含水合物粉質黏土壓裂成縫特征實驗研究1)

楊 柳 石富坤 張旭輝?,,2) 魯曉兵?,

?(中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

?(中國科學院力學研究所流固耦合系統力學重點實驗室,北京 100190)

??(中國科學院大學,北京 100190)

引言

天然氣水合物是在低溫高壓條件下形成的一種冰狀晶體,主要賦存于砂土和粉質黏土沉積層中,富含極其豐富的天然氣,1 m3的水合物沉積層能夠釋放出160～200 m3的天然氣[1-2].已探明的天然氣水合物沉積層絕大部分存在于海底,少部分分布在陸地的凍土層內和深水湖底[3].研究發現,天然氣水合物分布廣泛,資源量高,其儲量相當于傳統化石能源燃料的2 倍左右,是一種儲量巨大的非常規天然氣資源[4-5].我國分別在祁連山凍土層和南海沉積層取得了優質的水合物沉積物樣品,說明我國的水合物儲量豐富、豐都高、開采潛力巨大,目前已經水合物開采方面的研究列入國家重點研究規劃[6].天然氣水合物作為一種新型的清潔能源,開采效率的提高對全球環境保護、緩解能源危機具有重要意義[7].

天然氣水合物具有廣闊的勘探開發前景,受到國內外眾多學者的廣泛關注,目前主要圍繞水合物開采方法、技術及工藝等方面開展研究[8-9].與常規的化石能源不同,水合物的開采存在較大的特殊性,具體表現為開采條件特殊、分解需要熱量大、地層穩定性低和天然氣易泄漏[10].水合物賦存于高壓、低溫的環境下,需要通過供熱或降壓引起水合物分解從而獲得天然氣.然而,單純依靠水合物沉積層自身的熱量是遠遠不夠的,必須從外界輸入大量的熱量使得水合物充分分解[11].水合物沉積物作為骨架結構的一部分,分解后會導致地層強度大幅度降低、孔隙壓力劇烈變化,對井筒、地層的穩定性帶來較大威脅[12].此外,水合物沉積層往往處于未固結狀態、滲透性好,釋放出的天然氣易沿著蓋層的高滲通道發生竄流、泄漏.水合物沉積層的這些特點為水合物的開采帶來較大挑戰,很大程度上限制了天然氣水合物的高效開發[13-14].目前,適用于水合物開采的方法主要包括降壓法、供熱法、抑制劑法、置換法、固體法以及多種方法聯合法,這些方法普遍存在傳熱速率低、水合物開采效率慢等特點[15-17].張旭輝等[18]提出了一種機械粉碎與加熱聯合的水合物開采設想,不僅避免了大量的固體顆粒舉升帶來的能量損耗,還可以通過固體顆?；靥罱档土顺练e層坍塌的風險.與傳統的方法相比,這種方法克服了傳統方法中傳熱慢、分解效率低等缺點,適用于分布集中、豐度高、儲量大、未固結的水合物沉積層中.

水合物沉積物的開采方法的關鍵是大幅度提高水合物沉積層的滲流能力、擴大水合物的分解范圍.俄羅斯學者提出水平井多級壓裂技術依靠高壓流體誘發人工裂縫,可以改善地層的滲流通道,在水合物開采中具有很大的應用前景[19],鄭哲敏[20]提出了水合物沉積層水平井壓裂面臨的一系列工程科學問題,認為水力壓裂的優勢主要體現在兩個方面:一方面注入的壓裂液往往溫度高于地層,與水合物沉積層接觸后,促進水合物分解、釋放天然氣;另一方面壓裂產生的裂縫可提高壓裂液與水合物沉積層的接觸面積,利于水合物大范圍分解.此外,裂縫可作為天然氣的高速通道,提高水合物氣井的產量.邵茹[21]設計了一種雙水平井多級壓裂開采水合物的方案,一口水平井作為壓裂井,另外一口作為采氣井.通過壓裂井注入熱流體促進水合物沉積層分解,從采氣井開采分解出的天然氣.祝道平等[22]提出將高能氣體壓裂技術應用于水合物開采的設想,高壓氣體可作用于地層上引起裂縫擴展,提高地層的導流能力.同時,高溫氣體在一定程度上起到了供熱作用,促進了水合物的分解[23-25].高能氣體壓裂技術可與傳統的開采方法結合,達到強化水合物開采效率的目的.然而,將水力壓裂技術應用于水合物開發尚處于理論研究階段,其他配套的技術如工作液配方、井壁穩定、固井及排采技術有待于進一步研究[26].綜合來看,水力壓裂技術對改善地層滲流能力和擴大水合物的分解范圍都有重要作用,是一種潛在的水合物高效開采技術.

