层理角度-施工参数对各向异性页岩水力裂缝扩展的影响

梁淼; 黄浩; 刘冰; 车恒达; 芦汉; 孙志鹏; 康楠

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505411

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5470-5480 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505411

石油、天然气工业

层理角度-施工参数对各向异性页岩水力裂缝扩展的影响

梁淼 ¹^,² ,
黄浩 ²^,³^,^* ,
刘冰 ¹^,² ,
车恒达 ¹^,² ,
芦汉 ¹^,² ,
孙志鹏 ¹^,² ,
康楠 ¹^,²

作者信息 +

Effects of Layer Angle-construction Parameter on Hydraulic Fracture Extension in Anisotropic Shales

LIANG Miao ¹^,² ,
HUANG Hao ²^,³^,^* ,
LIU Bing ¹^,² ,
CHE Heng-da ¹^,² ,
LU Han ¹^,² ,
SUN Zhi-peng ¹^,² ,
KANG Nan ¹^,²

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摘要

油气井压裂增产的效果在很大程度上取决于裂缝的扩展形态。为了探究各向异性页岩储层中受地层构造、层理弱面等缺陷结构控制的裂缝扩展机理。利用ABAQUS有限元软件,研究采用内聚力单元,通过考虑层理弱面的各向异性建立了页岩数学模型,并系统分析了不同层理倾角(0°、30°、45°、60°、90°)对水力压裂扩展的影响。对水力裂缝扩展形态、最终缝宽和裂缝长度等关键参数进行对比分析,并研究不同施工参数(排量、压裂液黏度)对裂缝扩展的影响。结果表明:在层理倾角为45°时,压裂液进入层理能力达到最高,形成剪切滑移主导型水力裂缝,最终缝宽达到5.73 mm,缝长达到78.6 m;将排量提升至13 m³/min或压裂液黏度增至40 mPa·s,可显著增大水力裂缝的缝宽和缝长,同时在层理倾角为45°时可实现最优的储层沟通效果与导流性能。进一步调控排量和压裂液黏度等施工参数,对水力裂缝的扩展效果进行优化,并将研究成果成功应用于威远区块X井的现场实践验证,有效增强了裂缝扩展能力及导流通道的连通性,提升该井储层改造效率。

Abstract

The effectiveness of hydraulic fracturing for oil and gas wells stimulation is largely determined by the fracture propagation morphology. In order to investigate the fracture propagation mechanism controlled by structural features such as formation structure features such as formation structure and bedding planes in anisotropic shale reservoirs, using the ABAQUS finite element software, a mathematical model of shale was established by incorporating cohesive elements and accounting for the anisotropy of bedding weak planes. The influence of different bedding dip angles (0°, 30°, 45°, 60°, 90°) on hydraulic fracturing propagation was systematically analyzed. Comparative studies were conducted on key parameters such as hydraulic fracture morphology, final fracture width, and fracture length. Additionally, the effects of various operational parameters (flow rate and fracturing fluid viscosity) on fracture propagation were investigated. The results indicated that at a bedding plane dip angle of 45°, the ability of the fracturing fluid to penetrate the bedding planes was maximized, leading to a shear-slip dominated hydraulic fracture, with a final width of 5.73 mm and a length of 78.6 m. Increasing the displacement to 13 m³/min or the fracturing fluid viscosity to 40 mPa·s was found to significantly enhance both the width and length of the hydraulic fracture. Additionally, optimal reservoir connectivity and flow-guiding performance were achieved specifically at the 45° dip angle. By further adjusting construction parameters such as displacement and fracturing fluid viscosity, the fracture propagation effectiveness was optimized, and the research findings were successfully applied and validated in the field practice of Well X in the Weiyuan Block, effectively enhancing fracture propagation capability and the connectivity of flow channels, thereby improving the reservoir stimulation efficiency of this well.

Graphical abstract

关键词

各向异性页岩 / 页岩层理 / 施工参数 / 有限元模拟 / 裂缝扩展

Key words

anisotropic shale / shale lamination / construction parameters / finite element simulation / crack extension

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梁淼, 黄浩, 刘冰, 车恒达, 芦汉, 孙志鹏, 康楠. 层理角度-施工参数对各向异性页岩水力裂缝扩展的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5470-5480 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505411

LIANG Miao, HUANG Hao, LIU Bing, CHE Heng-da, LU Han, SUN Zhi-peng, KANG Nan. Effects of Layer Angle-construction Parameter on Hydraulic Fracture Extension in Anisotropic Shales[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5470-5480 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505411

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以“页岩气革命”为典型的非常规油气资源成为如今全球油气产量增长的重要组成部分,推动了全球能源结构的变革和发展,促进页岩气勘探开发技术的高速转型。页岩气开发对中国的经济和社会产生重要的影响^[1-3]。且页岩的物理性质、力学特性差异较大,普遍具有超低孔、低渗等特点^[4-6]。调研发现致密的页岩储层特征直接决定了页岩气开发必须采用储层压裂改造技术,即通过水力压裂技术扩大储层改造范围,使岩体破碎形成人工裂缝网络,优化油气流动通道,连通页岩中原本孤立的大、中、小孔隙系统,以实现高效开采的目的^[7-8]。层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。同时由于页岩各个类型层理面的存在,导致其力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显的各向异性特征,并且层理面的存在也是引起水平井井壁失稳的重要原因之一^[9]。因此,研究各向异性页岩层理特征对水力裂缝扩展规律的影响具有重要意义。

