韓偉歌 彭皓睿 崔振東 朱正國 劉 利 張康健

(①石家莊鐵道大學(xué),道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,石家莊 050043,中國)(②河北省金屬礦山安全高效開采技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050043,中國)(③中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室,北京 100029,中國)(④中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國)(⑤中國科學(xué)院大學(xué),地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049,中國)(⑥中鐵十八局集團有限公司,天津 300222,中國)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展,常規(guī)油氣資源日漸枯竭,全球戰(zhàn)略目光均已向非常規(guī)油氣資源轉(zhuǎn)移。而非常規(guī)油氣儲層滲透率低,想要實現(xiàn)經(jīng)濟有效開采,需要對儲層進行壓裂改造,產(chǎn)生連通壓裂縫網(wǎng),為致密油氣增加滲流通道,提高儲層滲透率。而致密沉積儲層層理面較為發(fā)育,層理面可以為水力裂縫提供較好地導(dǎo)流通道,層理面也將直接決定水力壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜程度(劉玉章等,2017)。因此,探明水力裂縫與層理面的交互機制對揭示復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)的成因機理至關(guān)重要。

眾多學(xué)者開展了室內(nèi)水力壓裂試驗,觀察了層理面對水力裂縫擴展的影響過程(侯冰等,2014)。侯振坤等(2016)通過頁巖真三軸水力壓裂試驗提出軟弱結(jié)構(gòu)面的存在是復(fù)雜縫網(wǎng)形成演化的基礎(chǔ)。李曉等(2019)通過對不同層理角度的頁巖試樣進行壓裂試驗,揭示了層理面傾角對裂縫擴展路徑、孔壓曲線和起裂壓力的影響規(guī)律。孫可明等(2016)根據(jù)三軸水力壓裂試驗結(jié)果,得到層理方向決定了水力裂縫擴展方向。Daneshy(1978)通過理論和試驗結(jié)合的方法研究了層理界面對水力裂縫擴展的影響。李芷等(2015)采用真三軸水力壓裂試驗,分析了水力裂縫與層理面交匯機制,水力裂縫在與層理面接觸后天然層理面開始拉張或剪切破裂。衡帥等(2015)采用真三軸水力壓裂試驗,分析了層理在頁巖壓裂縫網(wǎng)形成中的重要作用。趙子江等(2019)采用循環(huán)漸進升壓的排量控制方式,分析了頁巖層理面激活溝通過程。此外,學(xué)者也對層理面其他特性及斷層尺度和微納觀尺度(Cui et al.,2018; 崔振東等,2018; 馮雪磊等,2021)下的裂縫擴展過程進行了研究,Guo et al.(2018)研究了層理面密度對水力裂縫擴展的影響,并以此建立了3種裂縫擴展模型。趙海軍等(2016)利用數(shù)值模擬,分析了不同尺度下的天然結(jié)構(gòu)面對水力裂縫擴展與演化的影響。同時,油氣儲層中的天然裂縫可為油氣提供更多的運移通道(霍健等,2021)。Huang et al.(2017)通過真三軸水力壓裂實驗揭示了層理面附近水力壓裂的基本傳播規(guī)律,提出水力裂縫的3種穿透模式。而這3種穿透模式在水力裂縫與天然裂隙相互作用數(shù)值模擬研究中也被眾多學(xué)者認(rèn)可,普遍認(rèn)為水力裂縫與天然裂縫相互作用模式主要為:穿透、截獲和偏轉(zhuǎn)(Zhang et al.,2017; Zhou et al.,2017; 郭靜蕓等,2018; Fu et al.,2019)。而這種模式主要受地應(yīng)力差和水力裂縫與天然裂縫的夾角影響(李勇明等,2015),通常認(rèn)為較低地應(yīng)力差條件或者水力裂縫與天然裂縫呈較小夾角時,水力裂縫容易被天然裂縫捕獲。此外,Zeng et al.(2016)綜合考慮了裂縫間距和天然裂縫對水力裂縫的影響,探討了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機理,得到裂縫間距和應(yīng)力各向異性對裂縫形態(tài)有顯著影響。Nagel et al.(2013)也根據(jù)水力裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力陰影現(xiàn)象,分析了新生水力裂縫對原位地應(yīng)力場的影響及其與天然裂縫之間的相互影響,得到水力裂縫引起的應(yīng)力場變化會顯著影響天然裂縫的狀態(tài),同時天然裂縫也影響水力壓裂的成功性。目前研究結(jié)果均表明層理面的存在對裂縫的擴展具有重要影響(趙金洲等,2014; 王燚釗等,2018),而層理角度則主要決定巖石的破裂模式(張桂民等,2012; 張樹文等,2017),直接影響裂縫形態(tài),決定壓裂效果。當(dāng)前的研究熱點主要聚焦在層理面角度對水力裂縫縫網(wǎng)演化的影響,但是層理面參數(shù)不僅僅有層理面角度,對于不同地區(qū)致密儲層的層理面強度性質(zhì)(膠結(jié)程度)也不相同,而目前對于層理面膠結(jié)程度對水力裂縫縫網(wǎng)演化影響的研究還較少。而揭示層理面強度對水力裂縫擴展的影響可指導(dǎo)不同地域針對性地設(shè)置壓裂方案,對優(yōu)化壓裂設(shè)計,提高油氣開采率具有重要意義。

