Solid Earth发文系统分析了水力压裂过程中裂缝发育过程及其影响因素

本文摘要：（由ai生成）

本研究采用DEM-LBM模拟水力压裂过程，分析生产、地层和岩石参数对裂缝网络形态的影响。发现注入速率和岩石强度异质性为主要影响因素，天然裂缝显著改变裂缝网络形态。低粘度流体在异质地层中高速注入易形成复杂裂缝网络。研究结果有助于理解岩石破坏机理，预测SRV结构，为储层流体开发提供指导。论文由朱维伟博士在清华大学王沫然教授课题组完成，并发表于《地球物理研究：固体地球》。

水力压裂是指将高压液体注入储层中，使基岩岩石发生张拉或者剪切破坏，形成复杂裂缝网络的过程。这一操作常用于改造非常规储层，如页岩油、页岩气和增强型地热系统。其中形成的复杂裂缝网络，包括生成的水力裂缝和重新激活的天然裂缝，被称为储层改造体积（SRV）。储层改造体积与低渗储层流体产量具有强正相关性，因此在产量预测方面发挥着关键作用。然而，水力压裂过程发生在地下深层储层，无法直接观察。当前可用的技术，如微地震监测、倾斜计测量和电磁成像，无法揭示 SRV 的详细内部结构。前期课题组提出显示化表征储层改造体积的方法，即通过结合离散裂缝网络与剪切破坏准则具体刻画储层改造体积结构特征，并研究了包括天然裂缝形态、填充、粗糙度等多种因素对储层改造体积形成与发展的影响，进一步提升了人们对储层改造体积的认识(具体内容可参见Journal of Petroleum Science and Engineering, 217, 110852，2022)。然而基于实验总结的剪切破坏准则，如Mohr-Coulomb或JRC-JCS准则，难以准确描述深部复杂地质环境下岩石真实的压裂破坏过程，因此对水力压裂过程具体过程及其机理进行深入的研究，尤为必要。本项工作系统研究了水力压裂中压裂裂缝的产生与扩展过程及其影响因素，相关结论有助于深入理解深部岩石破坏机理，从而进一步合理预测SRV结构，为高效开发储层流体提供指导意见。

研究内容    

通过DEM-LBM方法模拟了水力压裂的流固耦合过程，系统研究了生产参数、地层参数和岩石性质的单一因素及多因素对水力压裂过程及裂缝网络形态的影响，模拟的计算域如图1所示。  

图1 计算域，长度为 6 cm，宽度为 4 cm，厚度为1.28 mm

生产参数影响    

本文主要考虑的生产参数包括注入速率和流体粘度。图2显示了记录点的孔隙压力变化。随着注入速度和粘度的增加，裂缝启动压力增加。结果与实验和数值模拟的观察结果一致。对于低注入速度（u = 0.1 和 0.2 m/s），孔隙压力振荡变化，并在裂缝扩展过程中下降，这表明裂缝体积和泄漏流体体积与注入速率相比，大致相等或略大于。对于高注入速度（u > 0.2 m/s），在裂缝启动后孔隙压力持续增加，表明裂缝体积和泄漏体积增长速度小于注入速率。在粘度方面，更粘稠的流体会增加粘性阻力，因此需要更高的压力来推动粘稠流体并破裂岩石。  

图2 不同注入速率和流体粘度值的情况下记录点的孔隙压力演变  

图3和4展示了不同注入速率及流体粘度情况下的裂缝几何形态，背景显示了整个域中的流体压力分布。每个裂缝的中心点用实心正方形表示张裂缝（张拉应变占主导），用圆形表示剪切裂缝（剪切应变占主导）。从冷色（蓝色）到暖色（红色）的颜色变化表示生成顺序。  

随着注入速度的增加，裂缝几何形态变得复杂，出现分支。不同情况下的主要水平裂缝相似。然而，当水平裂缝达到右边界时，如果注入压力足够大，可以产生垂向裂缝，并且在转换区域（从水平到垂直）产生剪切裂缝。当水平裂缝达到右边界时，裂缝中的孔隙压力会在上下方向上压缩样品。由于裂缝迹线应该垂直于最小主应力（左右方向零应力），由此使新生成的裂缝垂直于水平裂缝。  

图3 不同注入速率情况下的裂缝几何形态（0.04s）。背景显示了整个域的流体压力分布。每个裂缝段的中心点用正方形表示张裂缝，用圆形表示剪切裂缝。从蓝色到红色的颜色变化表示每种类型裂缝的生成顺序。  

