冯雪磊 马凤山 赵海军 郭 捷

(①中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029， 中国)(②中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国)(③中国科学院大学， 北京 100049， 中国)

0 引 言

页岩气的商业化开采产生天然气行业革命，对世界能源格局产生重大影响(张金川等， 2008； Hughes， 2013； 张东晓等， 2015)。2012年涪陵焦石坝页岩气田实现了商业化开采，开启我国页岩气勘探开发的新局面(邹才能等， 2015)。页岩气的大规模开采得益于水平钻井技术和水力压裂技术的成功实施，水力压裂是将高压的压裂液注入到低渗致密页岩储层，进行压裂改造释放天然气的过程(Curtis， 2002； Javadpour et al.， 2007； 陈尚斌等， 2010)。然而深部储层注水压裂会产生地质力学和岩石力学问题(何满潮等， 2005)，储层水力压裂过程会导致深部断层岩体水力耦合破坏，进而引发岩体剪切破坏和地震活动(Ellsworth， 2013； Bao et al.，2016; Elsworth et al.，2016; Lei et al.，2017; Zhao et al.，2018; Bhattacharya et al.，2019)，同时断层岩体水力破坏导致压裂液突破顶板岩层和断层的封闭而运移到上部岩层，甚至对浅部的岩层尤其含水层存在较大威胁(Osborn et al.，2011; Vengosh et al.，2014; Reagan et al.，2015; Shannon et al.，2015)(图1)。因此研究水力压裂导致断层水力破坏及其对储层流体密闭稳定性的影响具有较大的工程和科学意义。

图1 断层水力破坏和压裂液泄露途径(Howarth et al.，2011)

研究表明大规模水力压裂导致的页岩储层封闭性改变方式主要有两种：一种是水力裂缝延伸突破封闭顶底板，另一种是注水压裂诱发断层活化(李廷微等， 2015; Reagan et al.，2015)。封闭顶底板是含气页岩储层上下部直接封堵气体逸散的低渗致密岩层，封闭性好的顶板、储层与底板组成油气封存箱，有效减少页岩气逃逸扩散(杨传忠等， 1994；……