覆壓水化作用對頁巖水力壓裂縫擴展的影響

王 欣 李德旗 姜 偉 盧海兵 易新斌 鄒清騰 王天一修乃嶺 唐 偉 李 濤

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油浙江油田公司

0 引言

頁巖氣井一般無自然產(chǎn)能，需要開展體積壓裂將頁巖儲層基質(zhì)打碎，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)頁巖氣井產(chǎn)氣量的提升[1-2]。已有文獻報道頁巖的水化作用可以促進頁巖次生裂縫的產(chǎn)生，進而形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。馬天壽和陳平[3]采用CT掃描技術(shù)研究常壓、不同水化時間下頁巖的水化損傷特性，發(fā)現(xiàn)頁巖在水化過程中會發(fā)生細觀損傷及擴展；石秉忠等[4]采用CT掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)泥頁巖吸水水化后會促使次生微裂縫的產(chǎn)生、擴展與連通；方朝合等[5]采用掃描電鏡觀測到頁巖在流體浸泡下微裂縫將沿層理面和弱結(jié)構(gòu)面不斷擴展延伸；薛華慶等[6]利用場發(fā)射掃描電鏡及微米CT技術(shù)研究頁巖水化前后的微觀結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)水化作用可以增加頁巖內(nèi)的裂縫條數(shù)及寬度。

在已公開的文獻中，頁巖水化實驗大多在常壓下或較低的圍壓下進行，但是在地層應(yīng)力狀態(tài)下，頁巖水化作用是否仍然存在及其對水力裂縫復(fù)雜程度的影響有多大等問題仍需探索。為此，筆者采用威遠區(qū)塊龍馬溪組露頭頁巖制備的樣品，利用真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置，開展地層應(yīng)力狀態(tài)下不同水化時間后的壓裂模擬實驗，進而開展了現(xiàn)場的水化試驗。

圖1 真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置照片

1 實驗裝置、方法及步驟

1.1 實驗裝置

采用真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置（圖1），該裝置包含4個部分：巖樣室、三向應(yīng)力加載系統(tǒng)、注入系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。采用線切割方式將實驗巖樣切割成8 cm×8 cm×10 cm大小的長方體，各切割面盡可能平整以保證應(yīng)力的均勻加載；三向應(yīng)力加載系統(tǒng)由手搖泵控制，每個應(yīng)力方向均有一個注入頭，應(yīng)力加載的最大值為15 MPa；注入系統(tǒng)由恒流/恒壓泵和注入管線組成，最小注入流量為0.1 mL/min，最大入口壓力為30 MPa；控制系統(tǒng)則用于監(jiān)測和記錄入口壓力、流量等數(shù)據(jù)。

1.2 實驗方法

頁巖氣現(xiàn)場施工排量一般為12 m3/min，若射3簇，則單簇施工排量平均為4 m3/min；油層套管一般使用外徑為139.70 mm、內(nèi)徑為115.02 mm的TP110T套管；根據(jù)微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，水力裂縫平均高度為50 m；實驗所使用的注入管線內(nèi)徑為3 mm；頁巖巖樣尺寸為8 cm×8 cm×10 cm，考慮水力裂縫貫穿整個樣品，故水力裂縫高度取值為8 cm。在確定前述參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相似準則計算得到實驗注入流量為4.4 mL/min，為便于實驗，選擇5 mL/min作為此次實驗的注入流量。

1.3 實驗步驟

從同一頁巖露頭上切割、加工得到的頁巖巖樣（8 cm×8 cm×10 cm）中選擇3塊天然裂縫發(fā)育程度較為接近的巖樣開展實驗。CT掃描實驗結(jié)果顯示，3塊巖樣中均可見少量被充填的層理縫，但均未與模擬井筒相交（圖2），對后續(xù)壓裂模擬實驗的影響較小。

采用清水＋綠色染料為模擬壓裂液，按照威遠區(qū)塊三向應(yīng)力相對值施加應(yīng)力載荷，其中垂向應(yīng)力為13 MPa、最大水平應(yīng)力為13 MPa、最小水平應(yīng)力為3 MPa，實驗注入流量均為5 mL/min，開展不同水化時間的壓裂模擬實驗，其中Ⅰ號巖樣不水化直接進行壓裂模擬，Ⅱ號巖樣首先在小于破裂壓力條件下注入一定量清水，水化9.5 h后，采用清水＋綠色染料進行壓裂模擬，Ⅲ號巖樣首先在小于破裂壓力條件下注入一定量清水，水化5 d后，采用清水＋綠色染料進行壓裂模擬。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Ⅰ號巖樣、不水化直接壓裂模擬實驗

