0.   引言

煤系页岩储层在纵向上交替发育页岩、煤岩及灰岩等多类含气产层。由于各类含气层交替发育，单层厚度小（0.5~3 m）、累计厚度大（20~30 m），难以分层开采，通过水力裂缝在纵向上沟通多套储层可综合开采多种非常规天然气。目前，储层厚度大、岩性单一的页岩储层已经实现了商业开采^[1]，煤系多类型气藏共同开发受到了国内外高度关注，澳大利亚Surat盆地及中国鄂尔多斯盆地等地区开展了先导性试验^[2]，但关于复杂煤系页岩压裂裂缝扩展的机理认识不清晰。

为实现煤系页岩储层多气共采的高效开发，关键在于确保水力裂缝穿透不同岩层，同时沟通储层天然裂缝系统获得最大化的缝网展布^[2]。刘合等^[3]基于数值散斑技术研究了层状砂泥岩相似材料中干裂缝的垂向拐折扩展行为，研究发现有限厚度的石膏层在裂缝垂向扩展过程中软石膏层会产生剪切应变，诱导产生Ⅱ型剪切裂缝，最终导致裂缝的偏移及错动。对于单层页岩、砂岩等储层的缝高扩展行为，研究发现层理面对缝高延伸规律有重大影响，且多裂缝间存在干扰^[4-7]。谭鹏等^[8]开展大量真三轴试验，总结了四川盆地不同埋深龙马溪页岩水力裂缝缝高延伸形态，在此基础上，采用有限元方法，定量表征层理强度与地应力两大主控因素对缝高扩展的影响，揭示了不同埋深页岩水力裂缝纵向穿层扩展规律。Zhang等^[9]建立了耦合裂缝中流体流动的准三维位移不连续模型，研究层状岩石中缝高的增长，随后Tang等^[10-11]和Xie等^[12]开发了全三维的位移不连续模型，研究了叠层页岩中水平弱结构面对缝高的限制作用，并发现了剪切位移不连续引起的垂向缝宽跳变对缝高增长的影响机制。针对煤系地层，孟尚志等^[2]、Wan等^[13]对露头岩石进行加工，开展了砂–煤及页–煤组合体物模试件真三轴压裂试验，初步掌握了层间胶结强度对水力裂缝穿层扩展影响，并发现了水力裂缝垂向非对称延伸的特征。Fu等^[14]建立了煤系页岩储层水力裂缝穿层扩展的三维数值模型，研究了层间渗透率和储层及隔层最小水平应力差对穿层扩展的影响。

煤系页岩地层在纵向上岩性变化差异大，层间地应力差、界面特性、岩石力学性质、渗透率等地质因素和施工排量、压裂液黏度等工程因素均会影响水力裂缝的穿层效果。煤系页岩储层裂缝形态与页岩、煤岩以及常规砂泥岩裂缝形态差异极大，穿层规律更为复杂。为此，笔者设计了煤系页岩的人工试样，开展多岩性组合层状岩石的物理模拟试验，研究垂向应力差系数、压裂液注入速率以及天然弱面对水力裂缝起裂方向、穿层条件以及扩展规律的影响，试验结果可为认识煤系页岩压裂裂缝扩展行为及指导现场压裂改造提供参考。

1.   试样制备与试验方案

1.1   试样制备方法

根据煤系地层特点，制备煤岩–页岩–煤岩、煤岩–页岩–灰岩两种物模多岩性组合试件。页岩储层的典型特征是层理发育；煤岩储层除层理发育外，还发育两组相互正交的割理系统，即面割理与端割理；灰岩较为致密，故不模拟弱面结构。试验中，通过预制较薄的打印纸模拟页岩及煤岩层理，利用较厚的铜版纸模拟煤岩割理系统^[15]。同时，通过调节石英砂、水泥、煤粉与水的配比，模拟不同岩石基质的弹性模量、泊松比、岩石强度等岩石力学参数（测试结果如表 1所示）。下面以煤岩–页岩–灰岩试件为例，说明岩样详细具体制备方法，如图 1所示。

表  1  不同岩性人工试样岩石力学参数

Table  1.  Summary of mechanical parameters of rock

岩性	质量比 (石英砂︰水泥︰ 煤粉︰水)	弹性 模量 /GPa	泊松比	抗张 强度 /MPa	抗压 强度 /MPa
煤岩	5︰0.92︰1︰1	5.23	0.34	0.60	11
页岩	5︰1.03︰0︰1	11.45	0.23	1.87	18
灰岩	5︰1.52︰0︰1	21.79	0.17	5.96	36