研究发现页岩材料具有高度各向异性,同时岩压裂裂缝与层理面交互扩展时裂缝扩展形态和延伸规律变得尤为复杂。大量研究人员通常利用物理实验和数值模拟方法去研究层理页岩裂缝扩展规律。其中贾长贵等^[10]利用MTS815型岩石力学试验机对不同层理取芯角度的岩石试样进行单轴、三轴压缩测试,针对试样与层理面处于不同夹角时的力学特征,研究了层理面不同夹角的破坏模式及其强度变形特征。Serajian^[11]构建了各向异性岩石的水力裂缝起裂压力计算模型,考虑横观各向异性对岩石力学本构的影响,分析不同层理角度下弹性模量差异对裂缝起裂压力的影响规律。邹雨时等^[12]开展小尺度真三轴携砂压裂实验,结合高精度CT扫描数字岩心模型重构技术,研究了薄互层型页岩油储集层水力裂缝形态与支撑剂分布特征。种照辉^[13]利用改造的水力压裂系统研究各向异性页岩中天然裂隙与水力裂缝的相互作用机制,分析各向异性角、围压差和泵速对裂缝扩展的影响规律。衡帅等^[14]基于各向异性裂纹尖端应力场,研究了页岩层理面对Ⅰ型断裂韧性的影响,揭示了断裂韧性各向异性机制,并探讨了层理面对水力裂缝扩展的作用。谭鹏^[15]基于ABAQUS数值软件,建立了三维水力裂缝与天然界面相交扩展的有限元模型,表明天然界面强度越低、垂向应力差异系数越小,越易形成T形缝;反之则水力裂缝易穿透界面。吕茂淋等^[16]建立了相场法应力-渗流耦合模型。研究了地应力差、裂隙间距和注入流量等因素对垂直于最大主应力方向的双裂隙水力压裂裂隙扩展的影响规律。苏杰等^[17]基于ABAQUS有限元软件,结合经典滤失模型和水力压裂二维模型对裸眼压裂过程中的压裂液滤失问题进行了模拟研究。表明裸眼压裂过程中压裂液滤失量随裂缝扩展阶段变化:初期剧增,中期缓增,后期略降。朱颖^[18]通过水力压裂试验和岩石破裂全过程分析系统(rock failure process analysis,RFPA)模拟,建立了考虑层理和非均质的油页岩模型,结果表明弱层理强度易使裂缝转向;高密度和厚度会削弱穿透能力;30°~60°倾角层理更易被裂缝穿透。李建民等^[19]采用块体离散元方法,探究了层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,分别计算了层理面的抗剪强度和抗拉强度对水力裂缝在层状地层内扩展行为的影响。Seyed等^[20]采用(finite discrete element method,FDEM)方法模拟页岩无侧限压缩试验,基于横观各向同性本构分析层理厚度和摩擦角对泥质岩力学行为及起裂模式的影响。朱海燕等^[21]建立了渗流-应力-损伤耦合的裂缝扩展有限元-离散裂缝网络模型,研究不同天然裂缝逼近角、簇间距、水平应力差和压裂泵注排量下的多簇裂缝扩展数值模拟,探讨天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机制。

调研后发现,以往的研究主要针对页岩水力压裂裂隙扩展规律进行研究分析,较少涉及天然层理面引起的各向异性对水力裂缝延伸行为及其对压裂效果的作用机制的研究。为此,现利用有限元软件ABAQUS中全局嵌入零厚度黏聚力单元的方法,系统模拟分析不同层理倾角条件下裂缝的扩展形态演变规律。并通过分析不同层理倾角下压裂液排量和压裂液黏度对裂缝网络形态、缝宽和缝长的影响,总结出最优的压裂施工参数。研究最后通过对四川威远区块X井进行优化验证,以期为增强页岩渗透性及构建复杂裂缝网络提供有力的理论依据。

1 数学模型与方程

1.1 各向异性控制方程

页岩因层理发育而具有各向异性特征,垂直层理方向力学参数呈各向异性,平行层理方向则表现为各向同性,可采用横观各向同性弹性本构模型进行描述^[22]。因此,在评估页岩压裂缝网形态特征及扩展机制时,需考察储层弱胶结层理对人工缝网扩展路径的控制效应。

本构方程也称广义胡克定律,它描述了应力、应变之间的关系,反映了介质的固有物性^[23],其方程表现形式为

(1) σ_ij=C_ijkle_kl, i,j,k,l=1,2,3

式(1)中:σ_ij和e_kl分别为应力和应变张量的分量,Pa;C_ijkl为刚度张量,Pa;1,2,3分别对应X,Y,Z 3个坐标轴的方向。

由于本文研究的是平面应力问题,则平面应力状态下应力与应变的关系^[24]为

(2)$\left(\begin{array}{l}{\mathit{\epsilon }}_{1}\\ {\mathit{\epsilon }}_{2}\\ {\mathit{\gamma }}_{12}\end{array}\right)$=$\left[\begin{array}{lll}1/{\mathit{E}}_{1}& -{\mathit{\upsilon }}_{12}/{\mathit{E}}_{2}& 0\\ -{\mathit{\upsilon }}_{12}/{\mathit{E}}_{1}& 1/{\mathit{E}}_{2}& 0\\ 0& 0& 1/{\mathit{G}}_{12}\end{array}\right]\left(\begin{array}{l}{\mathit{\sigma }}_{1}\\ {\mathit{\sigma }}_{2}\\ {\mathit{\tau }}_{\mathit{x}\mathit{y}}\end{array}\right)$