本文通過Python編程對有限元數(shù)值模型全局嵌入了0厚度Cohesive單元,建立了含軟弱層理面的離散網(wǎng)絡(luò)模型,基于該模型研究了層理面膠結(jié)程度對水力裂縫擴展的影響,并進一步結(jié)合Matlab程序?qū)baqus有限元軟件進行二次開發(fā),實現(xiàn)了聲發(fā)射(AE)數(shù)值模擬,結(jié)合AE數(shù)值結(jié)果精細化分析了水力裂縫的擴展過程,揭示了水力裂縫與層理面的交互模式,為縫網(wǎng)形成演化機理分析提供重要理論支撐。

1 數(shù)值計算原理

1.1 黏性單元本構(gòu)方程

黏聚力模型(Cohesive zone model)首先由Dugdale(1960)和Barenblatt(1962)提出,該模型可較好地解決裂紋尖端奇異性問題,可實現(xiàn)多種工況的裂紋擴展研究(沈珉等,2018)。Cohesive單元采用基于牽引分離規(guī)律的線彈性本構(gòu)模型,在損傷開始前,應(yīng)力-應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系,即:

(1)

式中:t代表應(yīng)力;ε表示應(yīng)變; 下標(biāo)n表示法向; 下標(biāo)s和t表示兩個切向方向;K為單元剛度。

1.2 Cohesive模型流-固耦合原理

1.2.1 應(yīng)力平衡方程

巖石作為多孔介質(zhì)其變形的力學(xué)平衡方程可由虛功原理給出(Han et al.,2020):

(2)

(3)

式中:ρw是液體的密度;g是重力加速度,軟件里假設(shè)它在豎直方向上是恒定的。

(4)

式中:f為不考慮流體重力的單位體積力。

1.2.2 裂縫面內(nèi)流體流動模型

假設(shè)裂縫內(nèi)的流體是連續(xù)且不可壓縮的,則流體在裂縫擴展面單元中的流動可劃分為切向流動和法向流動。

(1)流體切向流動方程:裂縫單元表面的切向流動可以用牛頓模型來模擬。在牛頓流體的情況下,體積流量可由以下表達式給出(Han et al.,2021):

Q=-ktp

(5)

式中:Q為排量;kt為切向滲透率;p為沿著破裂面的壓力梯度。

切向滲透率可根據(jù)雷諾方程來定義:

(6)

式中:d為破裂單元裂縫面的張開位移;μ為壓裂液黏度。

(2)流體法向流動方程:流體在破裂單元表面的法向流動可解釋為流體流進模擬區(qū)域單元上的體積速率,對應(yīng)于工程中的濾失現(xiàn)象。

流體在破裂單元上、下表面法向流計算公式(Han et al.,2021):

(7)

式中:qt、qb分別為流體進入破裂單元上下裂縫表面的體積流速;pt、pb對應(yīng)上下表面孔隙壓力;pi為破裂單元邊上虛擬節(jié)點的流體壓力;ct和cb分別對應(yīng)上下表面濾失系數(shù),其定義為單位面積、單位壓差、單位時間的濾失體積。

1.3 裂縫擴展準(zhǔn)則

1.3.1 損傷起始準(zhǔn)則

本文采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則作為裂縫起裂準(zhǔn)則:

(8)

(9)

