玛北页岩储层天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机制研究

本综述系统分析了玛北地区风城组页岩储层中天然裂缝(NF)与水力裂缝(HF)的相互作用机制。研究采用内聚力单元有限元法，揭示了逼近角、层间应力/强度屏蔽、天然裂缝发育程度及地层倾角对HF扩展路径的调控规律。结果表明：大逼近角(90°)、高应力差(σH-σh)和强层间屏蔽有利于HF穿透NF；而高NF密度会弱化地层整体强度，促进HF网络复杂化。该研究为页岩油高效压裂设计提供了理论支撑。

　　

1 引言

玛北地区风城组页岩油资源潜力巨大，但必须依靠高效水力压裂技术实现经济开发。页岩储层中水力裂缝的扩展显著受天然裂缝影响，二者相互作用机制是优化压裂设计的关键。尤其该储层存在层间屏蔽效应、天然裂缝发育差异及地层倾角变化等复杂条件，导致天然裂缝对水力裂缝扩展的影响规律尚不明确。基于风城组页岩力学特性，本研究建立了天然裂缝与水力裂缝交汇的数值模型，系统分析了不同逼近角、层间应力/强度、天然裂缝发育程度及地层倾角下的交汇行为。

2 水力-天然裂缝交汇模型开发

2.1 数值模拟方法

采用基于内聚力单元理论和牵引-分离定律的有限元法模拟水力裂缝扩展。损伤前应力-应变关系满足σ=Kε，其中σ为应力向量(MPa)，包含法向应力σ_n和两个切向应力σ_s、σ_t；ε为应变矩阵(%)；K为刚度矩阵。损伤起始采用最大名义应力准则：当f=max(?σ_n?/σ_no, σ_s/σ_so, σ_t/σ_to)=1时触发损伤。

2.2 数值模型

根据玛北地区岩石力学测试数据建立40 m×100 m的数值模型。针对均质地层、层间应力/强度屏蔽、多裂缝发育及倾斜地层四种地质条件分别构建模型，系统模拟不同地质场景下HF与NF的交汇行为。

3 模拟结果与分析

3.1 逼近角对裂缝交汇的影响

模拟显示：当逼近角为90°时，HF可直接穿透NF而无明显路径偏转；60°和30°时NF能够捕获HF使其转向；0°时NF对HF扩展影响可忽略。表明小逼近角会增强NF对HF扩展的控制作用。

3.2 层间作用对裂缝交汇的影响

层间屏蔽分为应力屏蔽、强度屏蔽及复合屏蔽三类。应力屏蔽能有效约束HF侧向偏离，维持其定向扩展；而纯强度屏蔽下HF仍易受NF扰动发生偏转。应力屏蔽的控制效应显著强于强度屏蔽，二者协同作用时可完全抑制NF的干扰。

3.3 天然裂缝发育程度的影响

随着NF发育程度增加，HF与NF相互作用机制发生根本转变：中等发育时NF仍可捕获HF；高度发育时地层整体强度弱化，反而促进HF直接穿透NF。需注意本模拟仅针对单条NF与HF的交汇，多裂缝网络中的复杂相互作用需进一步研究。

3.4 地层倾角的影响

模拟45°、60°、75°三种倾角下HF从高强地层向低强地层（案例1-3）及反向扩展（案例4-6）的场景。结果表明：从高强向低强扩展时，HF在低强地层中更易穿透NF，但随着倾角增大会逐渐沿NF面扩展；从低强向高强扩展时，目标层强度增加会阻碍HF穿透NF，导致其更易沿NF偏转。

4 工程验证

选取风城组四个压裂段进行工程验证，在相同施工参数下对比地质因素与裂缝长度的关联性。数据显示：大逼近角、小地层倾角配合高层间应力/强度对应较长裂缝长度（段1/2较段3/4单翼缝长显著增加），验证了数值模拟的可靠性，证实HF-NF相互作用机制对缝网形态具有重要调控作用。

5 结论

研究系统阐明了天然裂缝对水力裂缝扩展的调控机制：逼近角减小会增强NF对HF的捕获能力；层间应力屏蔽效应优于强度屏蔽；NF高度发育可通过弱化地层强度促进HF穿透；大地层倾角及从低强向高强扩展会增加HF沿NF扩展的倾向。该成果为风城组页岩油高效压裂设计提供了理论依据。