图4 不同流体粘度情况下在 0.04 秒的裂缝几何形状  

地层参数影响    

在本节中，我们研究原位应力状态和天然裂缝存在对水力压裂过程的影响。不同的应力各向异性程度通过左右方向的应力与顶底方向的应力  之间的比值来表示。选择六个比值水平进行研究：/=1.0, 1.3, 1.5, 1.7, 1.9, 0。  

由于原位应力的施加，启动压力增加。较大的原位应力会导致更高的裂缝启动压力。然而，施加原位应力并不会显著改变裂缝几何形状。在前五种情况中， 为最大主应力，裂缝几何形状相似，并且与最小应力方向（顶底方向）垂直。图5(a和 b) 分别展示了两个示例，其中 /=1.0和1.9 。对于不施加左右方向应力的情况，裂缝按预期在顶底方向传播，与最小主应力垂直。  

图5 不同原位应力状态下 0.04 秒时的裂缝几何形状  

天然裂缝在地下普遍存在，并且会形成复杂的裂缝网络。它们在水力压裂过程中，对于形成储层改造体积（SRV），发挥着重要作用。然而，天然裂缝十分复杂，包括裂缝长度、位置和方向等几何复杂性，以及它们与岩石基质相比的相对强度和相互作用。在这项工作中，我们展示了 DEM-LBM 方法模拟天然裂缝并研究其影响的能力，对天然裂缝的更广泛研究将在未来的独立研究中呈现。  

本工作通过修改颗粒联结强度来模拟天然裂缝。计算域中仅插入一个天然裂缝（图6中的灰色联结），而在更大的域中可以轻松引入更多天然裂缝。这里，展示了  和 的结果，其中和分别表示天然裂缝与基质固体颗粒的联结强度。所生成的裂缝网络如图6所示。当联结强度较小时，水力裂缝在遇到天然裂缝时会沿着其传播。天然裂缝通常在给定的原位应力状态下经历剪切破坏，其中纵向应力（）大于横向应力（）。随后，水力裂缝将继续在初始方向上生长。当裂缝强度较大时，水力裂缝将穿过天然裂缝并继续以原方向生长。水平裂缝主要由拉伸裂缝主导，而倾斜裂缝分支则由剪切裂缝主导。总体而言，天然裂缝的存在可以显著改变裂缝网络的复杂性，未来的研究将进一步深入探讨。  

图6 存在一个天然裂缝的情况下的裂缝几何形状  

岩石性质影响    

在本节中，我们研究了两种固有的岩石性质，即颗粒联结强度异质性和岩石渗透率。为了研究天然岩石的异质特性，我们选择 Weibull 分布中的不同 m 值，使得联结强度变化。平均联结强度为 0.01，选择六个 m 值考虑： m =2,3, 5, 10, 20, 30。较小的 m 值表示更高的异质性程度。对于 m=2 的情况，联结强度分布和拟合曲线如图7(a) 所示。拟合参数平均值为 0.0097 ，形状因子 m 为2.04。因此，所选择的颗粒数量（741）足以实现预定的异质性联结强度分布。渗透率控制着岩石的渗透能力。在本工作中，岩石渗透率由沉没边界方法中的固体体积分数来控制，它与地层渗透率呈负相关。较大的 表示不渗透固体占据了更多的空间，相应的地层渗透率较低。为了评估不同固体体积分数的影响，选择了六个值：=0.85, 0.9, 0.92, 0.95, 0.97, 0.99。  

对于不同的异质程度在记录点的孔隙压力变化如图7(b) 所示。对于不同的异质程度，孔隙压力的变化过程是相同的。对于更均质的情况，启动压力更高。在最异质的情况下，m=2.0，启动压力最低。然而，在裂缝扩展过程中，孔隙压力持续增加，对于异质情况，增加更为显著。异质程度越高，裂缝几何形状越复杂，如图8所示。对于 m=2.0 的情况，裂缝几何形状最为复杂，并产生多个分支。其中还有一些与主裂缝不相连的裂缝，可以归因于两个主要原因：一是流体渗漏到基质中导致孔隙压力提高，二是由主裂缝中孔隙压力引起的局部应力改变。  

图7 (a) 异质联结强度的 Weibull 分布拟合 (b) 不同联结强度异质程度情况下记录点的孔隙压力演变  

图8 不同联结强度异质程度情况下的裂缝几何形状，0.04s  

对于不同的岩石渗透率值，不同情况下记录点的孔隙压力变化如图9 所示。基质渗透率控制流体泄漏，高渗储层（图9a）能使流体压力传播到更大的区域，而在低渗透率情况下影响范围较窄（图9c）。  