式(2)中:E₁和E₂分别为X、Y方向的弹性模量,Pa;G₁₂为该平面的剪切模量,Pa;υ_ij为泊松比(i=1,2;j=1,2),定义为j方向作用正应力j而无其他应力分量时,i方向应变与j方向应变之比的负值。

各向异性材料的特征方程^[25]为

(3)

$\frac{1}{{\mathit{E}}_{1}}$

μ⁴+$\left(\frac{1}{{\mathit{G}}_{12}}-2\frac{{\mathit{\nu }}_{12}}{{\mathit{E}}_{1}}\right)$μ²+$\frac{1}{{\mathit{E}}^{2}}$=0

已证实式(3)不含实根,仅包含两对不相等的共轭复数根μ₁、

${\overline{\mathit{\mu }}}_{1}$

及μ₂、

${\overline{\mathit{\mu }}}_{2}$

。其值作为各向异性问题中的复参数,取决于材料自身的弹性常数。如图1所示为各向异性材料裂纹尖端示意图。

1.2 流固耦合理论

页岩中存在密集成群的微孔隙、微裂纹,而孔隙和裂隙之间在各个方向上大多互相连通,不同的孔、缝、洞大小形状及发育程度均不相同,储存油气的能力也大有不同。页岩作为一种裂缝型多孔介质岩石,压裂施工过程中,储层流体的渗流场与岩石基质的应力场互相作用,互相影响。因此,储层流体满足连续性方程^[26]为

(4)$\frac{1}{\mathit{J}}\frac{\partial }{\partial \mathit{t}}$(Jρ_wn_w)+$\frac{\partial }{\partial \mathit{x}}$(ν_wρ_wn_w)=0

式(4)中:J为多孔介质体积变化率;ρ_w为流体密度,kg/m³;n_w为孔隙率;v_w为流体渗流速度,m/s;x为空间矢量,m/s。

流体在多孔介质中流动服从Darcy定律^[27],表达式为

(5)ν_w=-$\frac{1}{{\mathrm{\rho }}_{\mathit{w}}{\mathrm{n}}_{\mathit{w}}\mathit{g}}$k

$\left(\frac{\partial {\mathrm{p}}_{\mathit{w}}}{\partial \mathit{x}}-{\mathrm{\rho }}_{\mathit{w}}\mathit{g}\right)$

式(5)中:k为渗透率矩阵,m/s;g为重力加速度,m/s²。

分析流体饱和多孔材料在水力压裂裂隙附近的固体结构形变的动量平衡方程^[28]为

(6)$\left\{\begin{array}{l} \nabla \boldsymbol{\sigma}+\boldsymbol{b}=0 \\ \boldsymbol{\varepsilon}=\left[\nabla \boldsymbol{u}+(\nabla \boldsymbol{u})^{\mathrm{T}} / 2\right] \\ \boldsymbol{\sigma}=D \boldsymbol{\varepsilon} \end{array}\right.$

式(6)中:b为应力向量,Pa;σ为应力张量,Pa;ε为应变张量,Pa;u为多孔介质变形位移,m;D为本构方程中的刚度矩阵。

1.3 Cohesive单元流动准则

设定裂隙中的流体为不可压缩的牛顿型流体,并将其流动过程简化为平行平板间的流动模式。裂隙介质中的流体在顶底部区域呈现法线方向的渗透运动,同时在尖端部位表现出切线方向的迁移特征。如图2所示为Cohesive单元流体流动示意图。

其切向流动计算式^[29]为

(7)$q_{\mathrm{f}}=-\frac{D^{3}}{12 \mu} \nabla p_{\mathrm{f}}$

式(7)中:q_f为切向体积通量,m³/s;$\text { ∇ }$p_f为cohesive单元长度方向的压力梯度,Pa/m;D为裂缝扩展开度,m;μ为压裂液黏度,Pa·s。

其法向流计算可定义为

(8)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{q}}_{\mathrm{t}}={\mathit{c}}_{\mathrm{t}}({\mathit{p}}_{\mathrm{f}}-{\mathit{p}}_{\mathrm{t}})\\ {\mathit{q}}_{\mathrm{b}}={\mathit{c}}_{\mathrm{b}}({\mathit{p}}_{\mathrm{f}}-{\mathit{p}}_{\mathrm{b}})\end{array}\right.$

式(8)中:q_t、q_b分别为上、下界面的法向渗流通量,m³/s;c_t、c_b分别为上、下界面表面滤失系数,m³/(Pa·s);p_t、p_b、p_f分别为裂缝上、下界面孔隙压力和cohesive单元内部流体压强,Pa。

1.4 裂缝扩展控制方程

采用双线性T-S本构关系的内聚力模型单元描述裂缝的起裂和扩展,如图3所示,既避免了传统断裂力学中裂缝尖端应力奇异性问题,又能融入有限元计算框架,保证精度并降低计算成本。

