裂縫性頁巖儲層水力裂縫非平面擴展實驗

侯 冰 程 萬 陳 勉 譚 鵬 楊立峰

1.油氣資源與探測國家重點實驗室 ·中國石油大學（北京） 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

在油氣勘探開發行業，水力壓裂已被證實為是一種高效的儲層改造技術。采用水平井分段壓裂時儲層中的天然裂縫往往對水力裂縫擴展路徑有著顯著的影響［1－4］。水力裂縫遇到天然裂縫后常變現出3種行為：①穿透天然裂縫；②張開天然裂縫；③沿著天然滑移面擴展。Lanton［5］、Warpinski［6］、Renshaw［7］等 較 早 地研究了水力裂縫與天然裂縫干擾機理，并分別提出了交叉準則。Potluri等［8］綜述了這3種交叉準則，并系統地討論了裂縫內部液壓與水力裂縫擴展行為的關系，但沒有提出新交叉準則。近年來，水力裂縫與天然裂縫的交叉準則又有了很多新發展，主要體現在斷裂力學在水力裂縫擴展中的應用。周健［9－10］改進了Warpinski準則，將巖石造縫能力與水平應力差、逼近角（水力裂縫面與天然裂縫面的夾角）聯系起來。Taleghani等［11］采用線彈性斷裂力學理論計算了水力裂縫尖端的應力強度因子及沿著不同方向擴展的能量釋放率。Keshavarzi等［12－13］統計了含有預制裂縫的巖樣的水力壓裂實驗數據，分析了逼近角、水平應力差、界面摩擦系數等參數對這種相互作用機制的敏感性，實時預測水力裂縫與預制裂縫交叉行為。Gu等［14］在Renshaw準則基礎上，分析了水力裂縫與天然裂縫斜交后的裂尖應力場以及作用在天然裂縫面上的應力場，建立了判別水力裂縫能否穿透天然裂縫的準則。劉志遠［15］在Blanton準則的基礎上，得到了張開天然裂縫、穿透天然裂縫和沿著天然裂縫滑移的臨界凈液壓力，并對含有預置裂縫網絡的混凝土試樣開展水力壓裂試驗。程萬等［16］總結了Gu準則和Renshaw準則的優缺點，提出了三維空間下水力裂縫穿透天然裂縫的判別準則，并以混凝土試樣真三軸水力壓裂試驗予以驗證。

上述水力壓裂試驗都是針對混凝土試樣開展的，混凝土試樣及其預置裂縫的力學性質與真實頁巖的力學性質差別巨大，致使這些研究成果的現場應用受到一定局限。為更加接近儲層實際特征，筆者選取下志留統龍馬溪組裂縫性頁巖露頭標本進行真三軸水力壓裂實驗，結合多探頭聲發射實時監測水力裂縫的擴展路徑，研究水力裂縫的擴展行為以及與天然裂縫的溝通機理。

1 實驗方案

利用真三軸壓裂實驗模擬系統，進行頁巖露頭標本水力壓裂模擬。模擬前需要通過相似準則算出室內實驗參數。已知龍馬溪組頁巖地層相關數據如下：彈性模量為35GPa，泊松比0.25，孔隙壓力梯度為1.05 MPa／100m，水平最小地應力梯度為1.85MPa／100 m，水平最大地應力梯度為2.1MPa／100m，上覆巖層應力梯度為2.0MPa／100m，地層埋深約為2 500m。水力壓裂現場施工以排量5m3／min壓裂地層，后將排量提升至10～12m3／min，泵注時間約為200min，單條水力裂縫長度約為250m。龍馬溪組頁巖露頭參數如下：彈性模量為40GPa，泊松比為0.18。巖樣尺寸為400mm×400mm×400mm，模擬井筒長度為140mm，直徑為16mm，裸眼段長度60mm。