如圖3所示，該模擬實驗以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液64 s后巖樣發(fā)生破裂，破裂壓力為19.85 MPa，破裂時注入液體5.33 mL，巖樣破裂后入口壓力由19.85 MPa下降至0.58 MPa，后續(xù)繼續(xù)以5 mL/min的流量注入，入口壓力保持在0.07 MPa左右，說明巖樣破裂后流體沿裂縫壁面的流動摩阻很小，裂縫壁面相對較為光滑，破裂為較為簡單的張性破裂形式。

實驗結(jié)束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣外表面有一條垂直于最小水平主應(yīng)力方向的裂縫，在其他方向未見明顯裂縫。沿著巖樣外表面的裂縫線將巖樣剖開，如圖4所示，壓裂液中加入的綠色染料布滿整個裂縫面，沿高度方向裂縫貫穿了整個巖樣，且裂縫面較為平整，這也是巖樣破裂后壓裂液沿裂縫壁面流動的摩阻較小的原因。

圖2 巖樣CT掃描圖

圖3 Ⅰ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（不水化）

圖4 Ⅰ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（不水化）

2.2 Ⅱ號巖樣、水化9.5 h后壓裂模擬實驗

為避免恒流量注入方式造成壓力上漲過快而壓開巖石，水化注入階段采取控壓注入方式，先將入口壓力上升并穩(wěn)定在7.4 MPa，注入清水7.33 mL，再將入口壓力提升并穩(wěn)定在8.4 MPa，注入清水0.44 mL，然后關(guān)閉注入閥門，使注入液體在巖樣中滲流擴散，使水化作用產(chǎn)生，水化時間合計為9.5 h，累計注入清水7.77 mL。

水化9.5 h后，打開注入閥門，如圖5所示以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液63 s后巖樣發(fā)生破裂，破裂壓力為21.05 MPa，此時注入液體5.25 mL。隨后又產(chǎn)生3次破裂，分別是90 s時，破裂壓力為22.63 MPa，累計注入液量為7.50 mL；141 s時，破裂壓力為28.68 MPa，累計注入液量為11.75 mL；239 s時，破裂壓力27.35 MPa，破裂時注入液體19.92 mL。相對于直接壓裂（不水化）的巖樣，第1破裂點的破裂壓力高出1.2 MPa，且為多點破裂，形成的裂縫形態(tài)特征復(fù)雜。由停止注入前、后的入口壓力計算得到總摩阻為1.08 MPa，由于注入管線摩阻可以忽略，則該摩阻應(yīng)為近井筒摩阻。停止注入189 s后入口壓力降至0.29 MPa，下降6.56 MPa。

圖5 Ⅱ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（水化9.5 h后）

圖6 Ⅱ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（水化9.5 h后）

實驗結(jié)束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣表面有兩條較為明顯的裂縫，其中①號裂縫走向垂直于最小水平主應(yīng)力方向，②號裂縫為水平縫，將巖樣沿①號裂縫剖開后，如圖6所示，裂縫面形態(tài)不再對稱，染料的分布具有明顯的方向性，有一條水平的流動通道和一條向下的流動通道，裂縫面凸凹不平，導(dǎo)致沿裂縫面的流動摩阻較大。

2.3 Ⅲ號巖樣水化5 d后壓裂模擬實驗

同樣采用控壓注入方式，將入口壓力提升并穩(wěn)定在3 MPa，累計注入清水8.77 mL，之后關(guān)閉注入閥門，水化5 d；然后打開注入閥門，以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液，如圖7所示110 s時發(fā)生破裂，破裂壓力為25.23 MPa，破裂時累計注入液量為9.17 mL。與直接壓裂（不水化）的巖樣相比，破裂壓力高出5.38 MPa，且破裂時間延長46 s。巖樣破裂后壓力降至0.17 MPa左右，繼續(xù)以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液，壓力上升到0.5 MPa左右，表明破裂后繼續(xù)注入壓裂液，摩阻產(chǎn)生了新的變化。停泵壓力為0.48 MPa，32 s后壓力降至 0.10 MPa，下降 0.38 MPa。

實驗結(jié)束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣表面形成了多條交錯的水平縫和垂直縫，沿巖樣中間位置的一條水平縫剖開后，觀察到水平縫貫穿了整個巖樣（圖8）。