目前,水力壓裂技術已經廣泛的應用于頁巖油氣等非常規資源的開采中,使得北美頁巖油氣進入了大規模高效開發階段.該技術的成功應用與頁巖本身的特殊性有關.我國南海粉質黏土質水合物沉積物主要由黏土礦物、水合物和冰組成,與頁巖的礦物組成(黏土礦物和脆性石英礦物)具有一定的相似性.尤其是水合物和冰含量較高,使得水合物沉積物的脆性較強,有利于人工裂縫的起裂、擴展.本文針對我國南海含水合物粉質黏土沉積層的成縫能力開展研究,并與砂土沉積層進行對比,分析沉積物組成、水合物含量及冰對裂縫形態、破裂壓力的影響.

1 實驗樣品、設備和步驟

1.1 試樣制備

實驗采用的粉質黏土取自南海水合物區,顆粒比重約為2.7,相對密度約58%,直徑在0.005～0.05 mm 范圍的顆粒占比約為80%,顆粒級配曲線如圖1(a)所示.粉細砂土比重約為2.68,相對密度為54%,直徑在0.005～0.05 mm 范圍的顆粒占比約7.8%,顆粒級配曲線如圖1(b)所示.相比而言,粉質黏土的顆粒直徑較小,處于幾個微米到幾十微米級別.采用粉質黏土和粉細砂制備土樣,即為水合物賦存的沉積物骨架,基本物性參數如表1 所示.制備的土樣直徑×高度約為3.9 cm×8 cm.在制備土樣過程中,分四層砸實,可保證土樣的均勻性.甲烷水合物在粉質黏土中合成時間長,且飽和度難以控制.而四氫呋喃水合物在熱力學性質方面與甲烷水合物具有很強的相似性,在不考慮開采產氣的力學性質的研究中能夠相互模擬.四氫呋喃水合物在大氣壓和溫度4?C 下即可形成,形成條件容易控制,合成難度低.因此,本文采用四氫呋喃水合物開展實驗,在降低實驗難度的同時,還可以反映出水合物沉積物的成縫特征[27].

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve

表1 樣品參數Table 1 Sample parameters

研究發現,水合物沉積層具有非均質性強,橫向變化大的特點,且部分沉積層同時發育水合物和冰.為了更好地反映水合物沉積層的特征,本實驗分別制備三種試樣(沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣),并對比研究沉積物骨架性質、水合物和冰飽和度對沉積層壓裂裂縫延伸的影響.沉積物骨架試樣(1#和11#)在自然條件下風干至質量不再變化,即制備成功(圖2(a));水合物沉積物試樣是在沉積物骨架試樣中注入一定量的四氫呋喃(質量分數為19%),保持溫度?9?C 下持續48 h 以上,即制備成功(圖2(b));水合物?冰沉積物試樣是在水合物沉積物基礎上制備的,將水合物沉積物試樣置于0?C 的冰水混合物中,并將環境溫度降至?9?C,持續5 d 以上,直至樣品表面冰層形成(冰層厚度約為1 cm),試樣如圖2(c)所示.

圖2 水合物沉積層試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hydrate deposit sample

1.2 試樣的基本力學性質

粉質黏土的水合物飽和度約90%.圖3 為粉質黏土的應力?應變曲線,可以看出應力隨著應變的增大呈現三臺階式的增長,曲線具有明顯的三段式特征:彈性變形段、塑性變形段及應變硬化段[28].當應變低于15%時,含水合物的粉質黏土試樣表現為線彈性特征;當應變在2%～6%范圍內,含水合物的粉質黏土試樣表現為塑性變形特征,即應力基本不變,應變由2%增大到6%;當應變高于6%時,含水合物的粉質黏土試樣表現為應變硬化特征,即隨著應變增大,應力迅速上升.此外,應變硬化段分為兩個階段,初期段粉質黏土試樣表現為均勻變形,應力升高較快;后期段粉質黏土試樣表現為局部變形,應力的升高趨勢開始放緩.根據庫倫莫爾圓可知,隨著圍壓的增大,含水合物的粉質黏土試樣強度逐漸增大,內聚力和內摩擦角分別為0.3 MPa 和2.21?.

