基于有限元方法的层理弱面对页岩水力裂缝扩展影响规律

来源：石油科学通报杂志2025年第4期北京时间：

作者：王菲, 刘伟, 邓金根, 李东刚, 谭雅文, 冯永存

单位：1 中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 1022492 中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室，北京 1022493 大庆油田有限责任公司采气分公司，大庆 163000

摘要：层理弱面是页岩储层水力裂缝扩展的关键控制因素。本文以临兴气区页岩为研究对象，通过室内岩石力学实验明确该区域页岩基质和层理力学特征；建立了含层理弱面的“应力—损伤—渗流”多场耦合三维FEM-CZM模型(Finite Element Method-Cohesive Zone Model)，引入考虑层理界面摩擦及胶结强度的层理接触本构，系统分析层理初始水力开度、摩擦系数、胶结强度、井周层理数目以及压裂施工参数对层理剪切滑移和裂缝扩展的影响。研究结果表明，层理干扰使水力裂缝扩展机制复杂，张拉和剪切裂缝共存。相比胶结强度，层理摩擦系数对裂缝穿层行为起主导作用；高摩擦系数促使裂缝抵抗层理干扰而更早穿层，且层理剪切缝范围减小。低摩擦系数及弱胶结强度时缝高扩展受阻；层理胶结增强会削弱层理滑移，促进裂缝穿层。层理初始水力开度达到300 μm时，压裂液沿层理渗流会导致裂缝无法穿层和改造体积受限。层理缝水力开度越大、摩擦系数越小、胶结强度越低，层理越容易剪切滑移。井周弱层理数目增多导致剪切缝面积增加，但张拉裂缝沟通面积减小。通过优化压裂液泵注程序，增加高黏压裂液用量，提高压裂液泵注排量，可以促进裂缝纵向延伸，提升储层动用程度。现场压裂井的井温监测进一步验证了层理弱面对压裂效果的影响。

关键词：层理型页岩,三维有限元,水力裂缝扩展,层理剪切滑移,压裂改造面积

基金资助：国家自然科学基金面上项目(52074313)