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图  1  试样制备流程图

Figure  1.  Process of preparing samples

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（1）基浆准备。按照表 1中不同材料的配比，准备模拟页岩、煤岩及灰岩的基浆。

（2）岩石薄板制作。煤岩薄板：分两层浇筑厚度为100 mm的煤岩薄板，打印纸模拟煤岩层理，层内预制相互正交的铜版纸模拟煤岩割理系统，并确保端割理交叉分布于平行的面割理之间。灰岩薄板：忽略灰岩层中的天然裂缝，直接将准备好的灰岩基浆浇铸于模具内形成厚度为100 mm的灰岩薄板。

（3）压裂试件制备。将两块成型的煤岩薄板及灰岩薄板置于模具两侧，并将带有裸眼段的钢制井筒倒装于模具中心，随后向模具中浇铸预先准备好的页岩基浆。待基浆浇铸完成后，采用特制钢板将打印纸预制于页岩层中，模拟页岩层理面，页岩共预制两层层理面。室内养护，待岩石干燥成型，最终形成尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的压裂试件。

1.2   试验装置与方案

试验装置采用自主设计的大尺寸真三轴试验系统。以^#2试样为例，上层岩性为煤岩，中层为页岩，下层为灰岩。为模拟煤系页岩储层水平井压裂过程，施加三向应力时，沿着井筒方向施加最小水平地应力，垂直层理面方向施加垂向地应力，加载方式如图 2所示。

图  2  水平井地应力加载示意图

Figure  2.  Schematic diagram of horizontal well in-situ stress loading on samples

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共设置4组试验，起裂层位于页岩层，重点考察地应力、压裂液注入速率及弱结构面对水力裂缝穿层扩展规律的影响。根据D区块现场资料，三向地应力分别为67.31，66.54，65.06 MPa和67.31，66.54，60.14 MPa，3km左右地层压力约为45 MPa，先计算有效应力，进而根据下式计算垂向应力差系数的范围：

式中，K_v为垂向应力差系数，σ_v，σ_h分别为垂向有效地应力和最小水平有效地应力（MPa）。

采用小排量10 mL/min模拟现场排量5 m³/min，采用大排量20 mL/min模拟现场排量10 m³/min，试验参数依据相似准则确定^[16-17]，具体参数设置见表 2。

表  2  试验参数设计表

Table  2.  Summary of test parameters

试样编号	组合类型	垂向应力差系数	三向有效地应力/MPa			注入速率/ (${{\text{mL}}} \cdot {{\text{mi}}}{{{\text{n}}}^{ - {{\text{1}}}}}$)	黏度/ (${{\text{mPa}}} \cdot {{\text{s}}}$)
			${\sigma _{{\text{v}}}}$	${\sigma _{{\text{H}}}}$	${\sigma _{{\text{h}}}}$
#1	煤岩-页岩-煤岩	0.10	22	21	20	20	3
#2	煤岩-页岩-灰岩	0.10	22	21	20	20	3
#3	煤岩-页岩-煤岩	0.47	22	21	15	10	3
#4	煤岩-页岩-灰岩	0.47	22	21	15	20	3

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2.   试验结果

试验结束后，将各试样沿裂缝面劈开，根据示踪剂分布特征观察水力裂缝扩展形态，实际压后裂缝几何特征及三维裂缝重构如图 3所示。图 3中左侧为真实试件压后裂缝形态，右侧为三维裂缝重构图。红色区域表示主裂缝，蓝色区域表示激活的层理面，黄色区域表示煤岩中激活的割理系统。

图  3  试件压裂后水力裂缝形态

Figure  3.  Fracture geometry of sample after fracturing

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观察4组试样压裂试验结果，发现水力裂缝几何形态表现出一定的相似性。水力裂缝于页岩中起裂并扩展，形成较为单一的横切裂缝或横切缝与两翼缝组合的两种主裂缝类型，主裂缝扩展时可诱导压裂液沿层理面流动，激活页岩层理。水力裂缝垂向扩展过程中，依据裂缝与弱结构面交叉作用的不同，裂缝形态表现为阻断、滑移或转向、穿透3种类型。^#1，^#3试样起裂后形成横切缝与两翼缝组合的主裂缝，水力裂缝穿透两层页岩层理，纵向扩展至页–煤界面时停止扩展，表现为裂缝扩展阻断，如图 3（a），3（c）所示；^#2试样水力裂缝起裂后形成单一横切主裂缝，纵向扩展遭遇上侧层理时发生滑移转向，下侧扩展至页—灰界面遇阻并停止扩展，如图 3（b）所示；^#4试样起裂后形成连通3种岩性的主裂缝，水力裂缝穿透两层页岩层理，向下扩展穿透页—灰界面，灰岩中弱结构面较少，裂缝形态相对简单。向上穿透页—煤界面，并在煤层中充分扩展、激活大量煤岩割理系统，形成复杂裂缝网络，如图 3（d）所示。