Cohesive单元初始损伤(起裂)采用二次名义应力准则,当应力/或应变满足一定的损伤起裂准则时,断裂发生^[30]。即

(9)${\left(\frac{<{\mathit{t}}_{\mathrm{n}}>}{{\mathit{t}}_{\mathrm{n}}^{0}}\right)}^{2}$+${\left(\frac{{\mathit{t}}_{\mathrm{s}}}{{\mathit{t}}_{\mathrm{s}}^{0}}\right)}^{2}$+${\left(\frac{{\mathit{t}}_{\mathrm{t}}}{{\mathit{t}}_{\mathrm{t}}^{0}}\right)}^{2}$=1

式(9)中:t_n、t_s、t_t分别为cohesive单元法向、第一切向和第二切向当前应力,Pa;

${\mathit{t}}_{\mathrm{n}}^{0}$

、

${\mathit{t}}_{\mathrm{s}}^{0}$

、

${\mathit{t}}_{\mathrm{t}}^{0}$

分别为cohesive单元法向、第一切向和第二切向临界应力,即岩石的抗拉与抗剪强度,Pa;符号<>表示cohesive单元只抗拉不抗压。

cohesive单元刚度损伤演化模型^[31]为

(10)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{t}}_{\mathrm{n}}=(1-\mathit{D}){\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{n}}\\ {\mathit{t}}_{\mathrm{s}}=(1-\mathit{D}){\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{s}}\\ {\mathit{t}}_{\mathrm{t}}=(1-\mathit{D}){\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{t}}\end{array}\right.$

式(10)中:

${\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{n}}$

、

${\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{s}}$

和

${\overline{\mathit{t}}}_{\mathrm{t}}$

分别为cohesive单元3个方向按照未损伤阶段线弹性变形时计算得到的应力,Pa。

裂缝满足损伤条件开始扩展时,采用BK能量准则,即

(11)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{G}}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{C}}+({\mathit{G}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{C}}-{\mathit{G}}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{C}})\frac{{\mathit{G}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{C}}}{{\mathit{G}}_{\mathrm{T}}}={\mathit{G}}^{\mathrm{C}}\\ {\mathit{G}}_{\mathrm{T}}={\mathit{G}}_{\mathrm{n}}+{\mathit{G}}_{\mathrm{s}}\end{array}\right.$

式(11)中:

${\mathit{G}}_{\mathrm{n}}^{\mathrm{C}}$

、

${\mathit{G}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{C}}$

分别为裂缝单元破坏所需的临界断裂能量释放率,N/m;G_n、G_s分别为法向、剪切断裂能量释放率,N/m。

2 数值模拟

2.1 模型建立

利用ABAQUS有限元分析软件,建立模型长宽均为60 m,层理间距为5 m,模型中间为井筒,沿井筒垂向分别在顶部和底部位置设计射孔点,采用内聚力模型时,水力压裂裂缝扩展轨迹受限于预设网格拓扑结构,因此在射孔点分别布设1 m长度的预制裂缝单元。并将预制裂缝单元设为单一连续单元,沿预设路径进行网格拓扑约束,以抑制初始裂缝的多向随机扩展。设定了5种层理倾角(0°、30°、45°、60°、90°)与3种施工排量(9、11、13 m³/min)、3种压裂液黏度(20、30、40 mPa·s)共30组工况进行数值模拟。图4所示为0°层理面倾角条件下的全尺寸物理模型。

模型网格设置为CEP4P类型,Cohesive单位网格类型为COH2D4P,管流单元和射孔链接单元为FP2D2。通过Python二次开发,在有限元模型中全局嵌入零厚度内聚单元并增设渗流自由度节点,建立含层理弱面的离散体有限元计算模型。预设流量斜坡函数以实现压裂液流量从初始零值线性增长至设定值,以防止瞬态水力冲击对管壁结构的破坏效应,最后修改inp文件定义预置裂缝为初始损伤以及增加场输出PFOPEN。页岩裂缝扩展数值模拟的模型参数如表1所示。

2.2 模型验证

为验证数值模型的可靠性,通过引入KGD裂缝扩展理论建立验证框架,将有限元数值解与理论解析解进行多参数比对。其中KGD模型控制方程包含裂缝半长几何参数和注液点开度解析表达式^[32]为

(12)L=0.48${\left[\frac{8\mathit{G}{\mathit{q}}^{3}}{(1-\mathit{\nu })\mathit{\mu }}\right]}^{\frac{1}{6}}{\mathit{t}}^{\frac{2}{3}}$

(13)w₀=1.32${\left[\frac{8(1-\mathit{\nu }){\mathit{q}}^{3}\mathit{\mu }}{\mathit{G}}\right]}^{\frac{1}{6}}{\mathit{t}}^{\frac{1}{3}}$

式中:L为裂缝扩展半缝长,m;G为岩体剪切刚度,Pa;ν为岩石泊松比;q为压裂液注入流量,Pa·s;μ为流体黏度系数,Pa·s ;w₀为注入点裂缝宽度,m;t为压裂液注入时间,s。

通过式(12)和式(13)计算出KGD模型的裂缝的半缝长和注入点缝宽随时间的变化情况,模拟结果与计算结果对比如图5所示。裂缝起裂早期KGD模型解析值与模拟数值存在一些偏差,但中后期拟合度较高,参数相对误差稳定在4.8%左右,满足工程验证误差限值要求,证实数值模型的裂缝扩展机制的准确性。

