页岩气储层压裂网络裂缝形成机制探讨王海涛1 ，贾长贵1 ，蒋延学1 ，张保平一，张广清2摘要单一水力裂缝不能满足页岩压裂改造需要，为了提高页岩气储层改造体积( S R V ) 和增加气体泄流面积，需要根据页岩性质采取相应的技术对策以尽可能地为形成具有一定复杂性和流动稳定性的网络裂缝系统创造条件在开展页岩压裂网络裂缝调研的基础上，分析并提出了影响网缝形成的主控因素，阐明了网缝形成机制；通过诱导应力场计算，进一步分析得出提升主裂缝内净压力以诱导裂缝发生转向是网缝压裂设计的基础；根据实际压裂过程中网缝产生的两个阶段，提出了避免在近井带诱导产生多裂缝和强化远井带复杂裂缝系统的必要性和压裂对策结合现场应用实例表明，通过优化二次加砂中间停泵时间、变排量、变砂液比、优化支撑剂段塞数等方法有利于提高主裂缝内净压力诱导裂缝转向，达到沟通远井带天然裂缝的目的A b s t r a c t ：T h ec o n v e n t i o n a lB i - w i n ds i m p l eh y d r a u l i cf r a c t u r ec a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fg a ss h a l ef r a c t u r i n g ．I ti Sn e c e s s a r yt ot a k es o m et e c h n i c a lm e a s u r e st oe n l a r g et h es t i m u l a t e dr e s e r v o i rv o l u m ea n ds h a l eg a sd r a i n a g eb yc r e a t i n gt h ec o m p l e xn e t w o r kf r a c t u r es y s t e mw i t hs t e a d yf l o wa b i l i t y ．O nt h eb a s i so fs u r v e yo fg a ss h a l en e t w o r kf r a c t u r i n g ，t h em a i nc o n t r o lf a c t o r so fn e t w o r kf r a c t u r eh a v eb e e np r o v i d e d ，a n dt h en e t w o r kf r a c t u r em e c h a n i s m sh a v eb e e ne l u c i d a t e d ．F u r t h e r m o r e ，b yt h ec a l c u l a t i o no fi n d u c e ds t r e s s ，i tp r o v e st h a tt h ei n d u c e dd i v e r s i o no ff r a c t u r eb yi m p r o v i n gt h ef r a c t u r en e tp r e s s u r ei nf r a c t u r i n gp u m p i n gp r o c e s si st h ek e yo fn e t w o r kf r a c t u r i n gd e s i g n ．F i n a l l y ，t w os t a g e so fn e t w o r kf r a c t u r e sh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d ，a n di tp r o v i d e st h er e l e v a n tn e c e s s i t ya n dm e a s u r e so na v o i d i n gn e a r —w e l l b o r em u f t i —f r a c t u r e sa n ds t i m u l a t i n gf a r —f i e l dn e t w o r kf r a c t u r e s ．C o m b i n i n gw i t ht h ef i e l da p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h e r ea r es o m ef r a c t u r i n gm e a s u r e sc a nb et a k e n ，s u c ha s ，p u m p i n go f ft i m eo p t i m i z a t i o ni ni n t e r m e d i a t es a n d —l o a d i n gp u m p i n gp r o c e s s ，v a r i a b l ef r a c t u r i n gp u m p i n gr a t e ，v a r i a b l es a n d —f l u i dr a t i o ，s a n ds l u gn u m b e ro p t i m i z a t i o n ，w h i c hs h o w st h ea d v a n t a g e st oi m p r o v i n gf r a c t u r en e tp r e s s u r et Oi n d u c ef r a c t u r ed i v e r s i o na n df u r t h e rc o m m u n i c a t i n gt h ew e l lw i t hn a t u r a lc r a c k s ．前言在页岩气开发的近1 0 年里，页岩气设计最终采收率已经从2 ％增加至5 0 ％左右，这主要是通过技术的发展和革新得到的⋯。