依據上述基本數據，根據相似準則計算得到實驗參數如下：水平最小地應力為19.1MPa，水平最大地應力為26.3MPa，上覆巖層壓力為22.1MPa。采用小排量0.163mL／s（模擬現場排量5m3／min）壓裂巖石至破裂，再迅速將排量提升至0.326mL／s（模擬現場排量10m3／min），泵注時間25s（模擬現場泵注時間200min）。水力壓裂試驗采用的壓裂液是現場所用的滑溜水壓裂液體系，黏度介于2～3mPa·s，配方為：FR－66降阻劑0.075%，Optikleen WF破膠劑0.09kg／m3，BE－9殺菌劑0.07%，Gasperm 1100防水鎖劑0.20%～0.05%。

實驗中共有4塊頁巖露頭巖樣（圖1－a），為便于觀察，壓裂前用紫色線描繪出天然裂縫分布形態。為了更好地描述各個表面水力裂縫與天然裂縫的溝通情況，將巖樣平面進行命名：P1與P4為上下2個面，P2與P5為前后2個面，P6與P3為左右2個面，由于4塊露頭是從同一個巖體上切割下來，因此每塊巖樣也都發育層理縫或者層理面（圖1－b）。第3號巖樣在壓裂時采用了聲發射系統實時監測裂縫擴展，為了獲得更精確的監測效果，實驗中布置了6個聲發射探頭實時監測水力裂縫擴展行為，布置方式如圖1－b所示。

2 實驗結果及分析

壓裂前4塊頁巖露頭中的天然裂縫形態以及壓裂后水力裂縫與天然裂縫的溝通特征分別如表1～4所示。當水力裂縫遇到天然裂縫時，可能穿透天然裂縫，如1號和3號巖樣的P1面，也可能轉向沿著天然裂縫擴展，如1號巖樣的P6面、2號巖樣的P1面和P3面，水力裂縫遇到天然裂縫時先發生轉向后又繼續沿著垂直于最小主應力方向擴展，水力裂縫的轉向或者穿透與否，除了和逼近角、地應力［7－8］有關，還和天然裂縫的開度、膠結強度有關。水力裂縫可沿著天然裂縫起裂，也可直接沿著巖石本體方向起裂，如3號巖樣的P1面，一翼沿著天然裂縫擴展，另一翼直接張開巖石本體，巖石起裂會根據最小破裂壓力及其對應的方式起裂。當天然裂縫發育時，水力裂縫與天然裂縫的溝通也會很充分，更易形成網狀縫，如2號巖樣的P6面。4號巖樣P6面殘缺，故實驗前用水泥填充，由于水泥與頁巖膠結不夠緊密，在受三向應力作用時，形變量不同，使得混凝土試樣與主體頁巖脫離。4號巖樣中存在大開度、低膠結強度的天然裂縫，水力裂縫遇到這種天然裂縫后迅速發生轉向，壓裂液并從巖樣P1面滲出，致使P3面沒有觀察到新壓開的水力裂縫，巖樣破碎程度和水力裂縫的復雜程度遠遠小于1號～3號巖樣。由此可知，現場壓裂施工時應該避開大型斷層面，可以有效地防止壓裂液流向斷層而造成能量損失。

圖1 4塊頁巖露頭（從左至右分別為1～4號巖樣）及試樣平面標記和聲發射探頭布置方式圖

表1 1號頁巖露頭壓裂前后裂縫形態對比表

表2 2號頁巖露頭壓裂前后裂縫形態對比表

如圖2、3所示，將壓裂后的巖樣沿著破裂面展開后觀察裂縫的溝通形態及壓裂液的分布情況，可以看到：主裂縫面相對天然裂縫面要平整，水力裂縫溝通天然裂縫或者層理縫時，在層理面上的壓裂液示蹤劑痕跡呈橢圓面分布，但其顏色較主裂縫面要淺，表明壓裂液進入層理面的液量相對較小，這是因為層理面上張開的裂縫寬度要小于主水力裂縫面的寬度。當水力裂縫遇到多個小型天然裂縫后，整體擴展方向依然是沿著垂直于最小地應力的方向擴展，小型天然裂縫只能在局部范圍內對水力裂縫擴展造成影響。