为验证该数值方法的可行性,将有限元的Cohesive单元法与PFC软件应用的离散元进行对比^[33],采用文献[33]中相同的模型参数,选取层理倾角为0°和90°进行对比,水力裂缝扩展情况如图6所示,裂缝先平行于层理面方向起裂,随后朝向层理面进行延伸,最后沿着层理方向进行延伸,可见两种方法模拟结果基本一致。得以验证基于有限元的Cohesive法建立的模型具有足够的精度来模拟水力裂缝扩展。

3 模拟结果分析

3.1 不同层理倾角对裂缝形态的影响

研究中发现页岩储层层理面作为页岩的显著特征,对水力压裂裂缝扩展的影响至关重要。基于此本研究对页岩不同层理倾角下的裂缝扩展形态进行研究,结果如图7所示,为不同层理倾角的页岩水力裂缝扩展路径。当层理倾角为0°,由于最大地应力为竖直方向,裂缝沿着最大地应力方向穿透多层层理,其破裂数量为66;当层理倾角为30°,上端裂缝先穿透层理,并在第二层层理发生转向,进而继续向上层穿透层理,下端裂缝在遇到第一层层理时发生分支,分支沿着层理扩展,并发生转向往上层扩展,主缝穿透层理向下扩展,并发生滑移现象,破裂数量增加至89;当层理倾角为45°,上下端裂缝都被层理捕获,并未穿透层理,其产生的破裂数量达到了122;当层理倾角为60°和90°,上下端裂缝都沿着最大地应力方向扩展,并未延伸到层理面,破裂数量分别为61和84。

综上所述,层理面对压裂裂缝的扩展具有较大的影响。当层理倾角为0°时,地层最大主应力与层理面垂直,当压裂液至层理面,法向应力最大导致渗滤受阻,导致流体侵入受限。裂缝呈现单缝主导扩展形态,分支缝数量较小。当层理倾角为30°时,层理法向应力减小,切向应力增大,诱导压裂液优先渗流路径向层理弱面偏移。同时,较大的剪切力能够造成层理面微观裂缝的产生。当层理倾角继续增加至45°时,层理面剪切应力比达到临界值,压裂液入侵层理能力进一步增强,此时裂缝扩展模式由穿层扩展转变为完全沿面扩展。当层理倾角继续增加时,层理面受到的切向应力逐渐增大,导致裂缝无法扩展至层理面,分支缝数量也随着角度的增大进而减小。

在ABAQUS中的MMIXDME与MMIXDMI场变量是拉伸/剪切失效的判据,这两个场变量在Cohesive单元中的协同应用可通过损伤变量D的连续演化过程,在可视化后处理模块中可呈现出完整损伤路径,其彩色云图梯度可量化显示不同区域的主导失效机制。不同层理倾角的裂缝损伤形态如图8所示。

随着层理倾角的递增,裂缝扩展路径呈现显著各向异性特征。当层理倾角为0°时,水力裂缝完全穿过层理面向岩石基质发育;当层理倾角增大至30°时,页岩层理面封存压裂液效应显著增强,驱动裂缝扩展路径优先沿层理优势方位延伸,剪切滑移主导型水力裂缝明显增多,裂缝扩展模式呈现多级Y形分叉主导特征;当层理倾角增大至45°时,此时已经完全形成剪切滑移主导型水力裂缝,无法穿透层理,裂缝在起裂之后完全沿着层理面发育;当层理倾角增大至60°,切向应力显著增加而法向应力相应减小,导致水力裂缝难以延伸至层理面扩展并遵循最大水平主应力方向延伸。当层理倾角达到90°时,切向应力达到峰值,裂缝扩展模式呈现明显的拉伸主导特征,同时剪切主导型扩展受到显著抑制,此时水力裂缝的扩展能力达到最优状态。

在ABAQUS后处理模块,将单元节点内的PFOPEN设为定位点,使用视口拾取方式对注液点进行调整与高亮展示,提取出不同层理倾角下的裂缝宽度数据,同时利用Python编制的插件,将不同层理倾角下的裂缝长度数据进行提取,最后通过Origin进行绘制。通过Cohesive单元模型提取不同层理倾角工况下的裂缝开度扩展规律,得到的不同层理倾角下裂缝缝宽随时间的曲线如图9所示,不同层理倾角下裂缝长度随时间的曲线如图10所示。

在层理倾角为0°、30°、45°、60°、90°条件下,水力裂缝的最终宽度分别为5.07、5.24、5.73、5.09、5.23 mm,水力裂缝的总长度分别为39.1、58.3、78.6、50.3、53.2 m。其中,层理倾角为45°时最终的水力裂缝宽度最大,达到5.73 mm,并且裂缝的长度也最长,达到78.6 m,表明该角度下裂缝具备最优渗流通道维持能力。

3.2 排量对缝长与缝宽的影响

为探究排量对裂缝扩展规律的影响作用,分别设定9、11、13 m³/min 3种排量参数进行数值模拟,重点对比不同层理倾角条件下裂缝宽度和裂缝延伸长度的变化特征,结果如图11与图12所示。

