注入方案对天然裂缝储层裂缝扩展的影响

《Results in Engineering》：Influence of injection schemes on fracture propagation in naturally fractured reservoirs

　　

通过水力压裂形成裂缝网络对于有效的储层改造至关重要，使得水力裂缝（hydraulic fractures）与天然裂缝（natural fractures）之间的相互作用成为研究重点。由于恒速率注入（constant-rate injection）在现场应用中仍被广泛采用，现有研究大多基于这一前提。相比之下，变速率注入条件下水力裂缝的扩展特征尚未被充分阐明。因此，本研究建立了天然裂缝储层中水力裂缝扩展的数值模型，系统研究了恒速率、循环速率（cyclic-rate）和阶梯速率（step-rate）注入方案对水力裂缝与天然裂缝相互作用的影响。此外，还分析了循环速率注入的周期和振幅以及不同阶梯速率注入方案对水力裂缝扩展形态的影响。结果表明，与恒速率注入相比，采用循环速率或阶梯速率注入可以增强水力裂缝与天然裂缝之间的相互作用模式，将原本单一的穿过模式转变为穿过与开启相结合的组合模式。此外，循环注入方案的周期和振幅均显著影响这些相互作用模式。然而，当地应力差（in-situ stress difference）超过临界值时，循环速率注入对裂缝扩展的影响减弱，地应力成为主导控制因素。上述发现对于指导现场作业和提高压裂效果具有重要意义。

注入方案对天然裂缝储层水力裂缝扩展影响的数值模拟研究解读

随着油气勘探开发的持续推进，常规油气资源逐渐枯竭，以页岩、致密砂岩为代表的非常规储层受到日益广泛的关注。此类储层具有孔隙度和渗透率低的特点，且通常发育有天然裂缝，必须通过水力压裂形成裂缝网络，为油气渗流提供通道并提升渗透率。然而，天然裂缝的存在会显著影响水力裂缝的起裂、扩展及最终形态。如何优化水力压裂工艺、调控水力裂缝与天然裂缝的相互作用、在储层内形成复杂裂缝网络，已成为天然裂缝储层高效开发的关键需求。目前，关于裂缝相互作用的研究大多基于恒速率注入，因为恒速率注入在现场应用中仍居主导地位；相比之下，变速率注入条件下的裂缝扩展特性尚未得到充分认识。循环注入与脉动压裂技术虽已在干热岩、致密砂岩等储层中引发关注，但这些储层天然裂缝不发育，相关结论难以直接推广至天然裂缝发育的页岩储层。鉴于此，研究人员采用粘聚区模型建立了天然裂缝储层中水力裂缝扩展的数值模型，系统考察恒速率、循环速率和阶梯速率注入方案下两类裂缝的相互作用机制。该研究成果发表于《Results in Engineering》。

研究人员基于有限元法建立了二维平面应变数值模型。模型尺寸为50 m×50 m，天然裂缝以45°倾角均匀分布于模型内部；模型中部预设长度为1 m的初始裂缝，其中心点作为流体注入点。采用粘聚区模型（cohesive zone model, CZM）模拟水力裂缝与天然裂缝的起裂和扩展，以最大名义应力准则作为起裂判据，通过牵引-分离本构关系描述损伤演化过程。裂缝内流体流动包括切向流和法向流，切向流服从立方定律，法向流表征压裂液向储层基质的滤失；流固耦合关系基于有效应力原理建立。网格采用CPE4P类型，通过网格无关性分析确定包含8855个单元的方案C用于后续全部模拟。为验证模型准确性，研究人员将不同水平应力差和逼近角下的模拟结果与Blanton基于实验提出的经验准则进行对比，数值预测与准则高度一致。