圖3 粉質黏土的應力應變曲線和摩爾圓[28]Fig.3 Stress-strain curve and molar circle of silty clay[28]

砂土水合物平均飽和度約為85.3%.圖4 為粉細砂土的應力?應變曲線和莫爾圓[29].可以看出粉細砂土水合物沉積物表現為塑性破壞;隨著圍壓的增大,試樣強度逐漸增大.水合物平均飽和度為85.3%時,內聚力和內摩擦角分別為3.1 MPa 和12.4?.

圖4 粉細砂土的應力?應變曲線和摩爾圓[29]Fig.4 Stress-strain curve and molar circle of fine sand [28]

1.3 試驗設備及步驟

圖5 所示為水合物沉積層水力成縫裝置示意圖,是在中國科學院力學研究所原有高壓三軸儀器基礎上改裝而成,實驗設備包括:ISCO 泵(0～40 MPa),壓力表,閥門,套管、低溫室等.低溫室可保證實驗處于環境溫度在?9?C 下,避免水合物分解和冰融化;ISCO 泵用于向試樣內注入高壓流體進行水力壓裂;壓力表記錄注入壓力隨著時間的變化;套管用于連接高壓管線和試樣,在套管外壁與圓孔內壁間用環氧樹脂封固;高速攝影用于拍攝樣品表面裂縫擴展動態.

圖5 水合物沉積層水力成縫試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic fracturing test device for hydrate deposit layer

水合物沉積層水力成縫實驗步驟如下:

(1)取粉質黏土和砂土,分別制備沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣.并在試樣鉆5 cm 深的小孔,直徑約為1 cm.

(2)打開溫控設備,確保環境溫度在?4?C 以下,將制備好的樣品放置于樣品架上;把圓管置于圓孔內,保持圓管插入深度約4 cm,在圓管下部流出1 cm的空間(圖5);

(3)按照質量比3:1 將環氧樹脂和固化劑混合均勻,注入到圓管外壁與圓孔內壁的間隙,保持10 h 以上,直到環氧樹脂和固化劑完全固化;

(4)將圓管連接到高壓管線上,打開閥門,啟動ISCO 泵,開始注入高壓流體(室溫25?C).逐漸提高泵入壓力,直到試樣表面出現裂縫,壓力迅速下降,即可停止實驗.

(5)取下樣品,觀察水力裂縫的形態特點(位置、方向、條數等);并將壓力表記錄的數據拷貝至電腦,繪制注入壓力隨著時間的變化曲線.

2 實驗結果分析

2.1 沉積物骨架試樣成縫特征

2.1.1 粉質黏土沉積物骨架試樣

打開閥門,將流體注入粉質黏土沉積物骨架試樣中,裂縫迅速擴展,裂縫形態如圖6 所示.理論上,試樣的長度是直徑的2 倍,裂縫水平向擴展的阻力要明顯低于垂直向的擴展,試樣壓裂傾向于形成水平裂縫.然而,試樣壓后產生三條裂縫:兩條垂直裂縫和一條水平裂縫.兩條垂直裂縫的縫面與樣品端面垂直,呈180?對稱分布,長度約為樣品長度的一半,縫寬約為1 mm(圖6(a)和圖6(b)).水平裂縫的縫面與樣品端面平行,長度約為樣品周長1/4,縫寬約為1 mm(圖6(c)).此外,流體主要從裂縫內流出,且裂縫附近沒有形成明顯的滲透區,說明粉質黏土沉積物的滲透率較低.

圖6 粉質黏土沉積物骨架試樣(sample 1#)壓裂裂縫形態Fig.6 Fracture morphology of silty clay sediment skeleton sample(sample 1#)

粉質黏土沉積物骨架試樣壓裂時,垂直裂縫與水平裂縫同步擴展,說明水力裂縫的擴展方向性較差.這與粉質黏土沉積物骨架滲透性較低有關.在流體壓力作用下,流體進入粉質黏土沉積物骨架內.由于粉質黏土沉積物滲透率較低,注入的流體在局部形成高壓.裂縫擴展的阻礙作用影響較小,因此壓裂裂縫處于自由擴展的狀態,不具有明顯的方向性.當流體壓力超過樣品的抗拉強度時,就產生了垂直拉伸裂縫和水平拉伸裂縫.