模拟结果表明,随着排量的持续增加,水力裂缝的宽度和扩展长度均呈现显著增长趋势。在层理倾角45°条件下,裂缝发育参数达到峰值:当排量由9 m³/min提升至13 m³/min时,裂缝开度从5.34 mm增大至6.14 mm,增幅达15%;同时裂缝延伸长度由69.0 m扩展至80.4 m,增长幅度达16%。试验数据证实,排量增大时,压裂液注入速度加快,高排量下压裂液对裂缝壁的冲刷作用更强,同时裂缝内流体压力更高,促使裂缝张开更宽,对裂缝几何形态具有明显优化作用。

3.3 压裂液黏度对缝长与缝宽的影响

为探究压裂液黏度对裂缝扩展规律的影响作用,分别选取20、30、40 mPa·s 3种压裂液黏度进行对比分析。图13和图14展示了在不同黏度条件下,层理倾角变化对裂缝宽度及裂缝延伸长度的具体影响规律。

由图14可知,压裂液黏度增大时,诱导形成的水力裂缝缝宽和缝长同样呈现逐步上升的趋势,且在层理倾角45°条件下,当压裂液黏度升至40 mPa·s时,二者均达到最大值。具体而言,裂缝缝宽随黏度从20 mPa·s提升至40 mPa·s,由4.96 mm增至6.35 mm,增幅达28%;裂缝缝长则从64.5 m扩展至84.3 m,实现30%的显著增长。高黏度压裂液因其较低的滤失特性,能够有效抑制流体向地层基质的渗滤,从而减缓孔隙压力的上升速率,同时促进裂缝的远场延伸。

4 现场验证

依据研究结果,对四川威远区块某X水平井射孔方案进行优化设计。该井位于威远构造中奥顶构造南翼,龙马溪组页岩结构较为致密,矿物颗粒间随机排列,没有明显的分布规律,页岩试样表现出低渗、各向异性等特点。该井水平段长1 750 m,龙一

${\mathrm{ }}_{1}^{1}$

段长1 750 m,龙一

${\mathrm{ }}_{1}^{1}$

钻遇率100%。其中,特色录井解释Ⅰ类储层段长1 750.00 m,占水平段长100%;特色录井解释Ⅰ类储层有机碳4.87%,脆性矿物含量85.7%;结合蚂蚁体、极大似然、钻录井解释等手段预测可能发育裂缝段为第6、8、10、17~19段。该测井解释成果如表2所示。

试气井段位于龙马溪组优质页岩段底部,有机碳含量较高,脆性矿物含量高,利于水力压裂。综合考虑X井射孔参数如下:簇间距在7.55~11.55 m。第1~19段采用单段9簇射孔,单簇长度0.45 m,每簇7孔。采用“长段多簇+暂堵匀扩+控液增砂”压裂模式,以防压窜、防套变,最终实现较好的压裂效果。依据模拟结果,对X井进行压裂施工方案的优化验证。取其中某一段为45°的射孔相位角,设计压裂液排量为13 m³/min,压裂液黏度为40 mPa·s,优化前后质量流量结果如图15所示,X井与邻近井日产气量对比如图16所示。

由图15可知,优化后的质量流量显著提高,在后期相对于原始压裂参数设计可稳定提高34%,充分证明该优化措施对增强压裂液渗流效果具有积极作用。

由图16可知,对比威远地区X井与邻近的Y₁~Y₄井的页岩气日产量数据,可以发现X井的产能明显优于周边井组,达到了21.64×10⁴ m³。现场试验结果表明,通过优化工艺参数可有效改善储层导流能力,为非常规页岩油气藏压裂改造方案的优化决策提供理论支持与技术指导。

5 结论

(1)随着页岩层理面倾角的增大,水力裂缝扩展的缝长和缝宽均呈现先增强后减弱的非线性变化特征。同步观测结果表明:以张拉破裂为主导的裂缝比例随层理面倾角增加呈先降低后升高的变化规律,而剪性破裂主导的裂缝分布则表现为先增加后减少的逆向响应特征。

(2)研究表明,当层理倾角为45°时,水力裂缝的扩展效果最为显著。相较于缝宽等关键参数上均表现出显著优势。此外,这一特定倾角更有利于诱导多向裂缝网络的形成,从而显著提升页岩储层的渗透率及流体运移效率。

(3)随着注入排量的增加,水力裂缝的缝宽和缝长呈现显著增大的趋势。当排量达到13 m³/min且层理面倾角为45°时,裂缝网络表现出最佳的连通性特征。实验结果表明,在此优化参数组合下,裂缝系统最终获得6.14 mm的最大开口宽度和80.4 m的延伸距离,其导流能力达到最优水平。

(4)提高压裂液黏度可显著增大水力裂缝的缝宽和缝长,这表明高黏度压裂液具有更优的渗流特性,能够有效促进裂缝扩展。结果表明,当压裂液黏度为40 mPa·s,且层理倾角为45°时,裂缝网络连通性达到最优状态,此时裂缝几何参数分别为:缝宽6.35 mm,缝长84.3 m。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	温志超. 页岩气开发对我国经济社会环境影响研究及政策建议[J]. 发展研究, 2018(12): 13-18.

[2]	Wen Zhichao. Research on the impact of shale gas development on China’s economic and social environment and policy recommendations[J]. Development Research, 2018(12): 13-18.

