天然裂缝属性及其对水力压裂裂缝扩展的影响：综述

《Earth-Science Reviews》：Natural fracture attributes and their influence on hydraulic fracture growth: a review

　　

摘要
天然张开型裂缝可能会影响工程水力裂缝的传播，应用场景包括烃类油藏增产和增强型地热项目等。在本文中，我们回顾了控制此类相互作用是否发生的相关天然裂缝属性，并挑战了关于天然裂缝的存在必然导致复杂水力裂缝网络的普遍假设。已发表的油藏中天然裂缝 - 水力裂缝相互作用案例研究通常援引微地震事件分布以及天然裂缝作为薄弱面出现的倾向等数据作为相互作用的证据。实验室研究和计算机模型已经完善了对相对于原地应力的特定天然裂缝属性和构型如何促进或阻碍相互作用的特定理解。然而，在这些已发表研究的随后，最近的论文倾向于假设相互作用存在，而没有充分考虑到天然裂缝属性，从而遗漏了分析中的一个关键步骤。此外，通过对增产后岩心中共存的天然裂缝和水力裂缝的直接观察，我们发现相互作用并不总是发生。在本文中，我们强调需要理解单条裂缝、单组裂缝和多组裂缝中天然裂缝属性的系统性变化，以及感兴趣岩体中的天然裂缝地层学。关键天然裂缝属性包括：裂缝尺寸（缝宽、长度、高度）；开度；封堵 - 水泥结构，以及相对于基岩的强度和刚度；胶结物 - 基岩界面性质（如结合和摩擦）的影响；相对于局部和远场应力的方位；空间组织（簇状或均匀分布）；以及天然裂缝与水力裂缝起始点的接近程度。我们讨论了这些属性及其他因素对相互作用的影响，并得出结论，并非所有天然裂缝都会影响水力裂缝的生长。

1. 引言
众所周知，天然张开型裂缝可能会影响工程水力裂缝的传播，应用场景包括烃类油藏增产和增强型地热项目等（例如 Aki et al., 1982; Warpinski et al., 1993; Fisher et al., 2005; Gale et al., 2007; Fu et al., 2021）。理解这种相互作用对于真实的建模和现场规模增产设计至关重要，且有许多关于此主题的已发表研究。例如，在油藏案例研究中已提出天然裂缝 - 水力裂缝相互作用的证据，援引了微地震事件分布以及天然裂缝作为薄弱面出现的倾向等数据（例如 Laubach, 1989; Fisher et al., 2004; Jeffrey et al., 2009; Sun et al., 2016; Wicker et al., 2018）。实验室研究完善了对于相对于当今原地应力的特定天然裂缝属性和构型如何促进或阻碍相互作用的理解（例如 Lee et al., 2015; Zhou et al., 2026）。水力裂缝生长在不同尺度上的计算机建模也已纳入了天然张开型裂缝的相互作用（例如 Dahi-Taleghani and Olson, 2011; Weng et al., 2011; Hyman et al., 2016; Wu and Olson, 2016）。然而，对几个水力裂缝测试场（HFTS）项目中增产后取得的岩心进行检查表明，相互作用并不总是发生（例如 Gale et al., 2019）。

这些理论、实验和观测工作已被用于解释天然裂缝对烃类油藏水力裂缝增产有效性的影响。尽管对水力 - 天然裂缝相互作用的解释可能已有详细记录和正当理由，但相互作用通常取决于针对特定位置的一组高度特定的参数。出于这个原因，来自任何给定研究的解释可能不具有更广泛的适用性。在某些情况下，可能影响相互作用的天然裂缝属性没有得到充分解释，即使在单井或油藏尺度上，这些属性的变化可能性通常也不被考虑，尽管实验和理论工作已表明这些是重要因素。在对天然裂缝油藏中水力裂缝建模的广泛综述中，Weng (2015) 明确指出相互作用取决于原地应力、岩石力学性质、天然裂缝属性以及水力裂缝处理参数。尽管已有这些知识，但许多较新的研究在没有支持证据的情况下假设相互作用，且日益增长的文献简单地声明相互作用发生。

在本文中，我们回顾了控制此类相互作用是否发生的天然张开型裂缝属性，并挑战了关于天然裂缝的存在必然导致复杂水力裂缝网络和增产体积（SRV）增加的普遍假设。我们的论文并非旨在回顾天然裂缝属性，这些属性已在其他出版物中涵盖（例如 Gale et al., 2014; Laubach et al., 2019），而是探讨这些属性如何对水力裂缝相互作用变得重要。我们强调需要理解即使在单组裂缝中天然裂缝属性的系统性变化，以及感兴趣岩体中的天然裂缝地层学。由于地下观测的局限性和选择露头类比的固有问题，表征天然裂缝属性并非易事；我们简要讨论了最新开发的方法。除了固有的天然裂缝属性外，还必须考虑裂缝和现代应力的相对方位（Laubach et al., 2019）。往往，这方面被一带而过。最后，也是重要的是，给定特定属性下的相互作用力学以及裂缝段之间的竞争是复杂的待解决问题，但却是必须解决的重要方面。虽然进一步开发对相互作用力学的理解超出了本文的范围，但我们提供了关于该主题先前工作的总结。系统地讨论了属性及其对水力裂缝传播的潜在影响。然后我们考虑了属性和裂缝模式的组合，特别是关于空间排列。展示了几个具有显著不同天然裂缝属性的示例，并讨论了观察或推测的相互作用。本文仅限于张开型裂缝，不包括断层；断层对水力裂缝的影响需要单独分析。

2. 先前观测：采掘后实验
从 20 世纪 80 年代到 2010 年左右的野外研究被解释为表明水力裂缝与天然裂缝之间的相互作用可以创建复杂裂缝网络并增加增产体积（SRV）。例如，Warpinski 和 Teufel (1987) 描述了美国能源部内华达测试场中节理化凝灰岩的水力裂缝传播采掘后实验，其中水力裂缝沿斜向天然裂缝偏转，并弯折回优选裂缝方向，创建出复杂的多分叉几何形状。Jeffrey 等 (2009) 结合采掘后观测与倾斜仪和微地震数据，量化了天然裂缝岩石中水力压裂产生的复杂度。Cipolla 等 (2008) 讨论了水力裂缝复杂度控制因素，整合了采掘后和岩心穿越实验数据与油藏模拟。关于采掘后实验的一个常见观测，这也可能适用于实验室实验，是原地应力的量级远小于深部地下发现的量级，尽管浅部和深部实例中的净压力（原地应力与流体压力之差）可能相当，这取决于注入速率、流体性质和岩石刚度。

3. 关于水力裂缝 - 天然裂缝相互作用的前期实验与理论研究
开创性的实验和理论研究为理解水力裂缝 - 天然裂缝相互作用机制奠定了基础。Blanton (1986) 建立了摩擦界面的基础准则，表明只有当水力裂缝的内部压力超过平行于天然裂缝的法向应力分量与岩石抗张强度之和的影响时，水力裂缝才能穿过天然裂缝。这为早期建模假设提供了关键框架，这些假设将天然裂缝视为平面摩擦不连续面。Warpinski 和 Teufel (1987) 对砂岩中的预切节理进行了尺度实验，基于线性摩擦定律分析了剪切滑移、裂缝停止和膨胀的条件。Potluri 等 (2005) 扩展了他们的工作以确定天然裂缝膨胀后的弯折位置。Renshaw 和 Pollard (1995) 利用线弹性断裂力学（LEFM）原理检查正交界面的交叉，确定了两种裂缝传播模式：连续模式，即裂缝不间断地穿过界面；以及不连续模式，即裂缝停止并在另一侧错位后重新起始。

天然裂缝的力学表征已从摩擦模型演变为胶结模型。Gu 和 Weng (2010) 扩展了 Renshaw 和 Pollard 模型以包含可能胶结在一起的非正交界面，表明内聚强度促进裂缝穿过而非滑移。Suarez-Rivera 等 (2006) 的实验室实验强调，在包含环氧胶结节理的封闭玻璃切片中进行井筒加压实验显示，垂直于胶结界面的围压在决定是否发生穿过方面起着关键作用。基于扩展准则，Wu 和 Olson (2016) 表明穿过行为强烈依赖于入射角和法向应力。Chen 等 (2018) 将天然裂缝建模为具有极低内聚强度和可忽略断裂能的内聚裂缝，提供了关于弱胶结界面的见解。Zhu 等 (2024) 通过根据威布尔分布改变颗粒之间的结合强度来模拟天然裂缝，捕捉了裂缝胶结的异质性。

