李建紅，王延斌

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083

水力壓裂效果是致密砂巖氣藏增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要影響因素[1-2]。壓裂縫的擴(kuò)展情況可以很好地體現(xiàn)水力壓裂效果。目前監(jiān)測(cè)壓裂縫的手段可以分為兩類：一類是利用溫度、聲波、放射性元素等測(cè)井方法，如陳前[3]用可控中子釓示蹤成像測(cè)井結(jié)合致密砂巖特征得到了裂縫的密度、走向、高度等參數(shù)；另一類是微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，如趙爭(zhēng)光等[4]利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)成功監(jiān)測(cè)了壓裂縫，并對(duì)其進(jìn)行成像處理。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方法研究了壓裂縫與天然裂縫的相交機(jī)理，發(fā)現(xiàn)天然裂縫在很大程度上會(huì)影響壓裂縫的延展方向。Blanton[5]認(rèn)為，天然裂縫與壓裂縫的夾角大小和地應(yīng)力差共同控制著壓裂縫延展方向，當(dāng)兩者都較小時(shí)，壓裂縫將轉(zhuǎn)向天然裂縫方向；當(dāng)兩者都較大時(shí)，壓裂縫將穿過(guò)天然裂縫。Lamont和Jessen[6]指出，水力裂縫與天然裂縫的夾角在60°～30°時(shí)，水力裂縫將會(huì)轉(zhuǎn)向并且穿過(guò)天然裂縫。陳勉等[7]在水力壓裂模擬中發(fā)現(xiàn)，水力裂縫穿過(guò)了天然裂縫，兩者之間的夾角約為75°。馬耕等[8]也發(fā)現(xiàn)水力裂縫會(huì)先沿著天然裂縫面延伸，然后沿著天然裂縫尖端延展或者朝最大主應(yīng)力方向與天然裂縫的某個(gè)弱面突破。Warpinski等[9-10]觀察到水力裂縫的2種擴(kuò)展方式后，提出了判定天然裂縫剪切破壞的準(zhǔn)則。Beugelsdijk等[11]利用控制變量法研究了天然裂縫與壓裂縫之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)壓裂縫延伸狀態(tài)受天然裂縫影響顯著，且應(yīng)力差主要影響壓裂縫延伸方向。林鶴等[12]認(rèn)為，活動(dòng)性天然裂縫對(duì)壓裂縫的幾何形態(tài)有明顯控制作用，非活動(dòng)性天然裂縫則無(wú)明顯影響。夏彬偉等[13]利用物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同縫間距、應(yīng)力差、壓裂排量對(duì)水平井多裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響，結(jié)果表明，高應(yīng)力差條件下，誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)難以改變?cè)贾鲬?yīng)力的大??；降低裂縫轉(zhuǎn)向的角度，裂縫更容易形成平行于最大主應(yīng)力方向的橫切縫。壓裂效果的主控因素為天然裂縫與壓裂縫的夾角和水平主應(yīng)力差，其控制類型總結(jié)為滲透型、溝通型和捕獲型3種。

目前，對(duì)鄂爾多斯盆地天然裂縫發(fā)育特征，已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究工作[14-16]?？傮w來(lái)說(shuō)，臨興地區(qū)天然裂縫具有“高角度、小切深、小開(kāi)度、延伸短”的特征，而在分布上差異性較大，如位于巖性突變界面和不整合面上的節(jié)理密度較大。國(guó)內(nèi)有關(guān)臨興地區(qū)盒八段致密砂巖天然裂縫對(duì)壓裂效果的影響并不清楚。因此，筆者以鄂爾多斯臨興地區(qū)盒八段致密砂巖為研究對(duì)象，基于野外節(jié)理觀測(cè)及成像測(cè)井技術(shù)揭示研究區(qū)裂縫發(fā)育特征，利用微地震動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水力裂縫技術(shù)追蹤壓裂縫形成過(guò)程，深入分析天然裂縫對(duì)壓裂效果的影響，為今后致密砂巖壓裂方案提供指導(dǎo)性建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，面積約為37×104km2。該盆地自太古代-早元古代盆地基地形成以來(lái)，共經(jīng)歷了5期構(gòu)造演化，盆地現(xiàn)存構(gòu)造主要形成于喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)[17]。根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造特點(diǎn)，鄂爾多斯盆地可劃分為以陜北斜坡為主體的6個(gè)構(gòu)造帶，如圖1(a)所示。