即cohesive單元在純壓縮狀態(tài)下不會產(chǎn)生起始損傷。

1.3.2 損傷演化準(zhǔn)則

損傷演化規(guī)律用于描述材料剛度退化的速率,定義損傷變量D來代表材料的總體損傷,D在損傷過程中從0演化到1。損傷變量對應(yīng)力分量的影響可由下式給出:

(10)

(11)

損傷變量D本文采用基于有效位移的線性軟化形式來表示:

(12)

(13)

1.4 聲發(fā)射數(shù)值模擬方法

聲發(fā)射(AE)技術(shù)作為檢測裂縫擴展的有效手段,可以連續(xù)、實時地監(jiān)測裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展,在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(He et al.,2010; 韓偉歌等,2017)。為了深入分析裂縫擴展過程,本文基于聲發(fā)射方法的基本思想,采用Python編程語言對ABAQUS軟件進行二次開發(fā),結(jié)合MATLAB編程處理模擬數(shù)據(jù)在有限元里實現(xiàn)了聲發(fā)射數(shù)值模擬技術(shù),準(zhǔn)確獲取了AE定位圖和AE特征參數(shù)。其基本思想如下(韓偉歌等,2019):

首先,提取所有損傷單元及開始損傷時間,統(tǒng)計不同時間下的損傷單元數(shù),以此作為聲發(fā)射事件數(shù); 其次,獲取損傷單元的節(jié)點坐標(biāo)和耗散能,從而計算聲發(fā)射事件點定位坐標(biāo)及聲發(fā)射能量; 最后,得到損傷單元參數(shù)MMIXDME以此判斷裂縫破裂類型。MMIXDME參數(shù)定義如下:

(14)

式中:Gn、Gs、Gt分別表示3種破裂類型的斷裂能。MMIXDME數(shù)值為0時表示純拉破裂,為1時為純剪破裂,兩者之間則表示為拉剪混合破裂(韓偉歌等,2021)。

2 數(shù)值模型

巖石作為礦物集合體,由各種礦物顆粒組成,具有礦物非均質(zhì)性,而頁巖層理面又極為發(fā)育,需同時考慮頁巖礦物非均質(zhì)性及層理各項異性。

首先,建立尺寸為50m×50m的二維數(shù)值模型,在模型中心預(yù)制與最大主應(yīng)力方向平行的初始裂縫作為射孔,射孔長度設(shè)為1m。同時,采用0厚度cohesive單元構(gòu)建與最大主應(yīng)力方向呈30°的層理面。為了實現(xiàn)裂縫擴展的隨機性,通過二次開發(fā)對模型全局嵌入0厚度cohesive單元(圖1),并分別對層理面處cohesive單元和實體單元間cohesive單元賦予不同材料屬性,從而突出層理面軟弱特征。

圖1 嵌入cohesive單元示意圖

此外,根據(jù)頁巖XRD礦物成分分析結(jié)果,確定頁巖所含礦物種類及占比(Cui et al.,2022)(表1),通過Python編程對ABAQUS模擬軟件進行二次開發(fā),以網(wǎng)格單元來表征礦物顆粒,通過將相同類型礦物單元建立成集合,并對不同集合進行賦值,實現(xiàn)不同礦物間的材料差異性,從而實現(xiàn)頁巖礦物的非均質(zhì)性。通過上述手段實現(xiàn)了礦物非均質(zhì)性及層理面各向異性模型的建立(圖2)。

表1 礦物成分及參數(shù)

圖2 礦物非均質(zhì)性模型

為了模擬不同層理面強度對水力裂縫擴展的影響,引入無因次層理面強度系數(shù)F:

(15)

式中:Tb為層理面cohesive單元的抗拉強度;Tr為實體單元間cohesive單元的抗拉強度。

通過將層理面處的cohesive單元設(shè)置為不同的強度參數(shù),進行4種無因次層理面強度系數(shù)下的數(shù)值模擬試驗,具體參數(shù)如表2所示。

表2 Cohesive單元參數(shù)