表3 3號頁巖壓裂前后裂縫形態對比表

圖2 2號頁巖壓裂后展開圖

表4 4號頁巖壓裂前后裂縫形態對比表

圖3 3號頁巖壓裂后展開圖

3號巖樣在壓裂過程中采用了多探頭聲發射系統來實時監測裂縫的擴展，如圖4所示，在水力裂縫張開巖石本體的方向上聲發射信號點較多，而沿著天然裂縫擴展的方向上聲發射信號點少，聲發射信號散點圖與水力裂縫擴展趨勢基本吻合。水力裂縫溝通原有的天然裂縫不涉及巖體的斷裂，故壓裂期間聲信號微弱，不易被監測。

圖4 3號頁巖聲發射監測結果圖

3 討論

龍馬溪組頁巖發育層理和天然裂縫等結構面，各向異性特征顯著，使得頁巖儲層的壓裂與均質砂巖儲層明顯不同。水力裂縫與這些結構面的相互作用機制是極其復雜的，也是亟待解決的科學問題。大量的水力壓裂試驗已經證明，這些結構面的力學性質及其產狀勢必影響水力裂縫的擴展行為，水力裂縫的非平面擴展必將增加水力裂縫復雜程度，從而有望減小頁巖儲層中油氣運移到井眼中的阻力。

對于天然裂縫發育的頁巖儲層，縫網壓裂的關鍵是需要提高水力裂縫的縫內凈壓力，使得天然裂縫或者層理弱面張開，并與水力裂縫相互溝通形成更多的分支裂縫，頁巖儲層各向異性顯著，水力裂縫擴展時受到的應力不是單一作用，往往是復雜應力場中的復合型裂縫擴展問題，在大排量快速壓裂的過程中，頁巖地層中的水力裂縫極有可能在應力偏轉或地層微觀結構變化時發生分叉擴展的情況，裂縫分叉后的擴展裂縫隨排量和天然裂縫特征等因素的影響可能進一步加速擴展再次分叉。裂縫的分叉行為與其自身物理力學性質和外部加載環境都有關系，通過改變裂縫表面性質和控制加載條件可促使裂縫分叉擴展形成裂縫網絡。

由圖3可以看出，裂縫性頁巖儲層中水力裂縫在溝通天然裂縫、層理面后，形成的是一種空間非平面裂縫網絡。目前，油田水力壓裂施工設計所采用的軟件基本都是假設水力裂縫是在一個平面上擴展的，這種軟件適合于模擬水力裂縫在均質砂巖儲層中的擴展行為。然而，龍馬溪組頁巖儲層中的水力裂縫是一種空間非平面網狀裂縫，不再是一個對稱的雙翼平面縫，從而導致當前的水力裂縫預測軟件難以模擬真實的裂縫情況。本文的部分研究成果雖在一定程度上展示了裂縫性頁巖儲層中水力裂縫的擴展行為，但要從根本上解決頁巖儲層縫網壓裂機理這一科學難題，還需要進一步研究水力裂縫在裂縫性頁巖地層中形成空間裂縫網絡的力學機制，建立起適合裂縫性頁巖儲層空間網狀水力裂縫擴展模型，從而設計出一套全三維非平面水力裂縫模擬軟件，為頁巖儲層縫網壓裂設計提供技術參考。

4 結論與認識

1）水力裂縫一般是沿著垂直最小主應力方向擴展的，當遇到天然裂縫時，裂縫方向可發生轉向或者穿透裂縫繼續擴展，水力縫的轉向或者穿透與天然裂縫的開度、膠結強度相關。水力裂縫從巖石本體起裂擴展的方向位置聲發射點較集中，沿著天然裂縫擴展期間發出的聲信號微弱，在利用聲發射監測水力裂縫擴展前應對巖石內部天然裂縫進行描述。

2）小型天然裂縫只能在局部范圍對水力裂縫擴展造成影響，很難改變水力裂縫的整體擴展方向；大開度、低膠結強度的天然裂縫容易導致水裂縫轉向擴展，并損失壓裂液，難以形成新的主水力裂縫面，壓裂改造應避開斷層發育地段。

3）水裂縫性頁巖地層水力壓裂形成的水力裂縫不是一條單一的雙翼平面縫，而是一種空間非平面網狀裂縫，水力裂縫在穿越天然裂縫時的轉向過程和主裂縫動態分叉是使整體裂縫形態變得復雜的主要因素。

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