页岩压裂形成由宏观至微细观的跨尺度裂缝连通增渗机制

The shale gas reservoir features very low permeability with tight internal structure, so the hydraulic fracturing technology is widely used in the development of shale gas. The purpose of hydraulic fracturing in the shale reservoir is to reconstruct the complex fracture network. Currently, our understanding of hydraulic fracturing is generally limited to macro-scale level. However, the migration of shale gas transport is a complex problem of trans-scale. So, it is necessary to carry out the research to study the mechanism of increasing the permeability by macro-fracture, micro pores and cracks, and the nano-level storage space of shale gas. The mechanism of permeability increment by the linkage of trans-scale hydraulic fractures in the shale will be focused in this study. Study on the fracture propagation, morphology and permeability of shale by hydraulic fracturing under multi-scale will be carried out. Hydraulic fracturing experiments with shale will be carried out under triaxial stress status, with the monitoring of dynamic fracture propagation using acoustic emission. 3D optical scanning technology will be employed to extract fracture section geometric characteristics. In addition, industrial CT scanning technology will be used to obtain the morphology of micro cracks. The morphology of hydraulic fractures at micro scale will be realized by SEM with FIB-SEM scanning. The mechanism and characteristics of the linkage of trans-scale hydraulic fractures will be established. Numerical simulation based on the discontinuous method will be conducted to study on the mechanism of permeability increment by the linkage of trans-scale hydraulic fractures in the shale.

由于页岩储层致密且渗透率极低，因此储层压裂改造技术广泛应用于页岩气开发以在储层中形成复杂裂缝网络来实现连通增渗。目前对水力压裂储层改造所形成裂缝网络的认识均局限于宏观尺度，然而页岩气由微纳孔隙运移至宏观裂缝是跨尺度裂缝的连通问题，因此亟需开展相关研究以搞清页岩压裂后形成的由宏观裂缝至微细观裂缝以及微纳级别孔隙储集空间的跨尺度连通增渗机制。本项目针对页岩压裂形成由宏观至微细观的跨尺度裂缝连通增渗机制这一关键科学问题，开展水压致裂试验并研究压裂形成的多尺度裂缝的扩展演化规律、裂缝形态特征以及跨尺度连通渗流过程。项目以研制的岩石三轴水压致裂试验系统为试验平台，实施三轴应力状态下不同类型页岩试样的压裂试验，采用声发射技术监测破裂的动态扩展过程，采用工业CT和微米CT精细扫描提取缝网的空间形态特征，SEM和FIB-SEM相结合获取微细观裂缝空间形态和受力特点，揭示跨尺度裂缝的连通增渗机制并实现模拟。

水力压裂技术是页岩气开采的重要技术。川南地区3500m以深页岩气资源量占总资源量的比例高达86.5%，该区深层页岩气藏构造复杂、地应力差异大，导致压裂形成复杂缝网的难度大。因此有必要针对深层页岩水力压裂裂缝扩展机制开展研究。本项目“页岩压裂形成由宏观至微细观的跨尺度裂缝连通增渗机制”通过室内试验及数值模拟的方法，对层状页岩的力学性质、压裂特点、数值模拟结果进行分析研究，主要实现了如下研究目标：1）研究了层状页岩各项异性物理力学特性；2）总结了圆柱体页岩水力压裂裂缝扩展规律及压裂特点；3）总结了立方体页岩水力压裂裂缝扩展规律及压裂特点；4）研究了页岩水力压裂多尺度裂缝扩展机理；5）分析了压裂液注入速率及地应力对页岩储层压裂的影响规律。.根据项目计划任务书的要求，项目组紧紧围绕研究目标开展工作，研究结果表明：随着层理面角度增大，页岩样品的波速值增加，抗拉强度降低，单轴压缩试验条件随着层理面角度增大，页岩破坏方式从以张拉破坏为主变为有抗拉破坏、劈裂破坏以及大量的沿层理面方向的剪切破坏；页岩破裂压力随围压的增大而增大，随偏应力的增大而减小，随压裂液注入速率的增大而增大；裂缝与层理面的相互作用关系可总结为直接沿层理扩展，捕捉和穿越三种。微观裂缝的扩展连通了孔隙、有机质以及各类矿物，增大了裂缝周边区域的渗透率，利于页岩气的扩散运移，微观裂缝沿有机质单边边界扩展较多，沿双边边界扩展的裂缝较少；微观裂缝的扩展模式可总结为偏移，分叉，穿越和吸引四种。在较低的地应力下，大尺寸立方体页岩压裂产生了新生裂缝和被重新激活的天然裂缝相互交错发育的布局，在高地应力下天然裂缝的布局基本决定了水力裂缝的形态；随着地应力的增加，压裂裂缝体积、表面积急剧减小，主裂缝的孔径值增加；地应力较低时可从泵压曲线观察到裂缝破裂和扩展的过程，水平向地应力对应受到扰动，地应力较高时水力裂缝沿天然裂缝扩展，无法观察到破裂过程。数值模拟显示在高应力差条件下压裂缝网的复杂程度和总长度急剧降低，平均宽度增大；裂缝扩展时在储层埋深大、主应力极高的条件下采用高排量更可能直接穿过遇到的天然裂缝；剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著，且在高应力差条件下缝网中形成剪切裂缝的长度急剧降低。以上研究成果为深层储层压裂技术在油气中的高效开采利用提供了可靠的理论依据。