页岩各向异性特征及其对水力压裂裂缝扩展的影响

Hydraulic fracture propagation in the shale reservoir is directly related to the production of shale gas, while it will be influenced by the anisotropic characteristics of gas shale. Consequently, it is very important to carry out the study on the anisotropic characteristics of gas shale and its influence on the hydraulic fracture growth. The micro constitutent (mainly clay mineral and kerogen) and structure, macro acoustic characteristics (compressive and shear wave speed, Thomsen anisotropy parameters), deformation characteristics (Young’s moduli and possion’s ratios at different directions) etc. have been studied to understand the anisotopy of shale, however, the strength characteristics including UCS, tensile strength, cohesion and frictional angle, which may determine the hydraulic fracturing, need to be a deep research. In this project, the UC tests, Brazilian tests and direct shear tests will be conducted on the shale samples with different dip and dip angles of laminations from different locations to learn their anisotropic characteristics, and the micro constitutent and structures and macro acoustic characteristics will be combined to build the relationship between the geophysical and mechanical anisotropic characteristics. Based on the above obtained knowledge, the laboratory hydraulic fracture tests on the shale samples with different dip and dip angles of laminations from different locations to analyze the influence of anisotropy on the mechanism (tensile or shear) and path of hydraulic fractures in shale.

页岩储层中水力压裂裂缝的扩展会直接影响页岩气的产量，而页岩的各向异性特征会影响水力裂缝的扩展，所以研究清楚页岩的各向异性特征，并基于此研究其对水力裂缝扩展的影响具有重要的意义。国内外学者已从页岩的微观组分结构（黏土矿物、干酪根）、宏观声学特征（纵横波速及基于此的Thomsen各向异性参数）、变形特征参数（弹性模量、泊松比）等角度对页岩的各向异性特征有了一定的认识，但与裂缝扩展更直接的强度特征如抗压强度、抗拉强度及抗剪强度（粘聚力、内摩擦角）等研究尚显不足。本项目拟通过对取自不同位置含不同方向岩层的页岩试件进行室内单轴压缩实验、劈裂试验及直剪试验来研究其强度各向异性特征，并与对应试样的微观组分、宏观声学特征等对照，建立地球物理参数与压裂强度各向异性特征之间的关系。在此基础上利用具有不同各向异性特征的岩样进行室内水力压裂试验，分析页岩各向异性特征对水力裂缝扩展机理（张拉或剪切）及路径的影响。

页岩储层通常具有不同程度的各向异性特征，进而对水力压裂裂缝扩展产生影响。本项目对此展开研究，主要有以下几个方面：（1）页岩强度各向异性特征。通过对不同倾角及不同围压条件下龙马溪组页岩的室内实验，结合文献中不同页岩的实验数据，发现页岩随围压升高表现出不同的强度各向异性特征，提出应该基于强度之比与强度之差两方面指标来描述页岩的强度各向异性特征。结合实验数据与数值分析，发现页岩结构面的粘聚力与摩擦角是不同围压条件下页岩强度各向异性特征的主控因素，并分析了其作用机理。为深入分析页岩的强度各向异性特征，还利用近似为各向同性的花岗岩试件进行了对比分析；（2）页岩变形各向异性特征。通过数值分析成功实现了对含不同倾角与连通率结构面的页岩在单轴压缩条件下的不同变形特征的模拟，并通过定量化的分析发现，结构面的张开与闭合，以及结构面强度的启用情况是不同变形特征的关键因素。另外还研究了不同倾角页岩的峰后变形特征，认为页岩结构面密度及抗剪强度对其峰后变形特征有较大的影响；（3）损伤演化各向异性特征。通过对不同倾角及围压条件下页岩试件的循环加卸载实验，基于能量耗散分析定义了损伤变量，并建立了可考虑页岩倾角与围压的损伤演化方程。发现本研究所采用的龙马溪组页岩在随着围压升高的条件下，其损伤演化特征表现出越来越显著的各向异性；（4）通过真三轴条件下的页岩水力压裂试验，研究了水力压裂裂缝扩展的特征。通过试件表面裂缝观测、高能加速器CT扫描对内部压裂缝网空间展布的探测、以及声发射信号动态监测等方法，总结了水力压裂裂缝在遇到天然结构面时的四种基本扩展模式，并且发现大部分水力压裂裂缝沿天然结构面扩展，大部分压裂裂缝为剪切破裂机制。该研究对认识不同埋深及地应力条件下的页岩储层各向异性特征、对页岩压裂优化设计等都有较好的理论指导意义。研究所发现的损伤演化特征以及裂缝扩展特征，可以为进一步建立数值模型提供依据。