对于胶结或矿物填充的天然裂缝，机械性质的对比——如模量、抗张强度和各向异性——可能会极大地影响传播。Dahi-Taleghani 和 Olson, 2011, Dahi-Taleghani 和 Olson, 2014 开发了一种基于能量释放率的准则来预测水力裂缝与胶结天然裂缝的相互作用，引入了断裂韧性和脉石刚度作为重要的强度决定参数。Lee 等 (2015) 对含有方解石填充裂缝的 Marcellus 页岩岩心样品进行了半圆形弯曲测试，表明诱导裂缝通常穿过脉石中心而不是沿界面传播。他们还表明，当诱导裂缝与天然裂缝之间的角度为斜交（而不是正交）时，裂缝偏转更有可能发生，并且对于更厚的脉石，偏转更有可能且更显著，这可能与脉石内部具有更弱的微观结构有关。Zhou 等 (2008) 在嵌有不同摩擦特性纸片的水泥块中进行了水力压裂实验，表明较高的剪切强度增加了裂缝停止的概率。Bahorich 等 (2012) 使用包含玻璃、石膏板和砂岩片作为包裹体的水泥石块来代表与周围基岩具有不同程度结合的封堵裂缝。他们观察到水力裂缝不仅在包裹体处停止或偏转，而且当包裹体短于裂缝高度时还会绕过它们，强调了层状地层中裂缝传播的三维性质。Jiang 等 (2025) 发现多个水力裂缝更有效地穿透和连接既有裂缝，导致更复杂的裂缝几何形状，如使用石膏胶结包裹体的实验所示。

许多研究表明，接近角、结合强度和材料性质在水力裂缝 - 天然裂缝相互作用中起着主导作用。除了这些因素外，现代应力方位和岩石各向异性也产生显著影响。临界受力天然裂缝——那些相对于当前应力状态方位有利的裂缝——在水力载荷下更有可能滑动或张开（Zoback and Healy, 1984; Barton et al., 1995）。这种重新激活的潜力可以通过滑动和膨胀趋势来确定，这些趋势描述了基于作用于裂缝平面上的应力发生剪切滑移和裂缝张开的概率（分别为）。相比之下，与有利滑动方位不对齐的裂缝可能会抵抗重新激活或促进裂缝交叉或弯折。层状地层中的各向异性力学性质进一步影响裂缝高度生长和偏差，使预测建模更加复杂。

这些天然裂缝属性，连同原地应力状态、岩石力学性质和增产条件，影响逼近的水力裂缝是在天然裂缝处停止、穿过还是沿其转向（图 1）。这些相互作用还可能涉及天然裂缝的重新激活，这指的是预先存在的不连续面响应于逼近的水力裂缝相关的应力扰动和/或流体压力而张开或发生剪切破坏。因此，重新激活被认为是一种可能先于或伴随穿过、停止或转向的机制，而不是一个独特的裂缝传播结果。

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图 1.

水力裂缝与天然裂缝相互作用示意图：在（a）摩擦界面（灰线）和（b）粘结摩擦界面（黑线）处的穿越、受阻或转向，以及（c–d）与胶结天然裂缝（具有黑色和灰色填充的脉石）相关的可能相互作用路径，包括穿越、受阻、沿脉石 - 岩石界面转向以及沿脉石内部转向。界面性质包括摩擦（μif）、粘聚力（So）和抗拉强度（Tif）。脉石性质包括与围岩相比的杨氏模量（Evein）和断裂韧性（KIcvein）。

由于这些相互作用行为受到天然裂缝特性、原地应力条件、岩石力学性质和改造参数耦合效应的影响，它们不能普遍归因于单一天然裂缝属性或通用阈值。因此，此处讨论各个天然裂缝属性的影响时，侧重于其一般趋势，而非作为离散阈值。虽然数值模型和实验室模型提供了关键的机理见解，但它们依赖于简化假设，无法完全代表地下环境的复杂性。原地应力方向、裂缝胶结性质和各向异性的变异性引入了在现场环境中难以约束的不确定性。因此，模型结果应被视为探索性场景，而非地下裂缝行为的确定性表征。认识到这些局限性对于保持科学严谨性并防止对模拟结果进行过度解读至关重要。

4. 天然裂缝属性
可能影响水力裂缝生长的天然裂缝属性包括尺寸、矿物填充度或开启度，以及裂缝组内的空间组织（图 2a）。此外，外部属性包括相对于现今应力场的方位以及单个裂缝相对于水力压裂起始点的位置。以下简要描述各个属性；关于控制这些属性发展的化学和力学过程的更全面综述，请参阅 Laubach 等人（2019）。虽然这些属性也决定了天然裂缝在地下流体流动中的作用，但我们特别关注它们对水力裂缝生长的影响。天然裂缝储层表征，包括裂缝系统属性，已在先前工作中得到广泛探讨（例如 Nelson, 2001; Narr et al., 2006; Curtis, 2002）。需要注意的是，针对任何特定案例可用的观测方法可能在尺度和分辨率上有所不同，且裂缝解释及其不确定性可能因案例而异。岩心提供最详细的地下信息，但受限于获取的岩心直径和长度。图像测井局限于井筒表面，但沿井深的覆盖率通常高于岩心。与大多数岩心（除非是定向岩心）相比，其优势在于可以获得裂缝方位。理想情况下，岩心和图像测井应同时可用。然而，图像测井的质量可能参差不齐，这使得解释变得具有挑战性。地震数据通常分辨率不足以捕捉张开型裂缝，尽管可以通过地震属性分析获得有关方位和强度的某些信息。露头可能不是地下的良好直接类比物，在用于裂缝属性表征时需谨慎选择（Laubach et al., 2019）。

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图 2. 可能影响水力裂缝生长的天然裂缝属性。（a）三个受裂缝（F）和断层（Fz）影响的层（St）的块状图，显示了长度、高度和聚类（CL）。（b）张开型裂缝属性示意图，其中每个图中的运动张开度（箭头）相同：V = 充满矿物胶结物的脉石（M）；J = 贫矿节理；Br = 带有胶结桥（橙色柱状）和胶结饰面（蓝色）的裂缝。（c）德克萨斯州皮尔斯菲尔德下奥斯汀白垩岩 Newsom B #1 井岩心薄片中的方解石衬里和桥接（Br）裂缝。俯视层理方向观察，显示分段长度。（d）美国犹他州布兰丁西南 16.5 英里处 Comb Ridge 北端高处俯瞰，早期侏罗纪纳瓦霍砂岩路面（照片中心）中的正交裂缝组。照片右侧的受裂缝影响的路面宽约 150 米。岩层向前景方向倾斜约 25 度。（e）犹他州拱门国家纪念碑附近，约 50 米高的悬崖露头中侏罗纪砂岩多层的裂缝。某些层包含层限裂缝（bb），而其他裂缝则是贯穿式的（t）。（a）和（b）部分修改自 Laubach et al. (2019)，已获许可。（对于图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

4.1 裂缝尺寸
天然裂缝尺寸，通常由张开度（厚度）、长度和高度定义，是控制天然裂缝在压裂过程中充当屏障、允许转向的弱面或捕捉流体的通道程度的基本属性（例如 Warpinski and Teufel, 1987; Gale et al., 2007; Zhang et al., 2009; Wang et al., 2018; Moska et al., 2021; Cao et al., 2022）。天然裂缝尺寸可跨越多个尺度：张开度从纳米到几米；长度可从微观到宏观尺度（厘米到数百米）；高度从几微米到层厚尺度，乃至跨越多个层的大型垂直面（例如 Ortega and Marrett., 2000; Bonnet et al., 2001; Gillespie et al., 2001; Nelson, 2001; Hooker et al., 2013; Gale et al., 2014）。虽然对于单个裂缝而言，长度、高度和张开度尺寸可能相互关联（Olson, 2003），但它们在层状或经成岩作用改造的环境中也可独立变化。例如，张开度 - 长度关系对力学相互作用和胶结历史很敏感（例如 Renshaw and Park, 1997; Olson et al., 2009; Hooker et al., 2012, Hooker et al., 2013; Laubach et al., 2019）。