圖7 Ⅲ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（水化5 d后）

3 現(xiàn)場試驗

選擇鉆遇相同小層層位的某水平井開展水化試驗，第22段壓裂段作為水化試驗段，其他段作為對比段。第22段在壓裂前注入清水313.8 m3，且水化18 h。如表1所示，每個壓裂段加液量為1700 m3左右，加砂量介于88～155 t，施工排量介于7.5～14.0 m3/min，施工壓力介于69.8～84.7 MPa。

通過測斜儀進行監(jiān)測[7-8]，解釋得到第20～23段的垂直縫體積分數(shù)分別為76.37%、88.17%、74.37%、78.84%，第22段的垂直縫體積分數(shù)是這4段中最低的，由于垂直縫體積分數(shù)越接近50%則顯示裂縫越復(fù)雜，可見這4段中第22段的裂縫復(fù)雜程度是最高的，進一步證實了水化作用可提高壓裂縫的復(fù)雜程度。

圖8 Ⅲ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（水化5 d后）

表1 第20～23段地質(zhì)和壓裂施工參數(shù)表

4 討論

相對于不水化直接進行壓裂模擬，水化9.5 h后進行壓裂模擬的巖樣表現(xiàn)出多點破裂特征，這是裂縫復(fù)雜化的表現(xiàn)。由停止注入前、后的入口壓力計算的近井摩阻為1.08 MPa，顯示出流動通道的摩阻較高，分析認為水化作用促進了頁巖多裂縫的產(chǎn)生；水化5 d后進行壓裂模擬，在巖樣中則形成了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。在模擬三向應(yīng)力狀態(tài)條件下，水化作用可以有效促進水力壓裂縫的復(fù)雜化程度，而且水化作用時間越長，形成的壓裂裂縫復(fù)雜程度越高。

同時，若巖樣不水化直接進行壓裂模擬，破裂壓力為19.85 MPa，而水化9.5 h和5 d后破裂壓力明顯升高，前者破裂壓力上升1.2 MPa，后者破裂壓力上升5.38 MPa；破裂后，相對于不水化，巖樣水化后近井筒摩阻有上升趨勢，從而導(dǎo)致施工壓力升高，不利于后期施工；不水化巖樣的破裂時間為64 s，水化9.5 h和5 d后巖樣的破裂時間具有后移趨勢。由于水化時間越長，水化作用的影響范圍越大，模擬壓裂時突破最低破裂點壓力所需的壓裂液體積就越大，從而使達到破裂點的泵注時間則越長。

因此，在現(xiàn)場壓裂施工過程中，要充分利用頁巖水化作用的有利面，通過降低入井液礦化度促進頁巖的水化作用[9-10]，以及采用壓后長時間燜井的方式[11-16]，利用水化的時間效應(yīng)提升裂縫的復(fù)雜程度以提高頁巖氣井產(chǎn)氣量，進而提高氣藏的采收率；同時，應(yīng)盡量縮短近井區(qū)域頁巖水化作用的影響時間，通過前期酸處理來降低施工壓力而為排量的快速提升創(chuàng)造條件、在壓裂施工的前期快速提升排量等方式，降低近井頁巖受水化作用影響的程度，進而降低在近井區(qū)域所形成縫網(wǎng)的復(fù)雜程度，減小多裂縫的產(chǎn)生對加砂造成的難度，同時在前置液階段采用前置膠液造縫、小粒徑段塞打磨等工藝[17-18]，對已經(jīng)產(chǎn)生的近井區(qū)域多裂縫進行打磨以降低近井區(qū)域的流動摩阻。

5 結(jié)論

1）在地層三向應(yīng)力條件下，巖樣經(jīng)水化作用后壓裂形成的裂縫復(fù)雜程度更高。

2）頁巖水化作用的影響程度由水化時間決定，水化時間越長，水化作用影響程度越大，壓裂后形成的裂縫復(fù)雜程度越高。

3）由于頁巖水化作用的影響，使得壓裂后在近井區(qū)域產(chǎn)生了較為明顯的復(fù)雜多縫效應(yīng)，導(dǎo)致流動摩阻上升，施工壓力升高，不利于后期施工。

4）水平井水化試驗段壓裂后的垂直縫體積分數(shù)較不水化壓裂段低，水化起到了增加壓裂縫復(fù)雜程度的作用。