工程” 国家重点实验室 · 西南石油大学， 四川 成都 610500
摘 要：压裂实践表明， 页岩储层的水力裂缝呈现出非平面、 多分支的复杂延伸模式， 这与传统压裂理论认为的对称 平面双翼裂缝从形成机理上存在本质的区别。基于室内实验、 矿场压裂实践、 理论分析和数值模拟等研究成果， 系统 分析了页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素。研究表明： 页岩储层的裂缝延伸形态受到地质因素和工程因素的双重 作用， 从储层地质属性上看， 岩石的脆性矿物含量越高、 岩石的力学弹性特征越强、 水平应力差越小以及天然裂缝越发 育， 越有利于压裂缝的成网延伸与扩展； 从压裂作业的工程条件上来说， 施工净压力越高、 压裂液流体黏度越低以及压 裂规模越大， 越有利于形成充分扩展的缝网。该研究对认识页岩储层缝网扩展机理以及提高页岩储层压裂设计的科 学性具有重要的理论价值和现实意义。 关键词：页岩； 缝网； 脆性矿物； 天然裂缝； 净压力