裂缝尺寸群体可使用累积分布函数进行建模，但这些函数通常存在删失和/或截断偏差，这可能掩盖潜在的尺寸分布并使最佳拟合模型选择变得模棱两可。例如，由于分辨率限制，对数正态函数和幂律函数可能看起来都能拟合相同的数据。后者有时因其物理可解释性而被优先选用，因为在裂缝生长过程中发生相互作用时会产生幂律尺寸分布（Clark et al., 1995; Davy et al., 2010; Hooker et al., 2012）。通常认为，幂律分布（和分形几何）为裂缝尺寸属性（如张开度和长度）提供了一种广泛适用的描述工具（例如 Bonnet et al., 2001，及其中参考文献；Olson, 2007; Hooker et al., 2014; McCaffrey et al., 2020）。然而，必须使用严格的模型比较和拟合优度程序对缩放模型进行明确测试，而非假设（Clauset et al., 2009; Guerriero et al., 2010; Hooker et al., 2014; Corral and González, 2019）。

4.1.1 张开度
裂缝运动张开度是裂缝壁到壁的距离，包括开启和胶结部分，有时称为裂缝厚度（图 2b）。术语“水力张开度”指开启部分，代表流体通过裂缝的流动能力（Olsson and Barton, 2001）；在全胶结裂缝中，水力张开度为零。野外观测（例如 Vermilye and Scholz, 1995; Forstner and Laubach, 2022）和建模研究（例如 Pollard and Segall, 1987; Cruikshank et al., 1991; Vermilye and Scholz, 1995; Olson, 2003; Scholz, 2010; Bisdom et al., 2016）表明，I 型裂缝的运动张开度通常从裂缝尖端向中心增加，形成透镜状剖面（图 2c）。线性弹性断裂力学（LEFM）也预测均匀受载的 I 型裂缝中心处张开位移最大，与透镜状张开度剖面一致（例如 Olson, 2003; Ghanbarian et al., 2019）。然而，在剪切和非均匀载荷作用下，天然裂缝通常也显示出杂乱和突然的张开度变化（Gudmundsson et al., 2012; Kusumoto and Gudmundsson, 2014; Welch et al., 2022）。

在许多情况下，裂缝张开度尺寸群体的累积频率分布遵循幂律函数（例如 Sanderson et al., 1994; Clark et al.1995; Marrett et al., 1999; Ortega and Marrett, 2000; Gillespie et al., 2001）。在砂岩中，Hooker et al. (2014) 提出基于从露头尺度到扫描电子显微镜（SEM）尺度的观测，幂律指数接近普适值 -0.8；该指数控制函数的斜率，其中频率随尺寸减小而增加，并反映了不同张开度尺寸的相对比例。在砂岩中，这种尺度不变行为意味着，只要胶结物中存在裂缝 - 封闭纹理且胶结事件得到充分理解，微裂缝群体可用于推断宏观裂缝丰度（例如 Marrett et al., 1999; Hooker et al., 2014; Ortega and Marrett, 2000; Ortega et al., 2006）。页岩中近直立天然裂缝的运动张开度通常也遵循幂律分布，尽管其指数比砂岩中更具变异性，且尺寸下限通常大于 30 μm（Gale et al., 2014）甚至 0.1 mm（Ukar et al., 2017）。

然而，当裂缝为层限或处于低应变环境中时，张开度尺寸可能遵循对数正态或负指数分布（例如 Gillespie et al., 1999; Gillespie et al., 2001; Hooker et al., 2009; Dichiarante et al., 2020）。在某些情况下，根据张开度尺寸不同，可能存在多个最佳拟合方程。例如，在皮西恩斯盆地梅萨弗德组科泽特砂岩这一低应变环境中，Hooker et al. (2009) 发现对数正态分布在小型和大型尺寸上拟合最佳，而幂律在中等张开度尺寸上拟合更好。这表明颗粒尺度效应（在小型尺寸处）和力学层理（在大型尺寸处）均限制张开度尺寸缩放。成岩条件也影响裂缝张开度演化。在中等深度（成岩范围 ~ 50–200 °C），胶结物积累速率可能与裂缝开启相竞争，导致宽泛的张开度尺寸谱和 partially sealed fractures（Laubach et al., 2019）。对于页岩中的顺层裂缝，Wang and Gale (2023) 发现张开度尺寸分布可能更好地用负指数函数描述；这一点将在第 5.3 节中进一步讨论。

同一岩石中不同的裂缝组可能存在不同的分布。差异有时可能与随时间变化的围岩石力学性质有关，但影响裂缝胶结过程并进而控制裂缝模式发展的热力作用和成岩作用可能同样重要。在对阿根廷西北部寒武纪 Mesón 组砂岩的一项研究中，Hooker et al. (2013) 发现三个张开型裂缝组具有明显不同的张开度尺寸分布，尽管它们共享共同的围岩性质。这些作者将这些差异归因于裂缝开启过程中胶结物沉积行为的差异。他们得出结论，当裂缝生长增量在胶结程度不同的裂缝中分配不均时，更可能产生幂律分布，而当生长不受胶结影响时，则会产生特征张开度尺寸。

鉴于天然裂缝厚度对相互作用的重要性（见第 2 节），了解运动张开度范围和分布可以评估水力裂缝在它们处受阻、沿它们转向或穿越它们的程度。大型张开度裂缝如果填充了与围岩力学性质不同的胶结物，可能对水力裂缝传播构成机械屏障，而较窄的裂缝可能仅导致转向或没有影响。然而，具有开启中心段的大型张开度裂缝，如果与裂缝网络连通，可能充当水力压裂液通道。

4.1.2 长度
近直立水力裂缝遭遇近直立天然裂缝的频率部分受天然裂缝长度与方位耦合控制。除非平行于最大水平应力（SHmax），较长的天然裂缝会增加与改造井中水力裂缝遭遇的机会。如果发生重新活化，较长的裂缝可能导致更长的转向距离。

近直立天然裂缝长度可从厘米到一公里以上（Marrett et al., 1999），在某些情况下可能以正交组形式存在，形成棋盘格图案（图 2d）。顺层脉石也可横向延伸数百米，将在第 5.3 节中进一步讨论。与张开度类似，同一岩石中不同的裂缝组可能存在不同的长度分布。例如，Gillespie et al. (2001) 发现同一种石灰岩中贫矿节理呈对数正态长度分布，而脉石（完全胶结）长度则呈幂律分布。

长度分布可以揭示生长机制：较长的裂缝在持续应力下形成，而较短的裂缝可能较晚出现，并反映应变历史和力学分段特征（Bonnet等，2001；Olson，2007）。目前，离散裂缝网络（DFN）模型已纳入这些混合分布，以捕捉无标度和有界行为。Forstner等（2026）指出，裂缝长度不能孤立地加以考虑。裂缝宽度随连接而增加，意味着较长的裂缝往往通过较小段的合并来扩展。其长度分布仍存在不确定性且具有场地特异性。模型与观测相结合可用于推断天然裂缝生长时的力学条件，从而有助于更好地理解构造历史，并预测未被观测到的预期裂缝属性。例如，鉴于实验室中恒定应力驱动的加载导致本质不稳定的裂缝扩展，Segall（1984）提出了一个位移速率驱动的弹性裂缝模型，并结合因裂缝生长导致的有效模量降低，来解释稳定裂缝扩展，其中预期会出现有限的长度分布，且裂缝尖端在不与其他裂缝相交或不遇到任何障碍物（如层界面、化石）的情况下停止扩展。其他研究者使用各种模型来解释裂缝宽度与长度分布的观测结果。采用恒定均匀加载（Renshaw和Park，1997）或裂缝尖端弹塑性强度（Vermilye和Scholz，1995）的模型预测裂缝宽度与长度之间存在线性标度关系，而施加均匀应力强度因子增长条件（相当于恒定断裂强度条件）的弹性模型则预测裂缝宽度与长度之间存在次线性关系（Olson，2003）。尽管观测表明裂缝宽度与长度的标度关系通常是次线性的，但存在大量离散性，这可以由裂缝力学相互作用、层间弹性失配以及成岩后作用所解释（Hatton等，1994；Vermilye和Scholz，1995；Renshaw和Park，1997；Olson，2003；Laubach等，2009；Gudmundsson等，2012）。

4.1.3. 高度

为了使水平层中的近垂直水力裂缝获得显著高度，裂缝必须穿越具有不同力学性质的地层，这些地层可能起到高度生长屏障的作用（例如Smart等，2014；Smart等，2023；Bunger和Lecampion，2017）。如果竖向延伸范围大的天然裂缝被重新激活，它们可以通过连通原本被分隔的层段来促进水力裂缝的高度生长，特别是在弱夹层地层中。然而，如果天然裂缝在竖向维度上较短或受层限，则不太可能有助于水力裂缝向上/向下的扩展。因此，天然裂缝高度是一个潜在的重要属性，但必须与其他属性结合考量才能评估其影响。