2.1.2 砂土沉積物骨架試樣

流體注入砂土沉積物骨架試樣中,引起水力裂縫擴展,裂縫形態如圖7 所示.壓裂形成的裂縫為水平縫,該裂縫平行于樣品端面,呈半圓形分布,長度約為樣品周長的3/4,裂縫寬度約為1～8 mm.在水平裂縫附近形成了寬度約為3 cm 的流體滲透區,說明砂土沉積物骨架的滲透率明顯高于粉質黏土沉積物骨架.此外,人工將樣品掰開后,發現裂縫面基本處于同一平面內,然而裂縫表面不光滑,粗糙度較高,呈現鋸齒形.

圖7 砂土沉積物骨架試樣(sample 11#)壓裂裂縫形態Fig.7 Fracture morphology of sand sediment sample(sample 11#)

相比粉質黏土沉積物,砂土沉積物骨架的膠結強度和滲透率較高.在相同流體壓力下,流體迅速滲流進入孔隙中,降低了縫內壓力.由于砂土沉積物骨架的膠結強度高,裂縫擴展的阻力效應逐漸顯現出來.裂縫水平向擴展的阻力要明顯低于垂直向的擴展,因此流體在試樣內產生垂直于上下端面方向的拉應力,當拉應力超過樣品的抗拉強度時,水平裂縫就形成了.

2.1.3 注入壓力特征

圖8 為沉積物骨架試樣注入壓力隨著注入時間的變化.隨著注入時間的延長,注入壓力逐漸增大.初期壓力增速較慢,后期增速逐漸加快,最終達到最大壓力,之后壓力迅速下降至零.最大壓力點是初始裂縫延伸的壓力,即為破裂壓力.由于樣品尺寸比較小,裂縫形成后迅速擴展至邊界,因此在壓裂壓力曲線上看不到裂縫延伸段.粉質黏土沉積物骨架的破裂壓力約為7.2 kPa,裂縫開始擴展的時間為9 s.砂土質沉積物骨架的破裂壓力約為5.13 kPa,裂縫開始擴展的時間為8 s.相比而言,粉質黏土沉積物骨架具有較高的破裂壓力.這與砂土沉積物滲透率較高,吸水后膠結強度明顯下降有關.

圖8 粉質黏土和砂土沉積物骨架試樣壓裂壓力曲線Fig.8 Fracturing pressure curve of skeleton samples of silty clay and sand sediment

2.2 水合物沉積物試樣成縫特征

2.2.1 粉質黏土水合物沉積物試樣

與粉質黏土沉積物骨架壓裂不同,高壓流體(5 MPa)注入粉質黏土水合物沉積物試樣后,樣品表面無明顯變化;將流體壓力提高至40 MPa,仍沒有觀察到裂縫擴展的現象.保持40 MPa 壓力,采用高速攝影機持續觀察樣品表面變化.注入時間約174 s 時,流體瞬間噴出,呈180?對稱形成兩條水柱,噴射時間持續約1 s,并產生一條水平裂縫(圖9).此外,水平裂縫平行于樣品端面,幾乎完全貫穿整個樣品橫截面,裂縫寬度約為0.5～1 mm.人工將樣品掰開后,發現裂縫表面較為平整,基本處于同一平面上,無明顯轉向作用,結果如圖10 所示.

相比粉質黏土沉積物骨架而言,粉質黏土水合物沉積物的孔隙被水合物占據,提高了試樣的膠結強度、脆性和成縫能力,裂縫擴展具有明顯的方向性.此外,水合物賦存于孔隙,大幅度降低了粉質黏土水合物沉積物的滲透率.由于滲透性極低,注入的流體只能局限在注入點附近,難以誘發裂縫擴展.隨著注入流體與樣品長時間接觸,注入點附近水合物受熱分解,局部滲透性提高,膠結強度下降,導致裂縫瞬間擴展,最終形成水平的拉伸裂縫.可見,粉質黏土水合物沉積物的裂縫在流體壓力和熱應力聯合作用下才發生擴展,具有明顯的延遲效應.