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣的晉西撓褶帶上，橫跨臨縣、興縣，面積約為2 600 km2。臨興地區(qū)由老到新發(fā)育了奧陶系、石炭-二疊系、三疊系和第四系地層，地層傾角為1°～5°[18]。本次研究層段為下石盒子組砂巖，該段巖性以灰色、棕紅色泥巖與淺灰、灰黃砂巖互層為主，厚度大，總體表現(xiàn)為東南薄、西北厚的特點(diǎn)，砂地比(砂巖層厚度與地層厚度的比值)在0.34～0.68，與下伏山西組為整合接觸[19-20]。

臨興地區(qū)由于受印支、燕山、喜山等期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，斷層較發(fā)育，主要以逆斷層為主，走向主要為NW向、NE向和近SN向，基本發(fā)育在向斜、背斜等構(gòu)造部位[圖1(b)][21]。

2 天然裂縫發(fā)育特征

筆者采用野外地質(zhì)調(diào)查和成像測(cè)井解釋天然裂縫方法獲取了臨興地區(qū)天然裂縫的發(fā)育特征。受地層出露情況和地形地貌影響，實(shí)際野外節(jié)理觀測(cè)地點(diǎn)無(wú)法覆蓋整個(gè)研究區(qū)(表1)。因此，結(jié)合電成像測(cè)井方法對(duì)天然裂縫產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而查明研究區(qū)的天然裂縫發(fā)育特征。

天然裂縫在成像測(cè)井(圖2)中以正(余)弦函數(shù)曲線的形式表現(xiàn)[22]。正(余)弦函數(shù)的最低點(diǎn)(點(diǎn)A)表明了天然裂縫的傾角，中心點(diǎn)表示天然裂縫的傾向，傾角按式(1)計(jì)算。

圖2 成像測(cè)井解釋天然裂縫

tanγ=t/d

(1)

式中，t為正(余)弦函數(shù)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，m；d為鉆井井徑，m；γ為天然裂縫傾角，(°)。

野外地質(zhì)調(diào)查區(qū)域出露地層由頂?shù)降追謩e是石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組和本溪組地層，下石盒子組為重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，臨興地區(qū)以剪節(jié)理為主，節(jié)理面光滑平直，節(jié)理縫隙寬度穩(wěn)定；不同區(qū)域、不同層段的節(jié)理，在數(shù)量、方向和表面性質(zhì)都有差異：位于巖性突變界面和不整合面的節(jié)理密度較大，且節(jié)理一般終止于巖性突變界面和不整合面；應(yīng)力強(qiáng)度高的地方，節(jié)理長(zhǎng)度更大。下石盒子組底部節(jié)理具有高傾角、數(shù)量少且集中發(fā)育，像梯子一樣互相切割的特征(圖3)。野外節(jié)理觀測(cè)結(jié)果結(jié)合測(cè)井解釋該區(qū)天然裂縫大約400條，結(jié)果顯示，NEE、NNE、NWW和NNW為主要走向(圖4)，97%的天然裂縫傾角分布在50°～90°之間，傾角大于70°的天然裂縫比例達(dá)77%。由此判斷臨興地區(qū)天然裂縫具有高傾角的特征，這是因?yàn)榕R興地區(qū)地層傾角普遍小于5°，且喜山期和燕山期的水平擠壓應(yīng)力也較小[23]。

圖3 臨興地區(qū)野外節(jié)理觀測(cè)

