不同水平应力差下含方解石脉页岩中水力压裂裂缝演化特征的研究

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Study on the Evolution Characteristics of Hydraulic Fracturing Cracks in Shale with Calcite Veins Under Different Horizontal Stress Differences

方解石脉与水平应力差异共同影响页岩水力压裂，数值模拟和CT扫描显示，方解石脉弱面效应主导初期裂缝沿脉 strike延伸，应力差异系数K_h增大导致裂缝复杂度指数F_CI降低，裂缝形态更简化，且声发射b值动态演化与裂缝复杂性呈负相关。

　　

摘要

方解石脉作为页岩储层中的薄弱结构面，与贵州北部显著的现场应力差异共同影响着水力压裂行为。本研究基于CT扫描和数值模拟，构建了一个三维非均质模型，以阐明水平应力差分系数（\(K_{h}\)）与方解石脉倾角对方解石脉中流体裂缝扩展的耦合机制。结果表明，由于主应力和破坏轴的角度效应，页岩的破坏应力随着方解石脉倾角的增加而先增大后减小。同时，方解石脉的弱面效应决定了裂缝的初始扩展方向，使得水力裂缝优先沿着脉走向延伸，然后分支并扩散到页岩基质中。在水力压裂过程中，\(K_{h}\)与裂缝复杂度指数（\(F_{CI}\)之间存在显著的负相关关系：随着\(K_{h}\)的增加，\(F_{CI}\)减小，从而导致裂缝形态更加简化。此外，声发射b值的动态变化表明了幅度分布与水力裂缝复杂性之间的联系，较大的b值峰值对应较低的裂缝复杂性。本研究探讨了地质弱面与现场应力场对水力压裂的耦合效应，为贵州北部页岩储层的裂缝设计及复杂裂缝网络优化提供了理论支持。