天然断裂带对致密砂岩储层水力压裂扩展及支撑剂运移的影响

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Influence of natural fracture zones on hydraulic fracture propagation and proppant transport in tight sandstone reservoirs

储层改造中多簇压裂与支撑剂运移的数值模拟研究，基于离散元法构建天然裂隙带耦合非均质应力场模型，揭示裂隙带宽度和夹角影响压裂穿带难度，高流速高粘度流体减少应力干扰，支撑剂尺寸影响运移效率。

　　在当前油气资源开发中，非常规储层因其复杂的地质结构和较低的渗透性，成为研究的重点。特别是在四川盆地，其致密砂岩气藏具有低孔隙度、低渗透性、高非均质性和复杂的薄砂-页岩互层特征。这些特性使得传统压裂技术难以有效提升储层渗透性，从而需要采用更为先进的水平井分簇压裂技术。该技术通过在水平井的不同位置布置多个压裂簇，以实现对储层更广泛的刺激，提高油气产量。然而，由于储层中天然裂缝带的存在，压裂过程面临诸多挑战，如地层应力分布不均、压裂液泄漏等，这些因素显著影响了压裂效果，使其与常规储层的压裂表现存在明显差异。

为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于离散元法（Discrete Element Method, DEM）的多簇水力裂缝扩展与支撑剂运移模型。该模型充分考虑了天然裂缝带对裂缝扩展的影响，并通过定义定量参数来描述裂缝扩展过程和支撑剂放置的有效性。研究结果表明，天然裂缝带的宽度和其与水力裂缝扩展方向之间的夹角是影响压裂效果的关键因素。较宽的天然裂缝带以及较小的夹角会增加水力裂缝穿透天然裂缝带的难度，从而导致裂缝扩展的非均匀性加剧，形成更多的裂缝激活，增加流体分流现象，并可能引发裂缝生长受限和井间干扰的风险。

此外，研究还发现，较高的压裂排量和较高的压裂液粘度有助于减少裂缝间的应力干扰，提高多裂缝扩展的均匀性。这表明，在设计压裂方案时，应综合考虑这些参数，以确保裂缝能够均匀扩展，从而提升储层的渗透能力。然而，支撑剂颗粒的大小同样不可忽视，较大的颗粒容易在裂缝中发生堵塞，特别是在狭窄的裂缝段，这种堵塞现象会阻碍压裂液的持续注入，影响裂缝扩展的效率。因此，在实际操作中，选择合适的支撑剂颗粒尺寸至关重要，以避免因颗粒过大而造成的堵塞问题。

为了应对支撑剂堵塞的问题，研究还提出了一种分阶段压裂的策略。这种方法能够有效防止支撑剂在裂缝尖端的堆积，同时避免因压裂泵停机而导致的近井眼支撑剂放置不足。通过分阶段压裂，可以确保压裂液在裂缝中的均匀分布，从而提高裂缝扩展的可控性和支撑剂的有效放置。这不仅有助于提升压裂效果，还能降低井间干扰的风险，为后续的油气开采提供更好的条件。

在实际应用中，支撑剂的大小、天然裂缝带与水力裂缝扩展方向之间的夹角以及压裂排量是影响储层改造效果的三个最重要因素。支撑剂的大小直接影响其在裂缝中的流动和分布，较大的颗粒容易造成堵塞，而较小的颗粒则可能在裂缝中过度分散，导致支撑剂无法有效支撑裂缝壁。因此，支撑剂的选择需要结合储层的具体情况，包括裂缝的宽度、方向和岩石的物理性质，以确保其在裂缝中的最佳放置效果。

天然裂缝带的夹角同样对压裂效果产生重要影响。当天然裂缝带与水力裂缝扩展方向之间的夹角较小时，水力裂缝更难穿透天然裂缝带，导致裂缝扩展的非均匀性增加。这种非均匀性可能引发部分裂缝生长受限，从而影响整体的储层改造效果。相反，较大的夹角有助于水力裂缝更顺利地穿透天然裂缝带，提高裂缝扩展的均匀性和可控性。

压裂排量作为另一个关键因素，其高低直接影响压裂液在裂缝中的流动和分布。较高的压裂排量可以减少裂缝间的应力干扰，促进多裂缝的均匀扩展。然而，过高的排量可能导致压裂液在裂缝中的流速过快，从而影响支撑剂的沉积效果，甚至引发支撑剂的过度分散。因此，在实际操作中，压裂排量的设定需要综合考虑储层的物理性质、裂缝的几何特征以及支撑剂的特性，以达到最佳的压裂效果。

为了更好地理解和优化这些因素的影响，研究人员采用了一种基于离散元法的数值模拟方法。该方法通过将岩石视为由多个离散块组成的系统，模拟水力裂缝的扩展过程和支撑剂的运移行为。通过这种方式，研究人员能够更准确地预测裂缝的扩展路径和支撑剂的分布情况，从而为实际压裂作业提供理论指导。

此外，研究还指出，目前大多数数值模拟研究主要集中在具有弱面结构的储层，如天然裂缝或具有离散分布的层理面。这些研究虽然取得了一定成果，但在模拟多簇水力裂缝扩展和支撑剂运移机制方面仍存在不足。特别是在天然裂缝带较为复杂的储层中，现有的模型往往无法准确反映实际的裂缝扩展过程，导致研究结果难以直接应用于现场作业。

为了解决这一问题，研究采用了一种更为全面的模型，不仅考虑了天然裂缝带的影响，还结合了非均匀地层应力的实际情况。通过这种模型，研究人员能够更准确地模拟裂缝的扩展路径和支撑剂的运移行为，从而为优化压裂方案提供更为可靠的依据。该模型的应用有助于提高压裂作业的效率，降低井间干扰的风险，并提升储层改造的整体效果。

综上所述，多簇水力裂缝扩展与支撑剂运移模型的建立对于非常规储层的开发具有重要意义。通过该模型，研究人员能够更全面地理解天然裂缝带对裂缝扩展和支撑剂分布的影响，并为实际压裂作业提供理论支持。未来的研究应进一步探索不同地质条件下裂缝扩展和支撑剂运移的机制，以提高模型的适用性和准确性，从而为非常规储层的高效开发提供更加科学的指导。