圖9 粉質黏土水合物沉積物試樣裂縫擴展動態Fig.9 Dynamics of fracture propagation in silty clay hydrate sediment samples

圖10 粉質黏土水合物沉積物試樣(sample 2#)壓裂裂縫形態Fig.10 Fracture morphology of silty clay hydrate sediment sample(sample 2#)

2.2.2 砂土水合物沉積物試樣

流體注入砂土水合物沉積物試樣,引起裂縫擴展,裂縫形態如圖11 所示.壓裂形成的裂縫為三條垂直裂縫(相隔90?左右)和多條微裂縫,呈現出裂縫網絡形態.該裂縫垂直于樣品端面,長度約為試樣長度的1/3,裂縫寬度約為0.8～1.2 cm.壓裂過程中,流體與砂土的混合物從三條垂直裂縫中流出.多條微裂縫中并沒有發現流體流動.

圖11 砂土水合物沉積物試樣(sample 22#)壓裂裂縫形態Fig.11 Fracture morphology of sand hydrate deposit sample(sample 22#)

砂土水合物沉積物試樣在低溫制備過程中,由于水合物膨脹產生了大量的微裂縫.當流體在高壓作用下注入試樣中,迅速進入微裂縫中,誘發微裂縫張開、連接和貫穿,最終形成網絡結構,可大幅度改善砂土水合物沉積層的導流能力.然而,由于砂土水合物沉積物的砂粒容易剝落,與流體混合后,形成固液兩相流動,易堵塞裂縫,導致井底大范圍出砂,對甲烷的產出帶來不利影響.

2.2.3 注入壓力特征

圖12 為水合物沉積物試樣注入壓力隨著注入時間的變化.對于砂土水合物沉積物而言,注入壓力隨著時間迅速增大,達到破裂壓力后,壓力迅速下降至0.破裂壓力約為4.272 MPa,高于砂土沉積物骨架的破裂壓力(5.13 kPa).可見,水合物的存在提高了沉積物的膠結強度,一定程度上提高了破裂壓力.

圖12 粉質黏土和砂土水合物沉積物試樣壓裂壓力曲線Fig.12 Fracturing pressure curve of silty clay and sand hydrate sediment samples

粉質黏土水合物沉積物試樣的壓力曲線具有明顯的三段式特征.初期段,注入壓力隨著時間迅速增大,達到40 MPa 后,試樣內沒有出現微裂縫.中期段,注入壓力處于恒定狀態,約為40 MPa,說明試樣滲透率極低,流體幾乎不發生滲流,從而保持壓力一定穩定.后期段,水合物逐漸分解,水平裂縫迅速貫穿試樣橫截面,而注入壓力迅速下降至零.根據壓力曲線可以推測,粉質黏土水合物沉積層壓力過程中,極有可能產生較高的施工壓力.適當延長注入時間,保持流體與沉積層充分接觸,會起到加熱水合物沉積層和引起水合物分解的作用,在一定程度上可降低破裂壓力.經過多次實驗,粉質黏土水合物沉積物試樣的破裂壓力存在較大不確定性,大約為10～40 MPa.這可能與粉質黏土沉積物復雜的微觀非均質性有關,低壓力傳遞能力易形成局部高壓.此外,水合物形成對孔隙結構的影響可能具有一定隨機性,進而導致不同的破裂壓力,其微觀控制機理有待于進一步研究.

2.3 水合物冰沉積物試樣成縫特征

2.3.1 粉質黏土水合物?冰沉積物試樣

水合物?冰沉積物試樣是在水合物沉積物外表覆蓋1 cm 厚的冰層,用于模擬地質特征極其復雜的水合物沉積層.流體注入粉質黏土水合物?冰沉積物試樣后,裂縫迅速擴展,裂縫形態如圖13 所示.壓裂形成的裂縫整體呈現為一條水平縫,然而裂縫面并不平直,存在較大程度的轉向(圖13(b)).水平裂縫幾乎完全貫穿整個試樣,裂縫長度約等于試樣周長.裂縫處于閉合狀態,縫寬小于1 mm.