基于文獻數(shù)據(jù)設(shè)置儲層參數(shù),水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為13MPa和7MPa,最大主應(yīng)力沿Y軸方向。滲透系數(shù)為10-7m·s-1、濾失系數(shù)為10-14m·(Pa·s)-1、壓裂液黏度為0.001Pa·s、最大排量為0.01m2·s-1(Han et al.,2020)。模型網(wǎng)格單元數(shù)為68,806個,其中實體單元采用四節(jié)點平面應(yīng)變孔隙流體/應(yīng)力單元(CPE4P),單元總數(shù)為22983個; cohesive單元采用四節(jié)點黏性孔隙流體/應(yīng)力單元(COH2D4P),單元總數(shù)為45,823個。設(shè)置Geostatic與Soils分析步,采用瞬態(tài)固結(jié)分析,總分析步時間為60s。

3 模擬結(jié)果

提取不同層理面強度參數(shù)影響下的數(shù)值模擬結(jié)果,根據(jù)二次開發(fā)聲發(fā)射模擬方法獲取聲發(fā)射模擬數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與聲發(fā)射數(shù)據(jù),得到層理面強度參數(shù)對水力裂縫擴展的影響,研討了層理面強度參數(shù)對水力裂縫縫網(wǎng)形成演化的影響。

3.1 裂縫路徑和長度

首先提取了不同層理面強度下的裂縫擴展路徑(圖3)。根據(jù)裂縫路徑圖可知,裂縫從射孔處起裂后,主裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴展。而層理面會阻礙裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴展,由于層理面強度較弱,導(dǎo)致裂縫沿層理面順層滑移,層理效應(yīng)明顯。層理面較弱時,水力裂縫擴展路徑由層理面主導(dǎo),裂縫直接沿著層理面滑移貫通。隨著無因次層理面強度系數(shù)的增大,裂縫擴展由層理面主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷永砻婧偷貞?yīng)力共同作用,破裂方式也由順層破裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫槍雍痛悠屏呀换グl(fā)生的復(fù)合破裂類型。當(dāng)無因次層理面強度系數(shù)為1時,層理面對裂縫擴展路徑將不起任何作用。此外,順層破裂裂縫寬度要小于穿層破裂,低縫寬的順層破裂不利于支撐劑的運移填充。根據(jù)裂縫路徑可知,當(dāng)無因次層理面強度系數(shù)為0.5時,裂縫擴展路徑最復(fù)雜,越易產(chǎn)生高縫寬的復(fù)雜交錯裂縫網(wǎng)絡(luò),有利于支撐劑的運移,可實現(xiàn)高效油氣開采。

圖3 裂縫路徑,其中裂縫寬度由顏色表征,從藍色到紅色裂縫寬度逐漸增大

此外,提取了不同層理面強度系數(shù)下的總裂紋長度及順層、穿層裂紋長度(圖4),隨著強度系數(shù)的增大,順層裂縫長度越來越小,直到強度系數(shù)為1時達到0,表明層理面強度越弱,裂縫受層理面的影響越大,裂縫順層滑移長度越大?？偭芽p長度與穿層裂縫長度越來越大,在強度系數(shù)為0.75時到達峰值,之后降低。表明層理面的存在有利于裂縫長度的增長,有利于增大裂縫面積,增加油氣滲流通道,但是層理面強度參數(shù)對水力裂縫的擴展影響并非絕對的,當(dāng)無因次層理面強度系數(shù)為0.5時,可以得到復(fù)雜的壓裂縫網(wǎng),當(dāng)強度系數(shù)為0.75時,可得到最大的裂縫長度,而當(dāng)強度系數(shù)再增大到1時,裂縫復(fù)雜程度和裂縫長度均劣化。

圖4 裂縫長度

3.2 聲發(fā)射定位圖和聲發(fā)射事件數(shù)

利用Python編程獲取聲發(fā)射參數(shù),結(jié)合Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了AE定位圖繪制(圖5)。

圖5 聲發(fā)射定位圖

其中:AE能量和破裂類型分別由AE事件點大小和顏色來表示,紅色表示為純拉破裂,紫色為純剪破裂,兩者之間為拉剪混合破裂。根據(jù)聲發(fā)射定位圖可知,整個水力裂縫的擴展過程是拉張破裂和剪切破裂同時作用的結(jié)果,順層滑移破裂總是表現(xiàn)為剪切破裂類型,穿層破裂則為拉張破裂類型。拉張破裂類型的能量要大于剪切破裂類型,并且裂縫在貫通模型邊界時,存在大能量聲發(fā)射事件點。無因次層理面強度系數(shù)為0.25時,在射孔下部產(chǎn)生剪切破裂,由于層理面強度較弱,并且在礦物非均質(zhì)性的影響下,裂縫還沒有克服射孔下部強礦物的影響,裂縫就已經(jīng)沿著層理面滑移貫通,因此在射孔下方?jīng)]有聲發(fā)射事件發(fā)生。