3.   裂缝穿层扩展及裂缝网络化

3.1   垂向应力差系数对裂缝穿层扩展的影响

周健等^[18]引入水平应力差系数研究了裂缝性储层水力裂缝在水平面上的行为，研究得到水平应力差系数越大，水力裂缝越容易穿过天然裂缝扩展。本文为研究多岩性组合层状试样水力裂缝穿层扩展行为，引入垂向应力差系数，定义为垂向有效地应力和最小水平有效地应力的差值与最小水平有效地应力的比值。

Tan等^[19]在研究层状页岩地应力与穿层关系中得到垂向应力差系数小于0.2时，在垂直方向上容易形成横向随机裂缝，垂向扩展高度短；垂向应力差系数为0.2~0.5，形成连接多层理、垂向穿层的“鱼骨刺”复杂网络裂缝。试验结果表明，在不同垂向应力差异条件下，^#2，^#4试样水力裂缝形态差异显著（图 3，4）。^#2试样垂向应力差系数小，水力裂缝形态较为扭曲、垂向延伸距离短、水平展布范围大，压裂液流经区域呈辐射状扩散，扩展至页—灰界面时发生明显阻断，最终无法穿透页—灰界面。^#4试样垂向应力差系数0.47，水力裂缝在纵向上充分扩展，穿透页岩中的多个层理及上下岩性交界面，沟通上部煤岩与下部灰岩，主裂缝垂向延伸距离大。也验证了Tang等^[11]在数值模拟中得到类似的结论，垂向应力与水平最小主应力差值越大，层理面不易发生剪切滑移，垂向裂缝易穿过层理面。对比结果可知，垂向应力差系数是影响水力裂缝形态及穿层扩展效果的关键参数，垂向应力差系数越大，对裂缝的控制作用越强，形成的横切缝越易穿透岩性交界面；反之，垂向应力差系数越小，缝高穿层扩展受阻。

图  4  ^#2，^#4试样裂缝扩展形态对比

Figure  4.  Schematic comparison of fracture penetration of samples ^#2 and ^#4

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分析内在机理在于水力裂缝垂向扩展至天然弱面后，弱结构面是否发生剪切滑移主要取决于弱面黏聚力、摩擦系数及作用于弱面的有效正应力^[18]。储层弱面粗糙程度一定的情况下，黏聚力与内摩擦系数不变，垂向应力差系数越大，作用在弱面的有效正压应力越大，界面越不易发生剪切滑移，水力裂缝越容易穿透扩展。

3.2   注入速率对裂缝穿层扩展的影响

压裂液注入速率可为水力裂缝扩展提供动力，压裂液的注入形成缝内憋压，当水力能量大于裂缝扩展临界值时，水力裂缝开始扩展。同时，压裂液注入速率越大，水力能量越大，裂缝扩展能力越强。

对比^#3，^#4试样压裂结果可知，注入速率越大，缝内水力能量越大，对煤—页交界面冲击力越大，越容易穿过岩性交界面。^#3试样注入速率低，水力裂缝缝高延伸距离短，无法形成主裂缝，扩展至页岩层理时易发生转向；^#4试样注入速率高，水力裂缝穿透界面上下连通所有岩层，同时，在煤层中激活了大量的割理系统，改造区域呈长轴沿最大水平地应力方向的椭圆形（见图 5（a）），裂缝形态较为复杂，以往学者在研究延时压裂对裂缝形态的影响时也验证了这一现象，增大注入速率对增加裂缝网络复杂性有积极作用，如图 5（b）所示^[20]。

图  5  ^#4试样煤岩中椭圆形渗透区局部图和不同注入速率下裂缝路径复杂程度^[20]

Figure  5.  Partial view of elliptical permeability zone of coal in sample ^#4 and complexities of hydraulic fracture path under different flow rates

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然而，水力裂缝能否穿透界面是地质与工程因素综合作用的结果，并非提高注入速率穿透效果越好，如^#1，^#2试样，由于垂向应力差系数小，即使在高注入速率条件下也未实现水力裂缝的穿层扩展。因此，在类似地层实现煤系页岩储层一体化压裂改造时，需要选择高垂向应力差系数的层位进行压裂，优选排量为10 m³/min大排量以促进水力裂缝穿层效果。