长期以来，人们已知地层层状性对天然裂缝高度生长有影响（Price，1966；McQuillan，1973；Ladeira和Price，1981；Huang和Angelier，1989；Narr和Suppe，1991；Gross，1993）（图2e）。Hooker等（2013）提出了四种裂缝高度分类：1）完全受层限的，即所有裂缝均终止于层界面处；2）顶部受限的，即仅最高的裂缝终止于层界面处；3）分级的，即部分裂缝终止于单层界面处，而其他裂缝则穿越多个层后终止于层界面处；4）不受限的，即裂缝终止于层内。许多页岩由力学上不同的薄层组成（例如，富含泥质和富含硅质的交替层），天然裂缝高度可能受到这些力学差异的限制，甚至可能被限制在单个薄层内（Gale等，2014；Ferrill等，2025）。Gale等（2014，其图11）指出页岩中存在所有分类的观测实例。

Laubach等（2019）强调，天然裂缝的起始和高度生长是力学演化与化学演化共同与沉积架构相互作用的结果。在沉积岩中，裂缝往往倾向于局部化在特定地层单元内；按层划分的裂缝丰度被称为裂缝地层学（Laubach等，2009）。一个重要的考虑因素是，裂缝地层学可能与沉积学层状性或现今力学地层学并不一致。要全面理解层状序列中裂缝的竖向分布，需要了解裂缝相对于成岩变质作用的时序，以及由此产生的力学性质变化。

化学过程，尤其是胶结作用，也可能在限制或增强竖向扩展中发挥作用。例如，在砂岩中，处于成岩环境（50–200°C）中的裂缝可能通过亚临界机制生长，这些机制由溶解-沉淀反应促进，后者会改变围岩刚度和裂缝尖端韧性。Olson（2007）表明，力学分层和亚临界裂缝扩展影响裂缝高度、间距和平面性，更大的力学差异导致更平直的路径和更可预测的高度限制。关于高度尺寸分布，与裂缝宽度尺寸类似，受层限的裂缝通常显示出狭窄的首选高度范围，导致对数正态尺寸分布（Gillespie等，1999；Gale等，2014）。相比之下，不受层限的裂缝不受约束，表现出幂律高度标度关系，这可能导致更大的竖向连通性。

承受显著不同应力的地层可起到高度屏障作用（Simonson等，1978），水力裂缝可能在力学性质不利的地层处停止竖向生长（例如，杨氏模量高或致密、低渗透性地层）。然而，穿越这些地层的天然裂缝可能为水力裂缝绕过屏障提供途径。天然裂缝可能完全穿越地层，或通过裂缝尖端正前方应力场变化而产生的横向偏移以"裂缝桥接"方式越过地层（Rijken和Cooke，2001；Cooke和Underwood，2001）。Stowell（2001）考察了奥斯汀白垩露头上交替分布的白垩层和泥灰岩层中的裂缝持续性，发现了停滞、穿越和偏移裂缝连接的实例（图3）。如果通过重新激活利用这些天然裂缝几何形态，水力裂缝将有可能突破力学屏障。

图3. 德克萨斯州Waxahachie附近Grove Creek奥斯汀白垩露头上的裂缝高度生长。每张照片中L1和L3是裂缝起始的白垩层；L2是泥灰岩层。比例镜头盖直径为6厘米。（a）一条宽裂缝（最大达10厘米）在L2中被偏转，但在L1和L3中具有相同走向；（b）L1中的两条裂缝生长进入L2。右侧裂缝在L2中终止，而左侧裂缝被偏转后继续延伸至L3；（c）裂缝桥接实例，地层与（b）相同：左侧，L1中的裂缝生长进入L2约至一半高度后终止；右侧，L3中的裂缝向下生长进入L2约相同距离，随后通过倾角改变与L1中的裂缝硬连接（照片经GCAGS许可转载自Stowell (2001)）；（d）L1中的裂缝在泥灰岩层L2处终止。

4.2. 裂缝开放程度与胶结物封隔性质

天然裂缝系统被矿物胶结物封隔的程度对于理解地下渗透性具有普遍意义，因此已得到充分研究。该属性也与潜在的水力裂缝相互作用相关。裂缝开放程度与胶结物生长之间存在强相关性，即力学过程与化学过程相互关联（Laubach等，2019）。通常，在化学活性地下环境中的天然裂缝会在张开过程中产生一定程度的胶结（同步运动胶结）。裂缝群中宽度最大的裂缝通常具有一定开放性，壁上仅有薄层胶结薄膜，而低于某一裂缝宽度（称为显现阈值）的裂缝则被封闭；显现阈值的大小因案例而异。在中等尺寸裂缝中可能存在胶结桥（图2c）。在张开停止后，成岩后胶结物可能进一步封闭部分开放的裂缝。成岩胶结和裂缝-胶结生长可改变并不同程度地保存张开位移，使现今（保存）裂缝宽度与原始终力学裂缝宽度产生解耦（Olson等，2009；Laubach等，2019）。

开放或部分开放的裂缝可能允许水力裂缝流体泄漏或重新激活，但在具有幂律尺寸分布和典型显现阈值的裂缝群中，这些大型开放裂缝相对较少。被胶结物充填的裂缝更为常见，因此本节重点讨论其行为；大型开放裂缝将在本文的示例部分中予以介绍。Fu等（2015）观察到水力裂缝可能穿越天然裂缝中强胶结段，但会在未胶结部分出现偏移或偏转。在此基础上，Fu等（2018）提出了一个解析判据，纳入了胶结部分的强度和高度。其模型表明，更高的且更强的胶结段增加了穿越的可能性，而较短或较弱的胶结区则导致更复杂的结果，如部分重新激活或分段。

4.2.1. 力学性质（强度与刚度）

水力裂缝与胶结天然裂缝（脉）之间的相互作用很大程度上取决于胶结物与周围围岩之间的相对强度和刚度。实验和数值研究表明，较弱且较刚硬的脉倾向于促进裂缝偏转（Lee等，2015；Wang等，2018）。数值模拟进一步阐明了这一行为。例如，Virgo等（2013）使用单轴拉伸试验评估了裂缝穿越脉时的扩展，表明裂缝扩展轨迹对脉相对于围岩的力学性质高度敏感。在半圆形弯曲试验中，Lee等（2018）观察到当脉比围岩更刚硬时，裂缝尖端处的应力集中会导致脉内部在主裂缝到达界面之前即发生裂缝起始。基于水-力耦合模型，Chen等（2018）表明当围岩与脉之间的强度差异越大时，水力裂缝偏转越可能发生。最近，Sarmadi等（2024）使用纳入了胶结天然裂缝中拉伸和剪切失效的相场模型，表明更高的拉伸和剪切强度通常有利于水力裂缝穿越。类似地，Zhang等（2019）基于矩张量的结合粒子模型表明，当弱面（代表天然裂缝）的黏聚力和刚度相对于围岩较低时，水力裂缝倾向于偏转并沿弱面扩展，具体取决于接近角度和主应力方向。

除了整体力学性质外，脉内的微观结构特征也起着关键作用。矿物界面、解理面、孔隙、裂缝-胶结纹理和流体包裹体轨迹等特征引入了弱面，降低了脉的有效强度。当扩展的水力裂缝接近这些微观结构时，微裂缝会优先沿这些不连续面产生，引导整体裂缝路径并影响水力裂缝是停滞还是偏转（Lee等，2015）。

4.2.2. 脉-围岩界面性质

多项岩心研究已表明封隔胶结物与围岩之间存在分离，表明脉-围岩界面可能是最弱的力学面（Gale等，2014）。当该界面黏结强度低于胶结物内部强度时，界面将主导水力裂缝-天然裂缝相互作用，控制水力裂缝是穿越、偏转还是在脉处停滞。Wang等（2018）认为相互作用模式高度依赖于界面摩擦强度和接近角度。在某些组合下，逼近的水力裂缝诱导的应力场会激活界面滑动或失效，从而吸引正在扩展的裂缝。此外，Bhadariya和Lee（2025a）使用合成层状岩石进行了实验室试验，系统地变化了界面性质，如摩擦系数、黏聚力、拉伸/剪切强度。其结果表明，较低的界面黏聚力和摩擦会导致扩展裂缝在回归原始扩展方向前出现更长的偏转距离。然而，胶结天然裂缝的界面性质并非总是在数值模型中显式表征。例如，Zhang等（2022）在其混合XFEM-相场框架中通过不同的临界能量释放率来表征胶结天然裂缝，但承认这种非均质材料表征忽略了脉-岩界面的力学效应。这些发现进一步证明了界面力学在控制水力裂缝-天然裂缝相互作用中的作用。

4.3.