[3]	张浩, 易良平, 刘军严, 等. 压裂可溶桥塞现状与发展趋势[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(26): 10983-10995.

[4]	Zhang Hao, Yi Liangping, Liu Junyan, et al. Current situation and development trend of fracturing soluble bridge plugs[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(26): 10983-10995.

[5]	张皓虔, 覃扬, 欧志鹏, 等. 平台井压裂裂缝窜扰特征及防窜对策: 以川南自贡区块深层页岩气为例[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(30): 12882-12893.

[6]	Zhang Haoqian, Qin Yang, Ou Zhipeng, et al. Characteristics of fracture disturbance in platform well fracturing and anti-diversion countermeasures: a case study of deep shale gas in Zigong Block, southern Sichuan[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(30): 12882-12893.

[7]	琚宜文, 卜红玲, 王国昌. 页岩气储层主要特征及其对储层改造的影响[J]. 地球科学进展, 2014, 29(4): 492-506.

[8]	Ju Yiwen, Bu Hongling, Wang Guochang. Main characteristics of shale gas reservoirs and their influence on reservoir modification[J]. Advances in Earth Sciences, 2014, 29(4): 492-506.

[9]	贾长贵, 李双明, 王海涛, 等. 页岩储层网络压裂技术研究与试验[J]. 中国工程科学, 2012, 14(6): 106-112.

[10]	Jia Changgui, Li Shuangming, Wang Haitao, et al. Research and test on network fracturing technology in shale reservoir[J]. China Engineering Science, 2012, 14(6): 106-112.

[11]	张林晔, 李政, 朱日房. 页岩气的形成与开发[J]. 天然气工业, 2009, 29(1): 124-128, 148.

[12]	Zhang Linye, Li Zheng, Zhu Rifang. Formation and development of shale gas[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29(1): 124-128, 148.

[13]	王永辉, 卢拥军, 李永平, 等. 非常规储层压裂改造技术进展及应用[J]. 石油学报, 2012, 33(S1): 149-158.

[14]	Wang Yonghui, Lu Yongjun, Li Yongping, et al. Progress and application of fracture modification technology in unconventional reservoirs[J]. Journal of Petroleum, 2012, 33(S1): 149-158.

[15]	白文胜, 覃超, 杨泉, 等. 页岩储层压裂液自发渗吸作用机理: 以四川盆地和鄂尔多斯盆地页岩为例[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(22): 9349-9355.

[16]	Bai Wensheng, Qin Chao, Yang Quan, et al. The mechanism of spontaneous osmotic absorption of fracturing fluid in shale reservoirs: a case study of shale in the Sichuan Basin and the Ordos Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(22): 9349-9355.

[17]	刘强. 各向异性页岩水力压裂缝网形态特征及渗透效果评价研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2020.

[18]	Liu Qiang. Research on morphological characteristics of hydraulic fracture network and evaluation of penetration effect in anisotropic shale[D]. Chongqing: Chongqing University, 2020.

[19]	贾长贵, 陈军海, 郭印同, 等. 层状页岩力学特性及其破坏模式研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(S2): 57-61.

[20]	Jia Changgui, Chen Junhai, Guo Yintong, et al. Study on the mechanical properties and failure modes of layered shale[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(S2): 57-61.

[21]	Serajian V. A study of hydraulic fracturing initiation in transversely isotropic rocks[D]. College Station: Texas A & M University, 2011.

[22]	邹雨时, 石善志, 张士诚, 等. 薄互层型页岩油储集层水力裂缝形态与支撑剂分布特征[J]. 石油勘探与开发, 2022, 49(5): 1025-1032.

[23]	Zou Yushi, Shi Shanzhi, Zhang Shicheng, et al. Hydraulic fracture morphology and proppant distribution characteristics of thin interbedated shale oil reservoirs[J]. Petroleum Exploration and Development, 2022, 49(5): 1025-1032.

[24]	种照辉. 水力压裂诱导含天然缺陷页岩裂隙扩展机制及应用研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2018.

[25]	Chong Zhaohui. Research on the mechanism and application of hydraulic fracturing-induced fracture expansion in shale containing natural defects[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2018.

[26]	衡帅, 杨春和, 郭印同, 等. 层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(2): 228-237.

[27]	Heng Shuai, Yang Chunhe, Guo Yintong, et al. Study on the effect of stratification on hydraulic fracture extension in shale[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(2): 228-237.

[28]	谭鹏. 多岩性组合层状储层水力裂缝垂向扩展的力学行为研究[D]. 北京: 中国石油大学(北京), 2019.

[29]	Tan Peng. Study on the mechanical behavior of vertical extension of hydraulic fractures in multi-rock combination layered reservoirs[D]. Beijing: China University of Petroleum (Beijing), 2019.

[30]	吕茂淋, 朱珍德, 周露明, 等. 基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1850-1862.

[31]	Lü Maolin, Zhu Zhende, Zhou Luming, et al. Extended numerical simulation study on hydraulic fracturing of prefabricated double-fractured rock mass based on phase field method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2024, 45(6): 1850-1862.

[32]	苏杰, 邵兵, 张永亮, 等. 基于ABAQUS的低渗透储层压裂液滤失计算[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(19): 8034-8040.