3.3   弱结构面对裂缝穿层扩展的影响

本文制备的煤—页—煤组合与煤—页—灰组合煤系页岩压裂试件，不同岩层间除弹性模量及泊松比等力学参数存在差异外，层间发育的天然裂缝、层理面、煤岩割理以及岩性交界面等弱面结构性质差异显著。水力裂缝扩展方向遵循阻力最小、能量损耗最低、路径最短原则，如^#4试样，水力裂缝穿透至煤层后，水力裂缝难以劈裂煤岩基质，主要沿薄弱的割理系统延伸，最终形成复杂裂缝网络（见图 5（a））。观察示踪剂分布规律也可发现，压裂液主要分布于割理系统周围，煤岩基质并未形成明显劈开裂缝。

研究结果显示，由于水力裂缝扩展至弱结构面时可发生阻断、滑移或转向、穿透以及组合模式，导致水力裂缝缝高上呈现非对称扩展规律，压裂形态图版如图 6所示。这些发育的弱结构面一方面可诱导压裂液滤失消耗水力能量，造成水力裂缝内部净压力降低，抑制垂向穿层扩展，如^#1，^#2，^#3试样（图 3）裂缝最终止于页岩层理或岩性界面，无法穿透连通上下岩层；另一方面促进水力裂缝转向扩展，增加裂缝扩展复杂程度（如^#4试样，激活了大量煤岩割理系统）。同时有学者采用数值模拟方法研究水力裂缝和弱结构面相互作用关系时发现垂向应力与水平应力差异大，注入速率高，有利于裂缝穿透弱面结构^{[11-12, 21]}，与本文物理模拟试验结论相互吻合。

图  6  压裂后裂缝垂向扩展形态

Figure  6.  Schematic diagram of vertical propagation geometry of hydraulic fractures after fracturing

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3.4   泵压曲线特征分析

由于层理，岩性界面，煤岩割理，排量，地应力差异等均对水力裂缝形态造成影响，通过破裂压力曲线的升降可展示压裂过程中裂缝扩展进程以及水力裂缝与弱结构面的相互作用关系。图 7中表示，^#1试样裂缝在A点起裂后发生裂缝扩展，AB阶段在页岩基质中垂向扩展，B点出现压力波动，穿透页岩层理，C点扩展至岩性交界面，压力波动下降，随后裂缝在岩性界面出发生剪切滑移，泵压整体较平稳，这是因为人工页岩试样较为均质，裂缝扩展稳定，仅在弱结构面处会发生压力的降低。^#2试样与^#1试样类似，整体曲线波动较小。^#3试样注入速率较其他组试验低，破裂时间延后，在G点发生破裂，在H点穿过两层层理并发生裂缝的非平面扩展。^#4试样在高垂向应力差系数及高注入速率下，容易穿过层理垂向扩展，在I点起裂后发生压力骤降，分析原因是裂缝穿过煤页界面，形成短暂的剪切滑移后，J点继续垂向扩展至煤岩中，煤岩中割理弱结构面较为丰富，在高注入速率下压力耗散多，结果在煤岩中形成复杂裂缝网络。在煤岩中形成稳定裂缝后，在K点，裂缝憋压向下扩展至灰岩中直至发生漏液。在垂向应力差系数0.47，注入速率为20 mL/min下，水力裂缝穿过3层层理及2层岩性界面，该条件下地层储层改造效果最佳。在现场尺寸地层因素下，曲线更为复杂，可参考模拟试验的曲线特点，现场煤系储层可利用泵压曲线骤降识别水力裂缝是否垂向穿层扩展至煤层，来评价压裂效果。

图  7  压裂过程中泵压曲线

Figure  7.  Pump pressure curves during hydraulic fracturing

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4.   结论

根据煤系地层多岩性组合特征，提出了一种模拟煤系页岩储层压裂的人工试样制备方法。通过室内真三轴物模试验，研究了岩性弱结构面，地应力与压裂液注入速率等多因素对水力裂缝穿层扩展行为的影响，主要得到3点结论。

（1）在煤系页岩储层中，水力裂缝极易沿天然层理、岩性交界面及割理系统等弱结构面转向扩展，水力裂缝往往呈现非对称扩展特征，压裂液沿这些弱面非对称流动。

（2）垂向应力差系数为0.1，水力裂缝更易被弱结构面捕获，垂向应力差系数为0.47，有利于水力裂缝在储层间的相互连通。水力裂缝穿透至煤岩中可激活割理系统形成复杂裂缝网络，压裂液渗透并改造的煤岩区域呈以最大水平主应力为长轴的椭圆形。

（3）页岩层中的弱层理面与岩性交界面会耗散水力能量，限制裂缝穿层效果。建议类似煤系储层压裂施工过程中，避免选择储层层理面发育层位实施压裂，采用10 m³/min大排量可增加穿层扩展的可能性。