图9 不同地层渗透率情况下的裂缝几何形状，0.04s  

多因素影响    

基于对各个因素的分析，明显可以看出注入速率和异质程度显著影响生成的裂缝复杂性, 而流体粘度、地应力和岩石渗透率的影响却不大。低流体粘度和高岩石渗透率有助于将流体压力传播到更深的地层，但这些因素对均质岩石中复杂裂缝网络的生成影响较小。岩石渗透率和异质联结强度是固有的岩石属性，而注入速率和流体粘度则是可调节的生产参数。实际应用中通常使用低粘度流体（也称为slickwater）作为压裂液，以获得更好的性能。因此，本节重点考虑在低渗透率的异质地层中使用低粘度流体在不同注入速率下对复杂裂缝网络生成的影响。  

在低注入速率的情况下，注入孔隙压力的演化如图 10(a) 所示，生成的裂缝网络如图10(b) 所示。  

图10 (a) 注入速率为 0.2 m/s 的低粘度流体的记录点孔隙压力演化 (b) 0.06s 的裂缝几何形状 (c) 图 (b) 中每个裂缝段的张拉和剪切应变  

当主水力裂缝遇到联结强度较高的颗粒时，其扩展停止。由于注入流体大量泄漏到基质中，低粘度流体很难建立显著的孔隙压力，并形成了一些与主水力裂缝不相连的剪切裂缝。这些剪切裂缝通常是破裂的脆弱联结面，是由于注入流体引起的局部应力扰动导致的。  

为了增强注入压力并增强支撑剂的输送能力，在实际应用中通常采用高注入 速率，结果如图11所示。注入速度较高时，压力增加显著，相应的裂缝网络变得更加复杂，这些复杂的裂缝网络主要由剪切裂缝而不是张拉裂缝组成，如图 11(c) 所示。剪切裂缝的生成也归因于流体泄漏导致孔隙压力提高和局部地应力变化。此外，由于低粘度流体和先期裂缝的存在，孔隙压力可以方便地传输到整个域，从而导致进一步的裂缝破裂，并形成更复杂的裂缝网络。  

图11 (a) 注入速率为 0.5 m/s 的低粘度流体的记录点孔隙压力演化 (b) 0.06s 的裂缝几何形状 (c) 图 (b) 中每个裂缝段的张拉和剪切应变  

结论    

在本工作中，我们使用DEM-LBM方法对水力压裂过程的主要影响因素进行了全面研究，包括生产参数（注入速率和流体粘度）、地层参数（原位应力状态和天然裂缝的存在）和岩石性质（岩石强度的异质性和岩石渗透率）。对水力压裂过程有了更深入的认识，主要结论包括：  

1. 更高的注入速率、增加的粘度和较大的原位应力将导致启动压力的增加。相反，较高的地层渗透率和更大程度的强度异质性将导致启动压力的降低。   

2. 生成裂缝的复杂性受注入速率和强度异质性程度的影响显著。然而，流体粘度、原位应力状态和地层渗透率几乎不能单独影响裂缝几何复杂性。  

3. 由于注入的高压流体引起的孔隙压力和局部原位应力变化，剪切位移可能会在水力压裂过程中发生。在特定条件下，如高注入速率和高强度异质性，剪切位移的程度可能非常显著。  

4. 天然裂缝会显著影响生成裂缝网络的复杂性，但需要进一步深入研究复杂裂缝分布、相对裂缝强度等因素对水力压裂过程的影响。  

5. 低粘度流体高速注入低渗透异质性地层中，会伴随显著的压力积累并生成复杂的裂缝网络。  

论文出版信息如下：  

Zhu, W., Chen, Z., He, X., Tian, Z., & Wang, M. (2023). Numerical investigation of influential factors in hydraulic fracturing processes using coupled discrete element-lattice Boltzmann method. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027292. https://doi.org/10.1029/2023JB027292

论文的第一作者为课题组博士后朱维伟博士，朱维伟博士2015年获中国石油大学（北京）石油工程本科学位，2017年获阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）地球科学与工程硕士学位，2020年获阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）能源资源与石油工程博士学位，2021年至2023年，在清华大学王沫然教授课题组从事博士后研究。现任SCI期刊（Energies、Atmosphere）客座编辑，油气藏评价与开发、新疆石油天然气等期刊青年编委。主要研究方向为离散裂缝网络、工程地质和流固耦合。迄今已在国际知名期刊上发表论文十余篇，数次受邀在国内外做特邀报告和主题报告。朱维伟博士后出站后加盟中国科学院地质与地球物理研究所，担任特聘副研究员岗位。