此外,認(rèn)定參數(shù)MMIXDME值小于0.5時拉張破裂占主導(dǎo),0.5～1之間為剪切占主導(dǎo),基于此利用Matlab提取了不同破裂類型的AE事件數(shù)(圖6)。4種工況下拉張破裂類型AE事件數(shù)要明顯大于剪切破裂類型AE事件數(shù),拉張破裂占主導(dǎo)地位。隨著無因次層理面強度系數(shù)的增大,總AE事件數(shù)、拉張破裂AE事件數(shù)、剪切破裂AE事件數(shù)均呈先增大后減小的趨勢,即隨著層理面強度的增大,破裂事件數(shù)逐漸增大,但強度增大到某一值時,則聲發(fā)射事件數(shù)開始減小。強度系數(shù)為0.5時的剪切破裂事件數(shù)最多,強度系數(shù)為0.75的拉張破裂事件數(shù)最多。因此,層理面強度太強或太弱,都不利于水力裂縫縫網(wǎng)的產(chǎn)生。

圖6 聲發(fā)射事件數(shù)

3.3 孔隙水壓力曲線和聲發(fā)射能量

進一步提取了不同層理面強度的孔隙水壓力曲線及整個壓裂過程中的聲發(fā)射能量如圖7所示。不同層理面強度下,聲發(fā)射能量與孔壓曲線均表現(xiàn)出相似變化趨勢。達到起裂壓力后裂縫起裂,開始產(chǎn)生聲發(fā)射能量,隨著壓裂的進行,孔壓不斷增大,裂縫持續(xù)擴展,聲發(fā)射能量分布在整個壓裂階段,直到裂縫貫通,孔壓驟降,壓裂完成。根據(jù)孔壓降出現(xiàn)的時間,可以判斷層理面強度越弱,裂縫越容易順著層理破裂貫通,越早出現(xiàn)孔壓降。無因次層理面強度系數(shù)為0.25時,在壓裂初始階段,存在高能量聲發(fā)射事件,之后聲發(fā)射能量趨于平穩(wěn),結(jié)合圖3裂縫路徑可以發(fā)現(xiàn),裂縫起裂后主要順著層理面滑移破裂,所以有較為平穩(wěn)的聲發(fā)射能量。強度系數(shù)為0.5時,聲發(fā)射能量在整個壓裂過程中分布參差不齊,根據(jù)圖5聲發(fā)射定位圖可知,穿層破裂聲發(fā)射能量要大于順層破裂,因此,高低聲發(fā)射事件能量的交錯分布表明了穿層破裂與順層破裂的交替發(fā)生。在裂縫貫通模型邊界時,出現(xiàn)孔壓降,同時有高聲發(fā)射能量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。

圖7 孔隙水壓力隨時間變化曲線和聲發(fā)射能量隨時間分布圖

4 討 論

4.1 礦物非均質(zhì)性對水力裂縫擴展影響

由上述研究內(nèi)容可知在F=0.25時,水力裂縫在射孔上部沿著層理面滑移貫通,射孔下方儲層并未開裂。由于本文考慮了巖石的礦物非均質(zhì)性,因此,認(rèn)為這種現(xiàn)象是礦物非均質(zhì)性導(dǎo)致的。為驗證這種假設(shè),提取F=0.25時,不同注入時間下流體有效速度矢量云圖(圖8)。

圖8 不同時間下流體有效速度矢量云圖

由圖8可以發(fā)現(xiàn),云圖分布存在明顯的非均質(zhì)性。在裂縫開始擴展前,流體有效速度主要集中在射孔上方,促使射孔上部儲層開裂; 上部裂縫擴展至層理面后,流速主要沿著層理面分布,而此時流體在層理面內(nèi)流動更加通暢,導(dǎo)致射孔下部的壓力持續(xù)減小,更難以開裂。結(jié)合圖2礦物非均質(zhì)模型可以發(fā)現(xiàn),在射孔下部存在堅硬石英聚合體,從而導(dǎo)致了該位置儲層在一定壓力下難以開裂,而隨著上部儲層的開裂擴展,流體持續(xù)向上部匯聚,使得射孔下部更難以達到起裂應(yīng)力,從而導(dǎo)致了裂縫的非同步性擴展。