圖4 臨興地區(qū)天然裂縫玫瑰花圖

分區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)，臨興地區(qū)發(fā)育兩組天然裂縫，北東區(qū)域以NNW向天然裂縫為主，輔以少量NE向天然裂縫；其他區(qū)域天然裂縫以NE向?yàn)橹?。這與臨興地區(qū)整體構(gòu)造有關(guān)(圖5)。

圖5 臨興天然裂縫平面分布

臨興地區(qū)自燕山期以來(lái)發(fā)育3種節(jié)理組合樣式[24]：第一種節(jié)理組合樣式的產(chǎn)狀為NNW向與NNE向，燕山運(yùn)動(dòng)早期，太平洋洋殼向西俯沖擠壓華北地臺(tái)，對(duì)鄂爾多斯東緣產(chǎn)生EW向擠壓應(yīng)力，所以第一種組合樣式形成于燕山早期；第二種節(jié)理組合樣式的產(chǎn)狀為NWW向與NNW向，燕山運(yùn)動(dòng)晚期，特提斯洋殼向北俯沖擠壓、太平洋板塊向NW向俯沖擠壓華北板塊，使盆地內(nèi)產(chǎn)生NW向擠壓應(yīng)力，形成了一系列NE向的小褶皺構(gòu)造，所以第二種組合樣式的天然裂縫應(yīng)形成于燕山晚期；第三種節(jié)理組合樣式產(chǎn)狀為NNE向與NWW向，形成于喜山期，是由于印度板塊與歐亞板塊碰撞，導(dǎo)致盆內(nèi)受到NE方向的擠壓應(yīng)力所致。

3 天然裂縫對(duì)壓裂效果的控制

3.1 天然裂縫對(duì)壓裂縫的控制

大量的壓裂縫物理模擬實(shí)驗(yàn)和野外露頭觀測(cè)[7-9]發(fā)現(xiàn)，天然裂縫與壓裂縫的夾角(逼近角)和水平主應(yīng)力差共同控制著壓裂縫遭遇天然裂縫時(shí)的延展情況，其基本類型可以分為3種[25-27]：

(1) 穿越型：逼近角和水平主應(yīng)力差都較大時(shí)，壓裂縫將穿過(guò)天然裂縫沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，如圖6(a)所示。

(2) 溝通型：逼近角較小、水平主應(yīng)力差比俘獲型大而小于穿越型時(shí)，壓裂縫將溝通天然裂縫，然后從天然裂縫的某個(gè)薄弱面突破，如圖6(b)所示。

(3) 俘獲型：逼近角和水平主應(yīng)力差都較小時(shí)，壓裂縫被較大規(guī)模的天然裂縫所捕獲，壓裂縫從天然裂縫的端部擴(kuò)展，如圖6(c)所示。

圖6 天然裂縫控制壓裂縫類型(據(jù)邊利恒[28]修改)

壓裂曲線的變化特征可以體現(xiàn)出天然裂縫對(duì)壓裂縫的控制類型[28]，結(jié)合天然裂縫發(fā)育特征將臨興地區(qū)壓裂曲線特征總結(jié)為以下3類：

(1) 上升型：最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NW，主應(yīng)力差大于20 MPa，逼近角大于60°，施工壓力在30～45 MPa，上升型壓裂曲線主要分布在北部、南部地區(qū)，以L-12為其典型代表，如圖7(a)所示。

(2) 平緩型：最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E，主應(yīng)力差小于15 MPa，逼近角在45°～60°，施工壓力在35～50 MPa。平緩型壓裂曲線分布在臨興地區(qū)北東部、中西部地區(qū)，以L-9井為其典型代表，如圖7(b)所示。

(3) 波動(dòng)型：最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镾SE，主應(yīng)力差在15～20 MPa，逼近角小于45°，施工壓力在35～50 MPa。波動(dòng)型壓裂曲線以L-8井為其典型代表，如圖7(c)所示。