革新的技术包括水平井、复杂结构井钻井技术及水平井多段压裂、超低黏度滑溜水压裂、同步压裂等储层改造技术【2 】，这些技术通过在气藏内部打开天然裂缝，增加裂缝体系与地层的接触表面积( 最高至9 ．2 ×1 0 6 m 2 ) ，促进了页岩气产量的迅速提升1 3 l 页岩气储层压裂改造无论在规模上还是设计方法上都有别于传统意义上的水力压裂，即通过大规模( 液量、砂量) 、高排量、低砂液比、低黏度压裂液注人地层并形成具有一定复杂性及稳定流动1 ．中国石化石油工程技术研究院；2 ．中国石油大学( 北京) 石油天然气工程学院能力的人工网络裂缝系统然而，并非所有页岩气储层都能实现人工网缝压裂改造本文将对页岩气储层压裂网络裂缝形成及对策加以探讨1 网络裂缝研究进展从开发角度而言，页岩气储层一般不压裂很难自然建产，但并不是说压裂后都能取得预期增产效果为了达到压裂改造的目的，从压裂角度来看，页岩气储层物质基础、有机地化指标、物性参数、应力状态等都直接决定页岩是否具有可压性及是否具有形成网缝的条件，这些因素直接影响压裂效果所以，对于含气页岩进行压裂改造的最终目标是在地层中形成网络裂缝，以有效增大气藏改造体积( S R V ) 满足开发需要。
一1 2 7 —人们通过大量的实践，特别是通过分析施工压力特征和返排，以及产量变化规律，认为页岩地层经过改造后普遍存在网络裂缝[ 4 ．5 | ，这与常规油藏改造后形成的单一或多条裂缝不同C r a i g ，F i s h e r ，W a r p i n s k i 等人[ 5 ，6 】通过大量微地震信号分析后，认为压裂后形成的网络裂缝可以通过微震信号进行关联虽然目前还没有直接观察到页岩气储层中由于压裂形成的网络裂缝，但根据对岩心观察及煤层和火山岩压裂后开挖的观察结果来看[ 5 ] ，人们推断页岩压裂后也形成了类似的网络裂缝M a y e r h o f e r 等通过对比压后产量与通过微震信号分析得到了网络裂缝特点，提出了体积压裂的概念[ 7 —1 C i p o l l a 通过分析给出了有利的网络裂缝形态[ 9 1 ，即S R V 越大产量越高，由此通过技术手段提高S R V 就成为页岩压裂增产的关键C i p o l l a 还通过定义裂缝复杂性指数F C I 来描述网络裂缝有效性，即网缝宽度和长度之比[ 4 1 对于网缝压裂形成的机理，目前有多种观点：O l s e n 认为有四个方面的因素对形成网络裂缝有利1 1 0 1 ，即正交区域张性裂缝；水平应力差异小及各向异性弱；泊松比小；基质渗透率极低。
C i p o l l a 分析了黏度的影响，认为低黏度压裂液有利于网络裂缝的形成[ 9 1 ，并用微震数据验证了这一观点Y o s t 通过分析裂缝性地层水平井水力裂缝的延伸认为[ 1 1 - 1 3 ] ，高排量有助于产生新裂缝，而低排量有助于天然裂缝的张开P a t e r 等人[ 1 4 1 在室内通过物理模拟验证了这一结论通过总结人们对于页岩网络裂缝形成机理的认识，可以将影响因素归纳为两方面：一是页岩性质，包括页岩基质性质，如岩性、强度、脆度、地应力及敏感性等；天然裂缝性质，如裂缝间的填充物、裂缝分布及发育情况等二是诱导应力的形成，来自两个方面，裂缝张开和造成页岩变形，如同步压裂或顺序压裂；其次通过大量压裂液注人造成地层压力变化，如体积压裂2网络裂缝形成机制与诱导应力2 ．1网络裂缝形成机制网络裂缝的组成主要包括：压裂裂缝( 主裂缝) 、天然裂缝、次生诱导缝对于天然裂缝和次生诱导缝的开启和延伸取决于就地应力条件下裂缝的充填、分布、走向等，只有满足主裂缝延伸的同时开启天然裂缝和诱导( 闭合) 缝，保证裂缝间彼此连通，并具有一定的导流能力才能算是真正意义上的网络裂缝研究表明，改变主裂缝延伸轨迹主要受到主裂缝与天然裂缝夹角、两向水平应力差异控制[ 1 5 1 ：当人工裂缝与天然裂缝夹角较小( 6 0 。
) ：无论水平应力差多大，天然裂缝都不会张开和改变原有延伸路径，人工裂缝将直接穿过天然裂缝向前延伸，不具形成网缝的条件水平最大和最小主应力大小对裂缝的影响表现为[ 1 6 1 ：两者比值大于1 ．5 时，在中间应力方向产生1 条平面裂缝；而当比值由1 ．5 降至1 ．0 时，随着比值的降低产生逐渐增多的裂缝分支和多条裂缝2 ．2 诱导应力与裂缝转向为了确保天然裂缝张开，虽不能改变原生天然裂缝的方向，但实际上可以通过人为提高裂缝内净压力的方式在单一裂缝脆弱面上产生诱导应力以改变最大与最小主应力的分布，诱导主裂缝发生转向，减小高角度天然裂缝发育地层主裂缝与天然裂缝的夹角实现张开天然裂缝的目的这种诱导应力分布的数学模型表述如下[ 1 7 1 ：为简便起见，假设二维垂直裂缝，见图1所示二维垂直裂缝所诱导的应力场为㈨：—_ 一《睁， I ，2 | 划阡‘‘I 目I ■缵·R ^ 剁缝m 也H‰一，“割一“n ；( q + Br f ( ’1 ：3 ^ * 29 ；【吾J “““8 j ( E + 8 ) ( 3m 虎克定律qn 口2y ( tm 矿om 目)( 4l 目时．备几何磬数叫存在蛆I 、关系：r = √r + Y ‘‘= √x2 + ( y + c ) 2t = √x2 + ( 3 ' - c 1 -在式( 1 ) 至( 4 ) ，lr ：P裂缝面上的压力．P d { F ⋯．m ，——Yv 、：方向上的诱导应力．P a ，7 “厂E ，r 面上的诱导剪切应力， p a ；一裂缝嘶任意一点距井跟距离，m ；B 一裂缝^ 位角，：Ⅳ——裂缝高崾．c = H ／2 ，m 。
如果0 ，0 ．和n 为鲍值，耶么应分别用舢1 8 0 O i + 1 8 0 ’利0 z + 1 8 0 通过计算可以看出( 图2 】：垂直于裂缝方向所诱导的水半应力最人，在裂缝方向上所诱导的水平应力最小产生的水力裂缝在地层中产生了诱导应。