**天然裂缝相对局部与远场应力方位**

尽管人们对应力场对水力裂缝扩展的影响已开展大量研究，且Zoback和Kohli（2019）近期系统总结了非常规储层的地质力学特性，但在对天然裂缝潜在重要性的普遍评估中，最常被忽视的参数之一仍是天然裂缝相对现今原地应力方位的关系。众所周知，构造在天然变形过程中可被活化、重新活化或失活，而不同要素随时间变化的方位是关键因素（例如Ferrill等，2021）。此外，再活化模式可能与原始构造相同或不同。例如，构造性压力溶蚀缝可被重新活化为张开模式裂缝（实例见Ferrill等，2021，白垩纪Boquillas组；以及Ferrill等，2024，二叠纪Bell Canyon组）。然而，许多考虑天然裂缝对水力压裂加砂有影响的已发表论文中，普遍缺乏对再活化潜力的系统性分析，尤其缺乏对构造相对当前应力场方位的着重分析。

北美非常规储层的应力状态已由Lund Snee和Zoback（2022）进行了记录，这有助于正确考量构造方位。水力裂缝通常垂直于最小主应力（S3）形成。在正常断层型或走滑断层型应力体制下，S3为水平方向，张开模式的水力裂缝一般为垂直的，且与SHmax平行（受压裂井附近应力扰动影响的除外）。然而，天然裂缝不一定与现今应力状态对齐，因为它们可能因各种机制形成，或在应力方向不同时期形成（Laubach等，2004）。天然裂缝与水力裂缝之间的夹角将决定天然裂缝再活化的可能性及模式，可能增强水力裂缝扩展或导致转向。相对天然裂缝的入射角越大，穿越或止裂的可能性越高，具体取决于天然裂缝的厚度（Lee等，2015）。许多相互作用研究还忽略了天然裂缝的倾角，假设两类裂缝均为垂直的。这虽然便于将问题简化为二维建模，但在某些情况下可能是过度简化。

**4.4. 强度与空间组织**

裂缝强度可用多种不同度量方法描述，具体取决于可用的数据类型（例如1D扫描线、平面地图或地震体积数据）。度量方法包括每单位长度、面积或体积内的裂缝数量，或每单位面积内的总迹线长度，或每单位体积内的总裂缝面积，后者也称为P32（Dershowitz等，2000）。P32度量已被广泛采用为离散裂缝网络（DFN）建模的输入参数，例如在Vaca Muerta的案例研究中（Ukar等，2020）。Gale等（2014）展示了多种不同页岩地层使用上述不同强度度量的示例数据集。Ortega等（2006）强调了任何强度度量都需结合所考虑的裂缝尺寸加以说明，其要点在于，例如100条微裂缝（微米至毫米级）并不等同于100条大裂缝（厘米至米级）。一般来说，大型天然裂缝的较高强度会增加水力裂缝相互作用的可能性。

空间排列描述裂缝相对彼此的位置关系。裂缝间距模式可从规则排列到类似泊松分布（随机）再到复杂层次聚类的连续谱系。实用的诊断方法如间距的变异系数（CV）（CV < 1 ≈ 规则；CV ≈ 1 ≈ 随机；CV > 1 ≈ 聚类）（例如Gillespie等，1999；Gillespie等，2001）以及基于两点关联的度量（例如归一化关联计数、Ripley's K函数）能可靠地跨尺度区分这些模式（Watkins等，2015；Marrett等，2018；Shakiba等，2022；Hooker等，2023）。层次聚类和聚类裂缝走廊是储层岩石中的常见模式，可通过上述技术及多重分形分析和空隙度分析进行量化（例如Roy等，2014；Marrett等，2018；Wang等，2019；Afroogh等，2023；Wang等，2023）。我们指出，大多数关于空间组织的工作适用于近垂直裂缝或陡倾断层。

空间排列的另一要素是裂缝地层学（Bertotti等，2007；Laubach等，2009；McGinnis等，2017）。当裂缝为层间受限（高度受层位控制）时，特定岩性（矿物学）层内裂缝的间距通常与力学层厚度成正比，因此也与裂缝高度成正比，因为已有裂缝周围的应力降低（阴影效应）会抑制新裂缝的成核（Laubach等，2009；Bai和Pollard，2000a；Bai和Pollard，2000b）。这导致许多受层界控制的裂缝群体呈现近规则间距（Ladeira和Price，1981；Narr和Suppe，1991；Bai和Pollard，2000a；Gross等，1995），且间距/强度可在层边界处发生突变，反映不同力学层厚度（图2e）。

然而，其他控制因素可覆盖力学层厚度的影响，使得许多裂缝体系不遵循高度–间距等效关系（图4a、b）。Olson（1993）、Olson（2004）通过计算机模型表明，同时扩展裂缝之间的弹性相互作用强烈依赖于亚临界裂纹指数，结合其他岩石性质，该现象对聚类程度和间距具有强烈控制作用。亚临界裂纹指数因岩石类型而异，可通过双扭转试验进行测量（Holder等，2001）。例如，Fidler（2011）利用岩心样本的测量数据，展示了裂缝韧性和亚临界指数变化对New Albany页岩模拟裂缝模式的影响（图4c）。重要的是，天然裂缝间距的纯力学控制可被胶结、溶解和裂缝-胶结生长等成岩过程所覆盖，从而使生长特性和水力开度发生改变（Olson等，2009；Ortega等，2010；Laubach等，2019）。因此，在解释间距-尺寸关系和聚类统计时必须考虑成岩覆盖效应（Laubach等，2019）。McGinnis等（2015）讨论了断层带内层状碳酸盐岩中裂缝不遵循高度–间距等效关系的案例，最新研究还表明在层状碳酸盐岩（Bowness等，2022）和硅质碎屑岩层（Ferrill等，2025）中，裂缝间距可能受矿物学控制超过层厚控制。

**图4. 空间组织。（a）怀俄明州Alcova储层Tensleep砂岩中的裂缝聚类。崖壁高度约20米。更多露头详情见Zahm和Hennings（2009）。（b）墨西哥Sierra Madre Oriental山脉Las Palmas Canyon白垩纪Cupido白云岩中的聚类方解石充填裂缝。（c）New Albany页岩样本中实测和假定的裂缝韧性（KIC）与亚临界裂纹指数（n）值所模拟的裂缝模式图（经Fidler，2011许可）。间距和聚类随这些参数变化。**

紧密排列的裂缝之间存在弹性相互作用（Hobbs，1967；Narr和Suppe，1991）。一条裂缝的张开会使附近区域的最小主应力升高，抑制相邻裂缝的开度，偏向扩展并缩短错距，而较大的间距则允许更多的平行扩展（Pollard等，1982；Olson和Pollard，1989；Vermilye和Scholz，1995）。在储层压裂过程中，同样的应力阴影效应控制水力裂缝段间复杂程度，并可能将流体引入部分裂缝集中传播（Dahi-Taleghani和Olson，2011；Huang等，2015；Weng，2015）。在Bhadariya和Lee（2025a）使用合成样品的半圆弯曲试验中，观察到紧密排列的不连续面导致较短的转向距离（较短的错距），原因是相邻不连续面的失稳吸引了扩展中的裂缝。

尽管此处描述的空间组织工作主要涉及近垂直天然裂缝，但如果存在近水平天然裂缝，也应考虑其空间排列。近水平裂缝通常沿力学性质对比强烈的高对比度层之间的层理界面发育（Wang和Gale，2023），以及逆断层应力体制下S3为垂直方向时力学层内部的变形过程中发育（Ferrill等，2021；Ferrill等，2022）。这些裂缝的空间组织可能反映控制层理分布的沉积模式。关于对水力裂缝的影响，如果足够厚，它们可以阻碍水力裂缝的垂向扩展，并可能导致沿弱的层理平行面横向扩展。

**4.5. 相对水力裂缝起始点的空间位置**

我们认为，即使天然裂缝系统属性在预期SRV尺度上大致恒定，水力裂缝的潜在相互作用也可能因位置不同而显著不同。在井筒附近，即水力裂缝起始点附近，裂缝相互作用动力学将与距离井筒数百米处有所不同。原因在于水力裂缝压力和由此产生的扩展能量随距井筒距离的增加而衰减；对于给定的一组天然裂缝属性，相互作用可能不同。例如，井筒附近的水力裂缝可能有足够能量穿越某一厚度的天然裂缝，但在更远处遇到相同厚度的裂缝时可能止裂。