[33]	Su Jie, Shao Bing, Zhang Yongliang, et al. Calculation of fluid loss in low-permeability reservoir fracturing fluid based on ABAQUS[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 25(19): 8034-8040.

[34]	朱颖. 油页岩层理对其力学特性及裂缝起裂与扩展的影响研究[D]. 长春: 吉林大学, 2022.

[35]	Zhu Ying. Research on the influence of oil shale stratification on its mechanical properties and fracture initiation and extension[D]. Changchun: Jilin University, 2022.

[36]	李建民, 佟亮, 贾海正, 等. 基于离散元方法的层理发育地层水力裂缝扩展规律[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(13): 5515-5521.

[37]	Li Jianmin, Tong Liang, Jia Haizheng, et al. Hydraulic fracture propagation law of stratified developed strata based on discrete element method[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(13): 5515-5521.

[38]

Seyed G S M H, Aboayanah K R, Abdelaziz A, et al. Numerical investigation of the influence of bedding plane thickness and friction on cracking pattern and mechanical behavior of shale under unconfined loading condition using the finite-discrete element method (fdem)[C]// ARMA US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. Santa Fe: ARMA, 2022: ARMA- 2022-0310.

[39]	朱海燕, 黄楚淏, 唐煊赫. 裂缝性页岩储层水力压裂多簇裂缝扩展的FEM-DFN数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(S1): 3496-3507.

[40]	Zhu Haiyan, Huang Chuhao, Tang Xuanhe. FEM-DFN numerical simulation of multi-cluster fracture propagation in fractured shale reservoir hydraulic fracturing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2023, 42(S1): 3496-3507.

[41]	Lee Y K, Pietruszczak S. Application of critical plane approach to the prediction of strength anisotropy in transversely isotropic rock masses[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(4): 513-523.

[42]	Rajabi K, Hosseini-Hashemi S. Application of the generalized Hooke’s law for viscoelastic materials (GHVMs) in nanoscale mass sensing applications of viscoelastic nanoplates: a theoretical study[J]. European Journal of Mechanics-A/Solids, 2018, 67: 71-83.

[43]	刘红磊, 仲冠宇. 各向异性地层定向射孔压裂裂缝发展形态研究[J]. 石油地质与工程, 2022, 36(3): 93-98.

[44]	Liu Honglei, Zhong Guanyu. Study on fracture development pattern of directional injection fracturing in anisotropic formations[J]. Petroleum Geology and Engineering, 2022, 36(3): 93-98.

[45]	张亚君, 董彤, 董宏晓, 等. 一种适用于层状岩体的各向异性强度准则[J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(10): 2511-2519.

[46]	Zhang Yajun, Dong Tong, Dong Hongxiao, et al. An anisotropic strength criterion for layered rock bodies[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2024, 43(10): 2511-2519.

[47]	Zhang G, Liu H, Zhang J, et al. Simulation of hydraulic fracturing of oil well based on fluid-solid coupling equation and non-linear finite element[J]. Acta Petrolei Sinica, 2008, 30(1): 113.

[48]	Chen Q, Huang H, Kong X, et al. Study on the impact of flow dynamic allocation mechanism on the balanced propagation of multicluster fractures in horizontal wells[J]. Lithosphere, 2023, 2023(1): 11.

[49]	张广明, 刘合, 张劲, 等. 油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟[J]. 石油学报, 2009, 30(1): 113-116.

[50]	Zhang Guangming, Liu He, Zhang Jin, et al. Nonlinear finite element numerical simulation of hydraulic fracturing flow-solid coupling in oil wells[J]. Journal of Petroleum, 2009, 30(1): 113-116.

[51]	彪仿俊, 刘合, 张士诚, 等. 水力压裂水平裂缝影响参数的数值模拟研究[J]. 工程力学, 2011, 28(10): 228-235.

[52]	Biao Fangjun, Liu He, Zhang Shicheng, et al. Numerical simulation study on the influence parameters of horizontal fracture in hydraulic fracturing[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(10): 228-235.

[53]	Cho J W, Kim H, Jeon S, et al. An experimental study on deformation and strength anisotropy of transversely isotropic rocks in Korea[C]// ISRM Congress. Beijing: ISRM, 2011: 585-590.

[54]	李军, 翟文宝, 陈朝伟, 等. 基于零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展方法研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 265-279.

[55]	Li Jun, Zhai Wenbao, Chen Zhaowei, et al. Study on random extension method of hydraulic cracks based on zero-thickness cohesive unit[J]. Geotechnics, 2021, 42(1): 265-279.

[56]	王永亮, 张辛, 朱天赐, 等. 水力压裂解析模型裂缝扩展参数敏感性分析[J]. 力学季刊, 2021, 42(2): 263-271.

[57]	Wang Yongliang, Zhang Xin, Zhu Tianci, et al. Sensitivity analysis of fracture extension parameters in analytical modeling of hydraulic fracturing[J]. Mechanics Quarterly, 2021, 42(2): 263-271.

[58]	梅诗笛. 基于离散元的油页岩水力压裂及高温热解变形机理研究[D]. 长春: 吉林大学, 2025.

[59]	Mei Shidi. Research on hydraulic fracturing and high-temperature pyrolysis deformation mechanism of oil shale based on discrete elements[D]. Changchun: Jilin University, 2025.