圖7 壓裂曲線劃分類型

3種類型的壓裂曲線都有不同程度的波動(dòng)，只是波動(dòng)型的幅度更大、頻率更高，這可能是因?yàn)樵摼車烊涣芽p規(guī)模最大。

3.2 天然裂縫對(duì)壓裂效果的控制

在壓裂縫的破裂過(guò)程中，較大或密集破裂將引起較高的破裂能量釋放，而在其終端與周邊能量通常急劇地降低。這個(gè)高的能量梯度包絡(luò)區(qū)，即是裂縫的主體或輪廓。本文利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得壓裂縫的高度、長(zhǎng)度和傾向等參數(shù)(表2)，通過(guò)壓裂期間主要破裂能量梯度圖監(jiān)測(cè)壓裂縫的形成過(guò)程，結(jié)合天然裂縫的發(fā)育特點(diǎn)，系統(tǒng)分析天然裂縫對(duì)于壓裂效果的控制?；谔烊涣芽p對(duì)壓裂縫控制類型及其壓裂曲線，選擇L-101、L-103、L-8三井分析臨興地區(qū)天然裂縫對(duì)壓裂效果的影響。

表2 壓裂縫參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，L-103井盒八段地層最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W57°，水平主應(yīng)力差約為20 MPa，天然裂縫發(fā)育方向近似為NW28°，逼近角超過(guò)60°，壓裂曲線為上升型。通過(guò)對(duì)破裂能量梯度圖[圖8(a)]分析發(fā)現(xiàn)，在未受天然裂縫影響之前[圖8(a)(1)～(2)]，盒八段砂巖壓裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸；當(dāng)延伸到天然裂縫時(shí)，壓裂縫與天然裂縫呈大角度相交[圖8(a)(3)～(4)]，但因其水平主應(yīng)力差較大，只有SE向天然裂縫壓開(kāi)；壓裂縫穿過(guò)天然裂縫后，一直延著最大水平主應(yīng)力方向前進(jìn)[圖8(a)(5)]，并無(wú)方向上的改變。

圖8 L-103微地震監(jiān)測(cè)

這是典型的穿越型控制類型。一般情況下，壓裂縫在穿過(guò)天然裂縫時(shí)會(huì)使其膨脹開(kāi)啟，但此處水平主應(yīng)力差較大，天然裂縫周圍誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)難以改變?cè)甲畲笏街鲬?yīng)力，壓裂縫偏轉(zhuǎn)程度極低，且較大逼近角導(dǎo)致更多能量用于壓裂造縫，無(wú)法開(kāi)啟天然裂縫，壓裂縫總體形態(tài)呈長(zhǎng)條形。在相同施工壓力條件下，該井縫網(wǎng)波及體積不及L-101井的一半，其壓裂效果較差。

L-101井盒八段地層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W29°，水平主應(yīng)力差為9 MPa，天然裂縫發(fā)育方向?yàn)镹W74°，逼近角40°，其壓裂曲線為平緩型。對(duì)L101井盒八段地層破裂能量梯度圖(圖9)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，壓裂縫與天然裂縫相交后[圖9(a)(4)]，延伸方向偏向SE向，這是因?yàn)閴毫芽p溝通天然裂縫并從某個(gè)薄弱面突破，據(jù)此判斷該井天然裂縫控制壓裂縫的模式為溝通型。在水平主應(yīng)力差較小條件下，天然裂縫周圍誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)將改變?cè)贾鲬?yīng)力，壓裂縫延伸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[圖9(a)(5)]，且較小逼近角導(dǎo)致天然裂縫部分開(kāi)啟，所以該井壓裂縫總體形態(tài)呈長(zhǎng)條形，但較L-103井(穿越型)更寬，縫網(wǎng)波及體積達(dá)13.86×105m3，壓裂效果更好。雖然L-101井與L-103井的逼近角相差20°，但水平主應(yīng)力差較小仍是L-101井壓裂效果更好的主要原因。

圖9 L-101微地震監(jiān)測(cè)