即使在天然裂缝属性完全相同的情况下，水力裂缝泵注程序的不同也可能导致不同的相互作用行为。Xi等（2022）的混合模式裂缝建模表明，提高注入速率——从而提高近井筒流体压力——促进了水力裂缝穿越附近的天然裂缝，而较低注入速率则有利于水力裂缝流体转向进入天然裂缝而不穿越。此外，近井筒区域由于射孔设计、近井筒应力状态、流体滤失、初始裂缝竞争和应力阴影效应，水力裂缝几何形态趋于更加复杂（Shan等，2022；Fu等，2024）。例如，一个射孔点可能引发多条裂缝，但生长竞争可能导致一条裂缝主导而其他止裂。随着扩展继续，与天然裂缝、层理面或其他不连续体的相互作用可能导致远离井筒处的分段、转向或再活化。完井方式在决定井产能方面也很重要。在Niobrara组中，微地震监测和生产分析表明，水泥塞加射孔完井的产能优于滑套（McKenna等，2015）。水泥塞加射孔完井产生了长而窄的集中水力裂缝扩展，并在泵注过程中持续进行；而滑套则产生了较宽但较短的生长区域，且随施工进行生长速度减慢。曾有推测认为由于Niobrara组丰富的天然裂缝，其形成的宽网络将更有利，但结果表明隔离射孔簇的产能更好。Weijers（2017）比较了Powder River盆地Frontier组和Turner组的趋势，认为这是因为水泥塞加射孔完井产生的有效表面积比依赖"偶然"遭遇天然裂缝的短宽加砂更为有效。

**5. 实例：天然裂缝系统、其属性及对水力压裂加砂的影响**

本节提供一些天然裂缝系统及其属性的实例，并讨论其对水力裂缝扩展的潜在影响。在每个案例中，虽然聚焦于特定属性的影响，但重要的是认识到几个附加属性也可能主导相互作用。最重要的附加属性在每个实例中均有标注。在所有情况下，加砂井中水力裂缝起始点（射孔簇）的具体位置相对于目标层中天然裂缝的位置，很可能对相互作用有强控制作用，特别是当天然裂缝强烈聚类时。

**5.1. 平行于现今最大水平应力SHmax延伸的天然裂缝**

存在若干种情形，在近乎水平的层系中，层面法向天然裂缝平行于现今最大水平应力（SHmax）延伸，从而使水力裂缝平行于它们扩展。如果远场应力方位自裂缝形成至今未发生显著变化，天然裂缝方位与现今SHmax可能相似（Laubach等，2004）。德州中南部Austin Chalk和Eagle Ford储层即属此类，它们各有一套主导的天然张开模式裂缝，走向为北东-南西，伴有相同走向的正断层，二者均平行于SHmax（图5a）。

奥斯汀白垩的地表露头与地下研究表明，这些张性裂缝通常遵循幂律孔径分布，高度呈簇状分布，且部分裂缝具有可观的裂缝孔隙度（Stowell, 2002）。其高度在一定程度上受到奥斯汀白垩中交替出现的白垩岩—泥岩层机械性质的控制（Laubach等, 2019, 其图1d）。在伊格尔福特组中，岩心内大多数充填方解石的张性裂缝宽度较窄（< 0.5 mm），裂缝孔隙度可忽略不计，簇状分布程度不如奥斯汀白垩明显，从露头观测推断的高度大多不超过几米，且受力学层理限制（Ferrill等, 2014）。德克萨斯州弗里奥县Newsom B#1井穿过奥斯汀白垩的垂直岩心含有天然裂缝和钻井诱导裂缝，两者显著近平行（图5b）。水力压裂已在这两个储层中用于优化产量，伊格尔福特水力压裂试验场（HFTS）项目对所有类型裂缝的测量表明，它们彼此平行且平行于SHmax（图5c）（Ciezobka和Maity, 2023；另见Raterman等, 2017的类似研究）。向簇状分布和与SHmax平行的趋势表明，相互作用将高度取决于水力裂缝起裂点相对于簇状分布区域的位置。天然裂缝可能充当薄弱面，吸引水力裂缝沿其扩展，而不是在储层岩石中破裂。如果裂缝开启，它们可能捕获水力压裂液，从而降低有效性。因此，在这类体系中，相互作用潜力和机制将高度不均匀。

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图5.（a）显示两口井位置的地图：位于弗里奥县的Newsom B-1井（奥斯汀白垩）和HFTS A井（伊格尔福特，斜井岩心）以及现今SHmax的方向。（b）Newsom B-1先导孔中直径4英寸的垂直岩心及放大细节。天然裂缝和花瓣中轴线与钻井诱导裂缝平行（走向NE/倾向近直），在某些情况下，当诱导裂缝重新激活天然裂缝时两者重合——水力裂缝也将沿相同方向扩展。（c）A井部分段落的裂缝方向下半球等积立体图。注意所有类型裂缝方向的相似性。

水力压裂的目标地层通常分布于整个沉积盆地。在某些情况下，该盆地的构造和构造背景保持一致，但在许多情况下，沉积后的构造事件导致不同地区具有不同的构造背景。例如，新奥尔巴尼页岩分布于伊利诺伊盆地，但主要构造差异显著。印第安纳州的Wabash Valley Fault System（WVF系统）具有活动的正断层，而肯塔基州大致东西走向的Rough Creek Graben（RCG）中的断层目前并不活跃（Gale和Laubach, 2009）（图6a）。大多数岩心含有天然裂缝，但强度较低，且其方向和不同组分的相对丰度在盆地内存在变化。印第安纳州南部三口垂直井岩心中的优势天然裂缝呈NW–SE走向，垂直于SHmax，但次级组呈E–W走向（Ault, 1989）。在RCG内部，断层和天然裂缝走向以及现今SHmax走向在E–W到ENE之间变化（图6b）。肯塔基州西部RCG中两处的垂直岩心含有胶结的天然裂缝（图6b）（Fidler, 2011）。在DPI岩心中，优势裂缝呈E–W走向，与SHmax一致，且部分在地下处于开启状态（图6c）。在CNX井中，存在多组裂缝走向和部分倾向变化（陡的共轭组）。该井的图像测井显示裂缝走向随深度变化。在Clegg Creek段3710英尺以上，走向为ENE；而在此以下，在Camp Run/Morgan Trail、Selmier和Blocher段，走向更偏向NE。岩心中张性裂缝的方向与该区域较大断层的趋势一致。存在较长期走向060°的断层组，以及一些介于020°至040°之间的连接断层。我们将该区域解释为Rough Creek Graben更偏E–W走向段之间的中继结构（Gale和Laubach, 2009）。微地震数据显示水力裂缝主要扩展趋势为060°，次级趋势为038°。这些差异意味着，预测与水力裂缝的相互作用需要在更大构造和围压应力场的背景下，针对天然裂缝属性进行场地特异性了解，即使在同一盆地的同一地层中也是如此。

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图6. 沉积盆地内裂缝与构造/构造背景的变化（a）伊利诺伊盆地构造图，显示印第安纳州的Wabash Valley Fault系统和肯塔基州的Rough Creek Graben（引自McBride和Nelson, 1999）。（b）Rough Creek Graben内断层走向图，包括SHmax方向和两口研究井的位置（引自Fidler, 2011，经许可使用）。（c）直径3英寸的DPI-2485-21岩心中近直立的天然裂缝。该天然裂缝呈E–W走向，平行于SHmax，裂缝壁上的自形方解石表明其在地下处于开启状态（插图）。

我们考虑平行于现今最大水平应力SHmax的天然裂缝的两种极端相互作用类型。当水力裂缝简单地沿平行天然裂缝扩展时，可能不会发生相互作用。另一方面，如果裂缝壁—岩石界面处存在结构薄弱面，或者裂缝孔隙度较大，某些水力裂缝可能会沿天然裂缝扩展。在这种情况下，水力裂缝不会破裂新岩石，流体将漏失，使增产效果降低。因此，其影响可能微不足道或为负；认识到这一点很重要，而不是简单假设天然裂缝的存在会增大SRV（支撑裂缝体积）。

