页岩气井井周网状诱导缝形成岩石力学机制研究

页岩气作为非常规天然气资源吸引了世界页岩气资源大国的共同关注,长段水平井与体积改造技术是页岩气储层开发的核心技术。由于我国对页岩储层裂缝发展规律没有认识清楚,导致现场压裂不够理想,页岩气开发相对滞后。本论文立足于页岩地层的非均质性及力学性质,借助数值模拟软件,研究井筒增压过程中页岩井周诱导缝的发展规律,进一步分析网状裂缝系统形成的岩石力学主控因素。研究得到以下几点认识： (1)井壁上的天然裂缝有可能改变诱导缝的起裂方向,诱导缝是否沿井壁裂缝起裂受裂缝与最大主应力的夹角、裂缝长度、裂缝力学性质以及井周地应力等因素综合影响。文中特定条件下,井壁裂缝与最大主应力夹角小于等于临界夹角(70°),是诱导缝沿井壁裂缝起裂的先决条件,长度对起裂没有影响。同时,裂缝力学性质越弱,相同角度天然裂缝开启可能越大。地应力比值不同,裂缝性质的影响程度和规律不同,总体上,地应力比值越小,诱导缝越容易沿井壁裂缝起裂。 (2)诱导缝起裂后的延伸发展直接受天然裂缝影响,当天然裂缝分布满足一定规律时,可实现诱导缝沿天然裂缝分支或转向。井周裂缝与最大主应力夹角小于或等于临界夹角(77°),井周裂缝分布在极限范围内,裂缝长度较长,被沟通的可能较大。通过对沿井壁不同角度裂缝起裂的研究,得出起裂方向偏离最大主应力能有效增加诱导缝沟通天然裂缝的机会。地应力对诱导缝延伸的影响表现在,地应力比值越小,诱导缝沟通天然裂缝越容易。然而,地层中简单裂缝分布只会改变诱导缝局部形态,不能形成有效复杂裂缝。 (3)层理发育地层中,使诱导缝沿层理发展并分支能促进形成复杂诱导裂缝。层理与最大主应力夹角越小、层理间距越小、层理力学性质越弱,越有利于诱导缝沿层理发展,但仅层理发育仍难以形成理想网络裂缝。研究表明在层理与天然裂缝共同作用下,更容易形成复杂的诱导缝,且天然裂缝系统起主要作用,层理与最大主应力保持一定角度且间距、力学性质适中能增加诱导缝复杂性,此外,地应力差异越小,形成诱导缝越复杂。 (4)复杂诱导裂缝能否形成的关键在于地层中天然裂缝系统是否足够复杂,层理与最大主应力夹角、层理间距与层理力学性质是否适中,井周地应力差异是否较小。水平井钻井应该充分考虑地层的特点,并通过改变井眼轨迹调整近井地带地应力分布,以及井筒与层理相互关系。合理处理水平井、地应力与弱结构面之间的关系,将利于实现复杂诱导裂缝系统。 本论文基于国家自然科学基金项目：硬脆性泥页岩地层井周裂缝形态调控岩石力学基础研究(编号：51274172)。