页岩气储层大规模压裂开采引起的断层活化研究

Shale gas is a new energy type and the horizontal well fracturing is a vital tool to achieve effective production. Under the condition of large-scale fracturing stimulation, faults may be reactivated. The impact of fault reactivation on fracturing results is a critical problem in the successful development of shale gas production. Aim at this problem, the shale gas production base of Yanchang petroleum was studied in this project. Given the special geological conditions and engineering characteristics of the shale reservation, the distribution characteristics and structural relations between the shale reservoir and faults were clarified. The mechanisms of fault reactivation were revealed, and the mechanical criteria were established by studying the distribution and change features of stress field induced by fracturing stimulation through theoretical analysis, numerical simulation, and physical simulation methods. The impact of fault reactivation on fracturing results was studied from the perspective of principal stress changes and crack expansion. These study results can provide scientific basis to the safety and effective production of shale gas in future.

页岩气作为一种新型能源，水平井压裂技术是其高效开发的关键手段。在大规模压裂开采作用下，页岩气储层中的断层构造可能会被诱发活化，而断层活化对页岩气储层压裂效果的影响，是页岩气成功开发所关注的重要问题。针对这一问题，本项目以陕西延长石油页岩气开发工程为背景，立足页岩气储层的地质构造条件与开采技术，在综合分析断裂对储层沉积建造的控制作用以及储层与断层之间的构造关系的基础上，通过理论解析、数值计算和物理模拟，分析大规模压裂开采引起储层应力场的变化规律，揭示储层开采引起断层活化的机理，建立断层活化的力学判据；研究断层活化导致储层主应力取向发生偏转对后续储层压裂的影响，揭示不同类型断层活化对储层压裂裂缝扩展的控制作用，探索断层活化对储层压裂效果的影响规律。本项目研究成果可为页岩气的安全、高效开发提供科学依据。

在大规模压裂开采条件下，页岩气储层范围内潜在的断层活化问题是影响页岩气高效开发的重要问题。针对这一科学问题，本项目在综合考虑储层与断层之间的构造关系及水力压裂参数动态变化等特点的基础上，通过储层地质模型构建、断层封闭性要素识别、断层活化判据、缝网扩展与流体运移相互作用等分析工作，建立了页岩气储层大规模压裂开发有关的断层裂隙结构活化破坏分析模型与力学判据。经过四年的研究工作，取得了如下方面的研究成果：（1）针对页岩气开发中的储层封闭性特点，提出了页岩气储层内断层封闭性的原理、机理和评价方法；（2）提出了压裂开发引起的应力场变化对断层稳定性、断层滑移倾向性、临界空隙流体压力的影响机制和计算方法（3）论证了大规模水力压裂对断层稳定性的影响及诱发大尺度断层活动的危险性；（4）提出了储层尺度和区域尺度水力裂缝扩展高度的影响因素和扩展机理；（5）采用渗流-应力-损伤耦合计算分析的模拟方法，阐明了页岩气压裂开采过程中不同尺度结构面对水力裂隙扩展及缝网的影响规律与机理；（6）采用多场耦合的计算分析方法，阐明了断层影响下的单井与多井压裂储层水力破坏破坏范围、岩层破坏导水高度及储层封闭性等问题；（7）从套管与围岩相互作用角度，揭示断层面附近套管弯曲、错断现象的原因，建立了页岩气开发区断层蠕滑变形导致的水平井套管损坏的力学模式和判别方程；（8）从细观尺度研究了断层活化的力学过程和贯通机制，提出了拉剪条件下的岩桥破坏机理；（9）从压裂储层缝网应力衰减、蠕变变形等对裂缝系统渗透性的影响角度，研究了压裂导致的缝网活化后期的流体运移及缝网渗透性变化规律。上述研究成果实现了本项目的各项研究计划目标，定性和定量回答了页岩气开发过程中断层封闭性、稳定性、滑移扩展与流体运移等多方面的科学问题，对页岩气开发过程中的断层力学与灾害评价防治具有重要科学意义。