第一作者简介：李小刚（1981—），男，博士，教授，本刊第一届青年编委，从事油气增产改造理论、技术和非常规天然气开发研究。地址：四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学，邮政编码：610500。
Email：swpuadam@126. com
LI Xiaogang, HE Jiangang, YANG Zhaozhong, et al. Fracture characteristics based on discrete element method[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2023, 13（3）: 348-357.
李小刚1，何建冈1，杨兆中1，易良平1,2，
黄刘科3,4，杜博迪1，张景强1
（1. 西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室，四川 成都 610500；2. 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500； 3. 西南石油大学土木工程与测绘学院，四川 成都 610500；4. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092）
摘要：为了探究弱面发育页岩压裂裂缝特征，基于三维块体离散元方法，建立考虑层理弱面和天然裂缝弱面的页岩储集层压裂裂缝扩展模型，分析了不同施工排量、压裂液黏度、层理抗拉强度和天然裂缝内聚力下的压裂裂缝特征。研究表明：高排量泵注和高压裂液黏度能够减少近井筒层理对水力裂缝的限制，增加水力裂缝穿层能力，当压裂液黏度达到10 mPa·s时，水力裂缝能够连续穿过6条层理；与天然裂缝连通的层理，其抗拉强度不是影响自身开启的主要因素；天然裂缝内聚力越大，其抗剪强度越大，开启程度越低。当井筒周围发育层理和天然裂缝时，通过提高前置液阶段排量、增大压裂液黏度，可以促使水力裂缝充分延伸；对于容易形成简单双翼裂缝的页岩储层，在前置液阶段泵注适量酸液，可以溶解天然裂缝填充物，从而达到降低天然裂缝内聚力，增加其开启程度，提高裂缝复杂度的效果。
1 三维块体离散元方法
3DEC是世界范围内第一款以非连续介质力学模拟作为目标，采用离散元法作为基本理论进行定制开发并商业化的三维分析程序，特别适用于因不连续界面导致变形和破坏现象的机制性研究，是岩体变形、破坏等力学分析常用的数值方法。
以涪陵页岩气田焦石坝目标区为背景，建立页岩压裂裂缝扩展数值模型（图5）。该模型在x、y、z方向分别长 80 m，宽 80 m，高 40 m，井筒沿最小水平主应力方向（y方向）设置。研究区层理发育，采用等效方式将层理近似为压前“显式”的层理弱面，层理间距设置为4 m。为了表征页岩中发育的天然裂缝，采用离散裂缝网络（DFN）建模技术，设置两组离散高角度天然裂缝，在模型中随机分布。由于页岩层理发育，因此，将其视为横观各向同性材料，并结合焦石坝地区页岩地质特征，赋予模型基本参数，岩石密度、杨氏模量、泊松比和剪切模量分别设置为2 600 kg/m3、35/30 GPa、0.20/0.18和13 GPa；最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力和孔隙压力分别设置为56、50、58、40 MPa；天然裂缝内聚力、内摩擦角、抗拉强度和倾角分别设置为2 MPa、27°、1 MPa和 70°；层理内聚力、内摩擦角和抗拉强度分别设置为3 MPa、36°和3 MPa。
3.2 压裂液黏度的影响
天然裂缝内聚力是表征其抵抗外来剪切作用的重要参数。为了研究天然裂缝内聚力对裂缝扩展的影响，设置内聚力分别为 1、3、5、7 MPa，其他参数保持一致，模拟结果见图14和图15。
4）内聚力是影响天然裂缝扩展的关键因素，内聚力越大，天然裂缝开启程度越低。对于容易形成简单双翼裂缝的页岩储层，建议在前置液阶段泵注适量酸液，降低天然裂缝内聚力，以此增加压裂改造过程中天然裂缝的开启程度，达到提高裂缝复杂度，增大渗流面积的效果。