**5.2 多组裂缝：常见情况**

阿巴拉契亚盆地的Marcellus组以其复杂的构造背景和相关的天然裂缝系统而闻名，多位作者已对此予以关注（Engelder等, 2009; Wilkins等, 2014; Evans等, 2014; Hooker等, 2022）。文献中通常识别出两组主要的近直立裂缝。Engelder等（2009）将这些裂缝命名为J1和J2，并解释较早形成的J1裂缝组形成于阿坎期造山运动；这些J1裂缝恰好平行于现今SHmax。较晚形成的J2组方向随阿巴拉契亚造山带弯曲而变化（Engelder等, 2009）（图7a）。认识到水力裂缝相互作用可能因不同组分的天然裂缝而异这一点非常重要。总裂缝强度的确定可能因观测偏差而复杂化，特别是使用井筒数据在地下进行观测时（Narr, 1996）。例如，在Marcellus中垂直于SHmax钻井的井将优先与J1组相交，这会造成J1占主导的印象，而在不对方向偏差进行校正的情况下，可能会暗示J2裂缝稀疏（图7b）。然而，垂直于井筒扩展的水力裂缝更可能与J2裂缝相遇（图7b）。事实上，地下模式可能比图7c中的露头实例更复杂。对岩心、图像测井和露头的研究表明，裂缝系统具有更大的空间和时间复杂性。Evans等（2014）发现许多裂缝不符合简单的J1–J2分类，Wilkins等（2014）将优势脉组和关联构造解释为单一、可能延续的Alleghanian变形事件的一部分。同样，需要场地特异性属性信息来预测相互作用行为。

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图7. 沉积盆地内裂缝属性的变化。（a）宾夕法尼亚州轮廓图，显示阿巴拉契亚高原的背斜轨迹和造山带的弯曲特征。Tioga县轮廓标出，ASF = Alleghany构造前缘（修改自Hooker等, 2017，经AAPG许可）。J2天然裂缝走向大致垂直于褶皱轨迹。（b）Tioga县Marcellus页岩中假想水平井中水力裂缝不同相互作用的示意图。该井与J1天然裂缝（绿点）相遇，但水力裂缝平行于J1。水力裂缝与J2裂缝（蓝点）相遇。（c）纽约州Fillmore Glen Gorge步道沿线Devonian Tully-Geneseo Shale-Sherburne Fm.段露头，J1和J2裂缝发育良好。此处J1裂缝最长可达20[英尺]，露头宽度约10 m。（对于图例中颜色引用的解释，请参阅本文的网页版本。）

Barnett页岩是Fort Worth Basin（FWB）中成熟非常规储层，也是Permian Basin中的目标层。两个盆地均进行了详细裂缝研究（Gale等, 2007, Gale等, 2014为FWB；Gale等, 2022为Delaware Basin），各自显示多组属性差异很大的裂缝。Midland Basin中的Barnett页岩将具有另一组不同的裂缝群体。Barnett FWB研究常被引用为可以通过多组裂缝实现"复杂性"的实例，因为两组裂缝均不平行于现今SHmax。然而，正如本文所证明的，这一概念需要精细化才具有实用价值，需要关于天然裂缝的场地特异性信息。仅凭其存在，无法评估天然裂缝对水力压裂增产的影响。

Midland Basin Wolfcamp Formation中的HFTS实验提供了量化天然裂缝在水力压裂增产过程中被重新激活程度的机会。Gale等（2019）检查了增产后穿过目标层钻取的斜井岩心中已开启与完好胶结天然裂缝的百分比。在约450英尺的斜井岩心中，Set 1（NE-SW）裂缝有197条，其中38条已开启（19%）；Set 2（WNW-ESE）裂缝有112条，其中46条已开启（41%）。两条已开启的裂缝——一条位于Middle Wolfcamp，一条位于Upper Wolfcamp——两壁均具有自形方解石晶体，被解释为在地下处于开启状态。其他现已开启的裂缝被解释为在地下处于密封状态。开启机制可能包括水力压裂重新激活，但也可能由钻井或岩心获取与搬运造成。大多数方解石胶结裂缝仍然完好无损的事实表明，水力压裂期间重新激活并非普遍现象。

**5.3 平行于层理的脉（Bed-parallel Veins, BPVs）**

水平张性裂缝，通常平行于层理，此处称为平行层理脉（BPVs），存在于许多非常规烃类储层中。Cobbold等（2013）在全球多个地点记录了具有纤维状矿物充填（称为"beef"）的BPVs，表明其广泛存在。然而，BPVs并非普遍存在，且在非常规储层中的发育程度可能因盆地区位不同而在同一地层内有差异。West Texas的Greater Permian Basin中BPV发育差异的一个典型例子是：Delaware Basin中Permian Wolfcamp Formation中存在厚BPVs（>1 cm），但邻近的Midland Basin（Greater Permian Basin的西部和东部）中Wolfcamp Formation不存在此类脉（Gale等, 2021）。这种差异可能归因于这些BPVs的形成机制。有多种机制可以导致BPVs的形成。全面讨论这些机制，特别是浅层设置中形成的机制，已超出本文范围，但它们通常结合了孔隙流体超压和逆冲断层应力状态，其中最小主压应力（S3）为垂向（例如，Ferrill等, 2021）。超压可源于无排液压实、成岩反应（如伊利石向蒙脱石转变）和烃类生成。无排液压实通常伴随快速埋藏，而猫agenesis需要足够深的埋藏深度以达到足够高的地壳温度。Ginn等（2017）将Delaware Basin Wolfcamp Formation中的BPVs解释为在Permian期间快速埋藏时形成的，依据是没有主生成烃类充填流体包裹体和低均质温度；较晚的直立式裂缝在最大埋藏期间形成。

Midland盆地Wolfcamp组中缺乏平行于层理的劈理（BPVs）的原因尚未确定，但可能与埋藏速率和埋藏深度的差异有关。德克萨斯州西部的特拉华盆地南部部分的密西西比期巴内特页岩似乎也缺乏厚的方解石充填的BPVs，尽管存在狭窄、稀疏的BPVs，其中充填有纤维状重晶石（Gale等，2022）。特拉华盆地的这一部分总体上没有盆地北部部分（即含有Wolfcamp组中BPVs的部分）埋藏得那么深，因此尽管在层序上较低，巴内特页岩的埋藏深度仍不足以发生显著的成岩作用驱动的超压。Gale等（2022）将重晶石充填的BPVs解释为在快速埋藏阶段形成，流体超压是由非平衡压实和II型干酪根裂解成油共同作用产生的。他们检查的核心中为何没有观察到厚的方解石充填的BPVs尚不清楚；单一核心中的采样偏差是不能排除的。

阿根廷内乌肯盆地的Vaca Muerta组具有复杂的埋藏历史，由于不同机制在不同时间形成了几组不同的裂缝（Ukar等，2020）。观察到的两种主要裂缝类型为常见充填纤维状方解石的BPVs，以及后来具有不同产状的次垂直裂缝组合（Ukar等，2020）。西部的露头带包含盆地中任何地方最厚、最丰富、横向延伸最广泛的BPVs。这是因为现在出露的岩石沉积在盆地的最深处，并且埋藏最深，BPVs形成于最大埋藏期间（Rodrigues等，2009；Ukar等，2020）。因此，在露头中观察到的BPVs并不是盆地较浅、热成熟度较低部分中BPVs的直接类比物。此外，在盆地一部分地下部分对裂缝属性的观察可能不适用于另一部分。埋藏历史的差异也反映在烃类成熟度上，因此西部发生生气，而较中心部分生油。

对于需要进行压裂改造且存在BPVs的运营商来说，一个令人担忧的问题是，水力裂缝在BPVs处停止扩展的风险，从而导致限高。这在Vaca Muerta中尤为突出。近水平的BPVs与次垂直水力裂缝正交，因此入射角是一致的，BPV的厚度是控制是否发生转向或停止扩展的主要因素。在Vaca Muerta中，BPVs常见于沿机械刚性层（如方解石胶结的灰分床）的上下边界优先发育（Rutman等，2021）；其停止扩展效应被放大，因为多达三层叠置层起着阻挡扩展的作用（Wang和Gale，2023，其图16）（图8a）。

图8. 阿根廷内乌肯盆地Arroyo Mulichinco的Vaca Muerta组中的BPVs。（a）在方解石胶结灰分床（AB）的上下边缘发育的充填纤维状方解石的BPVs。（b）沿Arroyo Mulichinco朝桥方向的视图，显示BPVs的横向范围，其横跨和沿河床延伸数十米。河床中浅色区域是大型厚BPVs的上表面（顶部BPV）。河堤上可以看到BPVs的痕迹（白色箭头）。左侧中央有两个背包，供比例参考。

横向延伸广泛的BPVs可能限制垂直水力裂缝扩展，将其限制为横向生长（图8b）。Renshaw和Pollard（1995）的穿透准则表明，扩展的裂缝会在弱的摩擦界面处停止或偏转——这正好是垂直水力裂缝转向并沿水平面横向扩展的条件。Lee等（2015）在马塞卢斯页岩SCB测试中表明，厚的胶结脉起弱面作用，促进水力裂缝沿界面转向而非垂直穿透。广泛的横向扩展可以增加总SRV，但存在与相邻射孔簇的水力裂缝重叠的风险。