在“不同注入方案的结果”部分，研究人员在保持储层基础参数不变的前提下，分别模拟恒速率、循环速率和阶梯速率注入。恒速率注入时，注入点压力平稳上升至破裂压力75.29 MPa后下降并逐渐稳定；裂缝沿最大主应力方向扩展，与天然裂缝的相互作用以偏移（offsetting）为主导，被激活的天然裂缝数量为0。循环速率注入时，注入点压力随速率变化而波动，引起储层应力振荡，改变了天然裂缝周围的应力场分布；裂缝扩展方向偏离最大主应力方向，相互作用模式为偏移与开启（opening）的组合，被激活天然裂缝数量为2。阶梯速率注入时破裂压力为74.54 MPa，略低于恒速率注入，裂缝扩展同样呈现偏移与开启两种模式，被激活天然裂缝数量为1。上述结果表明，变速率注入能显著丰富水力裂缝与天然裂缝的相互作用模式，提高裂缝网络复杂度。

在“循环注入参数分析”部分，研究人员分别考察周期和振幅的影响。周期设置为30 s、40 s和50 s时，注入点压力波动周期随注入周期同步增大，储层内应力波动的时序特征随之改变。周期30 s时，水力裂缝共与5条天然裂缝相互作用，其中4条发生偏移、1条发生开启，即1条天然裂缝被完全激活；周期40 s时，水力裂缝在2条天然裂缝处偏移并触发1条天然裂缝开启；周期50 s时，在3条天然裂缝处偏移并触发1条开启。周期变化改变了不同相互作用模式的数量和空间分布。振幅方面，以平均注入速率0.0015 m³/s为基准，分别设置60%、75%和90%的振幅。振幅增大使注入点压力波动幅度相应增加，储层应力波动影响范围扩大。振幅为60%时，水力裂缝在2条天然裂缝处偏移并触发1条开启；75%振幅结果与60%基本一致，表明当振幅低于某临界值时，改变振幅无法有效改变相互作用模式；振幅达到90%时，裂缝扩展形态发生显著改变。

在“阶梯注入参数分析”部分，研究人员比较了三种阶梯注入方案，其每次速率调整的持续时间分别为30 s、40 s和60 s。阶梯式速率变化引起储层地应力相应变化，当阶梯切换与水力裂缝逼近天然裂缝的过程同步发生时，相互作用行为受到显著影响。方案1下，水力裂缝触发1条天然裂缝开启并在2条处偏移；方案2下，相互作用以偏移为主导；方案3下，偏移和开启模式同时出现。不同阶梯注入方案能够改变相互作用模式的数量和发生位置。

讨论部分指出，压裂作业中注入方案是现场可直接调控的关键操作参数。现有研究多关注恒速率下注入速率对天然裂缝激活的影响，而变速率注入的研究相对薄弱。本文提出的循环速率与阶梯速率注入能够有效增强裂缝复杂度。地质条件变化会影响变速率注入的适用性：在地应力差较小的储层中，循环速率注入可显著改变裂缝扩展形态；当地应力差增大至某一临界值后，循环注入的影响减弱，地应力上升为主导控制因素。这说明利用变速率注入提升裂缝复杂度的策略在低地应力差储层中效果更为明显。研究亦存在局限性：数值模型采用平面应变假设，未考虑离面扩展行为，无法表征水力裂缝的垂向延伸与偏转以及层理对裂缝垂向扩展的约束作用。因此，室内实验与现场试验是未来必要的验证手段；同时，建立系统优化模型以针对不同储层条件选择变速率注入方案并确定最优速率调整时机，也是后续研究的重要方向。

研究结论可归纳为四点。第一，与恒速率注入方案相比，采用循环速率或阶梯速率注入可增强水力裂缝与天然裂缝的相互作用模式，将单一的偏移模式转变为偏移与开启的组合模式，增加被激活天然裂缝数量，进而提升压裂裂缝的复杂度。第二，循环注入方案的周期和振幅均显著影响相互作用模式，调整周期可改变不同模式的数量和空间分布；振幅低于某阈值时影响较小，超过该阈值后影响显著。第三，不同阶梯注入方案会改变相互作用模式的数量和发生位置。第四，地应力差与注入方案均显著影响裂缝扩展形态，但当应力差超过临界值时，循环速率注入的影响减弱，地应力成为主控因素。上述结论为天然裂缝储层压裂施工方案的优化提供了理论依据。