4.2 排量對水力裂縫擴展影響

針對礦物非均質(zhì)性引起的水力裂縫非同步擴展問題,考慮不同排量大小對水力裂縫影響。在F=0.25時,增加最大排量為0.1m2·s-1時的數(shù)值模擬結(jié)果(圖9)。

圖9 F為0.25時不同排量下裂縫擴展路徑

對比兩種排量下的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),大排量在一定程度上可以減小礦物非均質(zhì)性的影響,射孔上下儲層均開裂,最終沿著層理面滑移貫通破壞。排量為0.1m2·s-1時,提供了更多的能量可抵抗射孔下部石英聚合體的影響,水力裂縫穿透聚合體,擴展至層理面,從而被層理面捕獲。此外,排量越大裂縫寬度越大,越有利于支撐劑的運移。

針對上述F=0.75時的工況,由于此時層理面強度較強,層理面效應(yīng)較弱,層理作用下的位錯縫網(wǎng)較少,考慮從排量控制方式上增加層理面的積極作用。因此,開展兩種排量控制方式下的模擬研究,排量控制方式如圖10所示。

圖10 不同注入速率控制方式

一種為直接加載,另一種為循環(huán)加載,即加載至最大排量后,再卸載一定時間,如此往復(fù)循環(huán)。最終提取兩種加載方式下的裂縫路徑(圖11)。

圖11 不同注入速率控制方式下裂縫路徑

圖11中藍色為穿層破裂,紅色為順層破裂?？梢园l(fā)現(xiàn),直接加載方式下,由于層理面的軟弱性,共有14處層理面被激活起裂,但水力裂縫并沒有繼續(xù)沿著層理面滑移破壞,位錯式裂紋只有2處,不利于產(chǎn)生壓裂縫網(wǎng)。而在循環(huán)加載方式下,共有16處層理面被激活,其中7處小位錯滑移裂紋,層理面位錯滑移式裂紋的產(chǎn)生充分發(fā)揮了層理面的積極效應(yīng),有利于產(chǎn)生壓裂縫網(wǎng)。此外,循環(huán)加載方式下,在主裂縫附近存在更多的次級裂縫,增加了裂縫面積,為油氣提供了更多運移通道。

5 結(jié) 論

本節(jié)采用全局嵌入0厚度cohesive單元的方法,研究了不同層理面強度對水力裂縫縫網(wǎng)演化的影響,結(jié)合聲發(fā)射數(shù)值模擬結(jié)果,分析了不同層理面強度下的水力裂縫擴展過程,得到以下結(jié)論:

(1)最大主應(yīng)力和層理面均是裂縫擴展的控制因素,最大主應(yīng)力宏觀上決定水力裂縫整體走勢,而層理面則會在局部捕獲水力裂縫,干擾裂縫擴展方向。并且,層理面越弱,對水力裂縫的捕獲能力則越強,裂縫越容易順層滑移破裂。

(2)礦物非均質(zhì)性可引起應(yīng)力非均勻分布,導(dǎo)致水力裂縫非同步擴展,間接增加水力裂縫的復(fù)雜程度。

(3)孔隙水壓力及聲發(fā)射能量變化特征可間接表征裂縫擴展情況,聲發(fā)射能量分布越交錯復(fù)雜,孔隙水壓力曲線越波動,則裂縫路徑越復(fù)雜。

(4)層理面強度太強或太弱均不利于壓裂縫網(wǎng)的產(chǎn)生,層理面強度參數(shù)存在最優(yōu)值,本文中無因次層理面強度系數(shù)為0.5時,裂縫擴展路徑最復(fù)雜,易產(chǎn)生復(fù)雜交錯裂縫網(wǎng)絡(luò),有利于致密油氣開采。

(5)根據(jù)不同層理面強度破裂特征可針對性的設(shè)計壓裂方案。對于弱層理面油氣儲層可適當(dāng)增大排量以減弱層理面的不利影響。而針對高強度層理面儲層可采用循環(huán)加壓、憋壓等方式充分激活天然層理面,增大裂縫網(wǎng)絡(luò)面積,實現(xiàn)油氣高效開采。