5.4. 成岩作用过程的作用

在压裂改造储层中，有几种因该层组特有的成岩作用过程而发育的自然裂缝的例子。可能存在一些BPVs并非源于最大埋藏期间的成岩作用和随之而来的构造缩短。例如，Bryndzia等（2024）在脉石胶结物地球化学研究中建议，Haynesville页岩（一个以其现今高超压而闻名的深部储层）中的BPVs可能具有早期成岩起源。这些BPVs在水平方向上通常较短，但相对较宽的张开度，透镜形状常见；有些以化石碎片为核（图9a）。由于其有限的横向范围，不太可能对水力裂缝生长有强控制作用。认识到这些不是典型的BPVs对于确定它们是否构成风险至关重要。

图9. 因成岩作用过程产生的裂缝。（a）来自Haynesville页岩的片状岩心样品，显示化石碎片（灰褐色）和矿物充填的BPVs（白色）。BPVs通常以化石碎片为核。岩心由Anadarko Petroleum提供，经许可拍摄。（b）来自俄克拉荷马州阿科马盆地泥盆系伍德福德组的岩心。裂缝（f）在燧石层中成核并在页岩层中终止。岩心由Devon Energy提供，经许可拍摄。（关于图例中颜色引用的解释，请读者参见本文的网络版本。）

俄克拉荷马州阿科马盆地的泥盆系伍德福德页岩也是成岩作用影响自然裂缝生长模式的另一个例子。成岩作用使燧石层比周围页岩更硬，因此自然裂缝优先在燧石层内发育（Kvale和Bynum，2014）（图9b）。这些层中的一些裂缝显然作为后来方解石充填裂缝的成核点，后者穿越多个层。在试图预测与水力裂缝的相互作用时，解开此类情况下的自然裂缝发育至关重要。

5.5. 微裂缝

一个需要解决的重要主题是，在压裂改造过程中微裂缝重新激活的可能性。尽管这一过程不会改变整体水力裂缝图案，但它可能导致许多小流体通道被打开。储层中在进行压裂改造之前存在的天然微裂缝大多被矿物胶结物或沥青完全封闭（Anders等，2014；Gale等，2014），但它们可能被重新激活。Ahmadi和Dahi Taleghani（2016）利用热机制对微裂缝重新激活对产能的影响进行了建模，该机制归因于冷的改造液与热的储层岩石之间的温差。他们得出结论，早期阶段天然气产量可提高多达25%，但长期累计产量只会增加3%。效果随时间减弱部分是因为微裂缝太窄，无法放置支撑剂，因此在压力递减时会关闭。重要的是，Ahmadi和Dahi Taleghani（2016）强调了本文中讨论的几个参数的重要性：裂缝间距、强度、裂缝张开度和封闭胶结物的抗张强度。

微裂缝重新激活可能在流体从地层向井筒传输中发挥作用的观点尚未得到充分验证，但仍然是一种可能性。这种效应可能仅限于相对靠近较大携带流体的水力裂缝的位置，并且由于关闭可能是暂时的。远离这些较大裂缝的微裂缝可能因应力场变化而重新激活，但它们将是孤立的，与主要水力裂缝网络不连通，因此不会影响流体产量。一个重要的考虑因素是常规非常规储层岩石类型中微裂缝的可能强度。Gale等（2014）指出，与碳酸盐和砂岩相比，马塞卢斯和奥斯汀白垩数据集薄片中的微裂缝出现稀疏。在这些岩石中，小于0.1毫米宽度的微裂缝在幂律张开度分布图上的累积频率将是每米1到100条裂缝，这在薄片中将过于稀少（甚至不存在）（Gale等，2014，其图5B）。即使放大到水力压裂期间可能到达的体积，微裂缝的总数也可能太少，无法产生显著影响。

上述讨论涉及次垂直自然裂缝。还有平行于层面的微裂缝，通常充填有沥青或矿物胶结物。Lash和Engelder（2005）讨论了纽约州西部上泥盆统邓基尔克页岩样品中的形成机制，得出结论认为成岩作用以及页岩中各向异性的岩石学特性和力学性质是关键因素。这些微裂缝可能在平行于层面的水力裂缝扩展期间容易重新激活。Chauve等（2020）还讨论了层状结构如何控制北海挪威大陆架主要源岩Draupne组在初次运移期间的微裂缝化。这些微裂缝的性质尚未得到充分考察，部分原因是从地下取回的样品中难以在微观尺度上保持储层条件性质。

6. 讨论：水力裂缝生长图案

我们总结了自然裂缝属性如何影响与水力裂缝的相互作用，并使用此类属性显著不同的例子进行了说明。尽管建模和实验室实验提供了潜在相互作用的见解，但有必要寻求来自地下的直接证据。目前有几种新技术正在开发中，用于直接追踪水力压裂。光纤传感（LS-DAS）通过检测在受改造井中产生的水力裂缝到达相邻监测井，实现了井到井尺度的水力裂缝追踪。解释通常将到达信号（称为frac hits）与特定的改造阶段联系起来（例如Ugueto等，2021）。Shahri等（2021）考虑了许多例子中的光纤监测结果，并得出结论，水力裂缝大多为平面状，平行于SHmax在宽组中扩展，反映在射孔簇中的起裂。它们随后在监测井中被检测为簇状。

在另一种方法中，Gabry等（2025）使用处理压力的归一化CWT小波图（小波变换图）来研究水力裂缝如何扩展，然后将结果与光纤信息进行对比。他们建议可以使用该技术检测泄漏和/或与自然裂缝的相互作用，并给出了来自马塞卢斯组的一个例子。

然而，就影响水力裂缝生长而言，自然裂缝可能不是地下最重要的弱面。认识到水平水力裂缝扩展可能很重要，这引起了兴趣，并成为几项研究的主题（例如Rutledge等，2016；Tan等，2021；Smart等，2014，Smart等，2023）。最初，提出的将层面滑动作为调节垂直水力裂缝扩展的一种手段的构想；证据来自微地震数据，其中事件中的断层解被重新解释，使得滑动面是水平的，而垂直面是辅助面（Tan和Engelder，2016）。Bhadariya和Lee（2025a）观察到，与层理界面相互作用的裂缝通常形成一种阶跃特征，即沿界面偏转一小段距离后，再折回下一层。基于数字图像相关（DIC），Bhadariya和Lee（2025b）发现，较高的倾斜角和更硬的相邻层导致更长的阶跃距离。Dontsov等（2025）汇集了来自几个不同储层和数据源的证据，表明沿弱层面的水平裂缝扩展可能是常见的。他们推测水平扩展的范围可能达数百米，远远超过沿重新激活的BPV预期的几米扩展。我们强调这种现象的要点是，弱层面增加了除自然裂缝外复杂的非水力裂缝生长的另一种可能性。

即使没有弱面，倾向复杂水力裂缝生长的倾向也应予以考虑（Rysak等，2022）。

非均质储层中的水力压裂扩展通常表现出复杂的机理，包括分叉和重新激活，这取决于局部应力条件和既有断层的方位。Manchanda 等人（2020）讨论了层状介质中主应力方向的变异如何导致裂缝分叉和裂缝尖端劈裂。Cobain 等人（2015）记录了扭转锯齿形裂缝的发展，这些裂缝受层理面和既有薄弱面相互作用的影响，可作为裂缝扩展的指示标志。7. 结论天然裂缝在许多需要水力压裂增透的烃类储层或地热目标中很常见，但它们并不总是影响水力裂缝的扩展。考虑天然裂缝属性是评估其影响的关键。这些属性既包括裂缝的内在性质（尺寸、张开度、强度和空间排列），也包括其与外部因素的关系，如远场应力状态和井增透位置。重要的是要注意，这些属性可能在单个裂缝之间、在储层尺度的裂缝组内部以及在整个沉积盆地范围内存在差异。此外，从露头中提取有关地下裂缝的有用信息需要格外谨慎。建模天然裂缝与水力裂缝相互作用的工具应将这些属性考虑在内，并包括其他潜在的薄弱面，如层理面。在某些情况下，天然裂缝属性的组合可能意味着对水力裂缝扩展没有影响，而在其他情况下则可能有显著影响。我们得出结论，仅凭天然裂缝的存在这一事实，不应单独作为其对水力裂缝扩展会产生影响的指示。相反，应考虑所有属性，以便对潜在影响做出更为可靠的解释。Julia F.W. Gale | Qiqi Wang | Hunjoo P. Lee | J.E. Olson