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延长陆相页岩气储层体积压裂缝网形成机理研究
陆相页岩气是指分布于陆地上的含有可开采天然气的页岩岩石。由于就地产出的能源，陆相页岩气开采具有天然气输送途中不会出现输送损耗以及对环境的影响较小等优势，近年来受到了广泛的关注。而针对储层模拟已经成为了评估气田前景的重要手段之一，但是其中储层压裂缝的形成与演化机理仍有待于研究和探讨，本文基于此展开深入研究。
首先我们需要了解的是，储层压裂缝的形成是伴随着压力的聚集与释放而来的，而岩层在岩石学上通常是一种不均质且有各向异性的体系，所以当外部应力作用于岩体时，岩体在岩石学上通常会发生破裂变形，导致岩石内部形成压裂缝，储层的压裂缝产生的位置和形状与岩石内部的应力场密切相关。
当岩石内部应力场达到一定程度时，岩石中的微裂纹开始扩展并逐渐形成裂缝，裂缝的扩展方向和速度也决定了裂缝的形态与大小。有研究表明，岩石内部的应力状态变化对于裂缝的扩展及其方向具有关键影响，通常在高的应力状态下，裂缝的扩展会更加容易，同时也会呈现水平扩散的趋势。在压裂作业中，岩石的处于高的应力状态，此时岩石体需要承受来自上部的应力，被压缩后形成压缩区域，此区域中的岩石在受到应力作用时，内部微裂纹加速扩展，产生的裂缝与方向在内部的应力状态决定下形成一定的规律性，即与水平方向垂直且平行于主应力方向。此外，压裂作业施加声波作用时会对岩石内部造成额外的振动应力，也会加速岩石微裂纹的扩展和裂缝的形成。
在实际生产中，压裂缝的形成与闭合状态一直是考察储层开发潜力的重要指标之一。岩石内部的裂缝状态又代表储层自然透气性和渗透性的变化。本文中考虑模拟一种新型的压裂技术，即重力-攀爬式压裂技术（GCFT），该技术在压裂过程中引入外部悬挂重物的作用，减轻岩石受压缩应力造成的岩石破碎现象，提高了储层的裂缝面积与产气能力。据此，我们首先对该技术在陆相页岩气储层的压裂效果进行测试，测定了该技术下岩石压裂缝的产生数量与分布规律。然后对于压裂缝在内部应力环境下的形成机理，我们基于分析岩石微裂纹扩展的过程，提出了适用于该技术的岩石破坏力学模型，并通过实验结合数值模拟的方法，在基础储层参数的条件下，探讨了岩石本身物理力学特性、外部应力场对岩石力学特性的影响，通过此模型将压缩作用下的微裂纹扩散过程模拟出来。
研究结果显示，GCFT技术在岩石压裂中发挥了优异的效果，压缩之后，岩石内部的水平裂缝压缩成为了竖直扩散的裂缝，裂缝面积增加，储层产出也随之增加。此外，该技术下，岩石内应力的变化量随着施力时间的持续增加略有下降，达到一定稳定状态。我们将此归结到岩石内部微裂纹扩展速度随时间增加逐渐减慢，导致应力变化速率逐渐降低的过程。
在本文中，我们详细介绍了外部应力对于岩石微裂纹扩展和裂缝形成的影响，提出了压裂缝形成的特征及影响因素，并在实验方面结合了数值模拟技术，开创了GCFT技术应用于陆相页岩气的压裂新方式，开辟了针对于压裂缝形成与演化机制的一定研究途径，希望能够为推动陆相页岩气储层开采研究与实践发展做出一定的贡献。