L-8井盒八段地層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小水平主應(yīng)力方向約為NE55°，水平主應(yīng)力差約為19 MPa，天然裂縫發(fā)育方向在NE77°左右，波動(dòng)型壓裂曲線。通過(guò)對(duì)L-8井盒八段地層能量梯度圖研究可知，天然裂縫與壓裂縫以45°相交[圖9(a)(5)]，水平主應(yīng)力差較大，導(dǎo)致壓裂縫總體形態(tài)更復(fù)雜。綜合判斷該井的控制類型，應(yīng)該劃分為俘獲型與穿越型的復(fù)合模式：壓裂縫一方面沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，同時(shí)沿著天然裂縫端部擴(kuò)展，所以出現(xiàn)兩個(gè)壓裂縫，主壓裂縫走向平行于最大水平主應(yīng)力方向，次壓裂縫走向近似平行于天然裂縫。這是因?yàn)長(zhǎng)-8井水平主應(yīng)力差較大，最大水平主應(yīng)力不易被天然裂縫周圍的誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)所影響，壓裂縫方向不改變，而較小的逼近角有利于天然裂縫的開(kāi)啟，所以L-8井次壓裂縫發(fā)育，波及體積達(dá)到26.46×105m3，這種情況的壓裂效果是最好的。與L-103典型的穿越型對(duì)比可知，逼近角越小，壓裂效果越好。

圖10 L-8微地震監(jiān)測(cè)

天然裂縫開(kāi)啟效果越好意味著壓裂效果越好，通過(guò)對(duì)比三井壓裂效果發(fā)現(xiàn)，穿越型控制類型壓裂效果最差，溝通型較好，俘獲型最好；較小的逼近角及水平主應(yīng)力差有利于天然裂縫的開(kāi)啟，壓裂效果好。但值得注意的是，壓裂區(qū)域水平主應(yīng)力差是確定的，逼近角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致天然裂縫只開(kāi)啟一側(cè)，而較大的逼近角將會(huì)使壓裂縫直接穿過(guò)天然裂縫，這都將導(dǎo)致壓裂效果無(wú)法最大化，所以應(yīng)根據(jù)具體情況選擇逼近角大小。當(dāng)壓裂區(qū)域水平主應(yīng)力差較大時(shí)，應(yīng)選擇較小的逼近角，以溝通型控制類型壓裂為宜；當(dāng)壓裂區(qū)域水平主應(yīng)力差較小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加逼近角大小，以俘獲型控制類型壓裂可以達(dá)到最佳壓裂效果。

4 結(jié) 論

(1) 野外節(jié)理觀測(cè)及成像測(cè)井技術(shù)解釋結(jié)果表明，臨興地區(qū)天然裂縫優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)镹EE、NNE、NWW和NNW；NW向天然裂縫形成于燕山晚期，NE向天然裂縫形成于喜山期；盒八段地層傾角小于5°導(dǎo)致天然裂縫傾角普遍偏大；臨興東北部以NW向天然裂縫為主，其余地方以NE向?yàn)橹鳌?/p>

(2) 臨興地區(qū)盒八段砂巖壓裂曲線分為3類：溝通型壓裂曲線，主應(yīng)力差小于15 MPa，逼近角在45°～60°，主要分布在北東、北西部地區(qū)；俘獲型壓裂曲線，主應(yīng)力差在15～20 MPa，逼近角小于45°，主要發(fā)育在中西部；穿越型壓裂曲線，主應(yīng)力差大于20 MPa，逼近角大于60°，主要分布在北、南部地區(qū)。

(3) 對(duì)比三井壓裂效果發(fā)現(xiàn)，穿越型控制類型壓裂效果最差，溝通型較好，俘獲型最好；較小的逼近角及水平主應(yīng)力差利于天然裂縫的開(kāi)啟；當(dāng)壓裂區(qū)域水平主應(yīng)力差較大時(shí)，應(yīng)選擇較小的逼近角，以溝通型控制類型壓裂為宜；當(dāng)壓裂區(qū)域水平主應(yīng)力差較小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加逼近角大小，以俘獲型控制類型壓裂可達(dá)到最佳壓裂效果。