理論上, 老裂縫應分布在最易形成裂縫的方向。多數老裂縫分布在最大水平主應力方向, 新裂縫則應沿偏離老裂縫的方向延伸, 延伸過程中應該轉回老裂縫的延伸方向。為了研究裂縫轉向機制, 施工中采用了近年來國際上廣泛應用的微地震技術進行監測[ 2] , 監測采用6 分站、模擬傳輸、實時定位系統,微地震檢波器放置在壓裂井周圍的地面, 由計算機直接給出壓裂中形成的微地震震源空間分布, 根據震源空間分布描述新、老裂縫的延伸方向、幾何形態[ 3, 4] 。由于整個施工過程中觀測臺站位置不變、地層不變, 二次壓裂的觀測誤差是系統性的, 盡管監測的絕對誤差較大, 但對二次施工的方位、高度的變化則有很高的分辨率。

2 裂縫轉向實驗觀測結果

整體實驗結果見表1, 壓裂3 口井、7 個層, 每層壓裂兩次。有5 個層發現第二次壓裂的新縫轉向。

表1 壓裂裂縫轉向實驗觀測結果統計表

由朝572楊125 井第一層壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖2) 可見, 第一次壓裂只有北西向裂縫;第二次壓裂出現明顯的北東向裂縫。兩次壓裂形成了不同因素控制下的兩條縫, 一條是由原地應力場控制的裂縫, 另一條是由原生裂隙帶控制的裂縫, 二者高度差別為3. 3m。由于二者不相關, 應該有最好的增產效果, 事實上該井增產原油超過10t。該層第一次壓裂的井口壓力是28MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口壓力是33MPa, 排量2. 5 m3 / min。第二次壓裂的峰值壓力比第一次的峰值壓力大5MPa。
由朝752105 井第二層兩次壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖3) 可見, 兩次壓裂的人工裂縫方位有近2b的變化, 為北西87. 8b和北西89. 7b; 裂縫的高度差別也很大, 近6m。第二次監測結果相對第一次監觀測結果有左旋趨勢, 但在細節上有很多相似之處, 是同一控制條件下的裂縫轉向; 這表明, 該層的兩次壓裂出現了可以觀測到的人工裂縫轉向, 由于轉向角度很小, 約束轉回原來的方向的力也很小, 新裂縫保持直線延伸。兩次壓裂破裂壓力的差別很大, 第二次壓裂破裂壓力比第一次明顯增高。該層第一次壓裂的井口峰值壓力是26MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口峰值壓力是39MPa, 排量2. 5m3 / min。
朝462126 井第一層兩次壓裂人工裂縫方位分別為北東49b和北東71. 3b, 有近20b的變化。仔細觀察兩次壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖4) 可以看出, 第二次壓裂, 東翼近井人工裂縫近東西走向, 裂縫長度近50m, 然后左旋轉向第一次壓裂裂縫的方向, 出現明顯的典型裂縫轉向過程, 第二次監測結果相對第一次監測結果, 不僅東翼初裂縫不重合, 轉向后的裂縫也不重合, 后者有明顯的裂縫轉向過程, 轉向后的裂縫與第一次壓裂形成的裂縫走向大體一致, 二者的裂縫高度差近2m。這表明, 壓裂形成同一因素控制下的新裂縫若與原來的裂縫夾角較大, 裂縫在延伸過程中將轉回原來的延伸方向, 但不一定和原來的裂縫重合, 這可能是轉向壓裂可以增產的原因。該層第一次壓裂的井口峰值壓力是22MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口峰值壓力是32MPa, 排量2. 8m3 / min, 壓力升高10MPa。

3 新裂縫延伸機制分析

形成新縫的常見機制是形成同一因素控制下的新縫, 這一控制因素多為原地應力場。由于與老縫相連的射孔被堵住, 壓裂液必然通過其它射孔作用在井壁上, 在比形成老縫更高的破裂壓力下形成新的初裂縫。其力學機制可表示為:cos2( $U) \ 1 - ( Tc - T ) / ( S1 - S2 ) ( 1)式中 $U) ) ) 新裂縫偏離最大水平主應力方向的最大角度, (b) ; Tc ) ) ) 最大水平主應力方向處的巖石抗張強度, MPa; T ) ) ) 井壁形成新裂縫處的巖石抗張強度,MPa; S1 - S2 ) ) ) 差異應力, MPa。由( 1) 式可以看出, 新裂縫偏離最大水平主應力方向的最大角度$U與測點的差異應力正相關, 差異應力越大, ( 1) 式右側第二項的值越小, ( 1) 式右側的值越接近1, 偏差角度也小。如果差異應力很小, 新老裂縫的夾角就可能很大。大慶油田油層相對淺, 水平差異應力較小, 有利于壓裂裂縫轉向施工。裂縫延伸必然受到原地應力場的影響與控制, 其控制強度可表示為[ 5] :sinW[ ( R1 - R2 ) sin( 2U) / pU ( 2)式中 pU ) ) ) 裂縫中有效壓裂壓力, MPa; R1 , R2 ) ) ) 裂縫面上的最大、最小有效水平主應力, MPa; W) ) ) 開裂角, 即開裂方向與裂縫面的夾角, (b) ; U) ) ) 裂縫面與最大水平主應力方向的夾角, (b) 。