圖13 粉質黏土水合物冰沉積物試樣(sample 3#)壓裂裂縫形態Fig.13 Fracture morphology of silty clay hydrate sediment sample(sample 3#)

從圖13(a)和圖13(b)可以看出,冰層非均質性較強,廣泛發育弱面、孔洞等等,這是水裂縫發生轉向的主要原因.由于水合物沉積物表面覆蓋冰層,極大地提高了整體的膠結強度.冰層的脆性指數較高,可以提高水合物沉積物的成縫能力.水合物與冰同時存在,傾向于產生復雜裂縫.

2.3.2 砂土水合物?冰沉積物試樣

砂土和粉質黏土水合物?冰沉積物試樣壓裂形態特征基本一致,結果如圖14 所示.壓裂形成的裂縫整體呈現水平形態,局部區域出現分叉裂縫.裂縫面不平直,轉向特征明顯.水平縫基本上貫穿了整個試樣,縫長約等于試樣周長.與不含冰層的砂土水合物沉積物試樣相比,裂縫擴展具有較好的方向性,傾向于形成單一的水平裂縫,不利于裂縫網絡的形成.這是由于冰層的存在,很大程度上限制了水合物膨脹,影響了微裂縫的形成.總的來看,砂土和粉質黏土水合物?冰沉積物試樣壓裂形態特征主要取決于冰層的強度和非均質性.

圖14 砂土水合物冰沉積物試樣(sample 33#)壓裂裂縫形態Fig.14 Fracture morphology of sand hydrate-ice sediment sample(sample 33#)

2.3.3 注入壓力特征

圖15 粉質黏土和砂土水合物冰沉積物試樣壓裂壓力曲線Fig.15 Fracturing pressure curve of silty clay and sand hydrate-ice sediment sample

圖15 為粉質黏土和砂土水合物?冰沉積物試樣壓裂壓力曲線.隨著注入時間的延長,注入壓力逐漸增大.初期壓力增速較慢,后期增速逐漸加快,最終達到最大壓力,之后壓力迅速下降至零.粉質黏土水合物?冰沉積物試樣的破裂壓力約為25.2 MPa,裂縫開始擴展的時間為18 s.砂土水合物?冰沉積物試樣的破裂壓力約為21.4 MPa,裂縫開始擴展的時間為16 s.相比而言,粉質黏土水合物?冰沉積物試樣具有較高的破裂壓力.事實上,兩者之間的破裂壓力差別不大,且壓裂壓力曲線形態有很大相似性.說明當冰層存在時,壓裂特征主要取決于冰層的性質,而沉積物骨架的性質影響較小.

2.4 骨架、水合物及水合物冰沉積物試樣成縫試驗結果對比

本文中土骨架試樣成分為粉質黏土和粉細砂土,水合物沉積物試樣由四氫呋喃水合物與土骨架組成,水合物?冰沉積物試樣由四氫呋喃水合物、冰層和土骨架.表2 給出了不同土質的沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣的強度及成縫能力參數.其中,由于水合物?冰沉積物試樣難以開展高壓三軸力學實驗,無法測量強度參數.考慮到水合物?冰沉積物與與冰、冰沉積物有相似性,本文分別采用河冰和冰沉積物的強度參數來代替粉質黏土和粉細砂土水合物?冰沉積物試樣的強度參數,作為定性分析的依據.從表2 中可以看出:

(1)含水合物的沉積物比不含水合物的骨架的內聚力高了幾倍以上,水合物與骨架粘結,使得顆粒間得膠結強度提高.水合物的存在提高了粉質黏土的內摩擦角,但是降低了粉細砂土的內摩擦角.可見,水合物沒有改善顆粒表面的粗糙度和滑動摩擦,與內摩擦角沒有必然關系.

(2)對于相同土質的沉積物而言,水合物?冰沉積物的破裂壓力最高,水合物沉積物次之,沉積物骨架最低.從總體趨勢來看,破裂壓力與內聚力呈正相關關系.高內聚力的沉積物具有較高的顆粒間膠結強度,在一定程度上阻礙了拉伸裂縫的擴展,從而提高了破裂壓力.

(3)對于不同土質的沉積物而言,粉質黏土沉積物的破裂壓力總體高于砂土沉積物.這與粉質黏土沉積物特殊的應力?應變和低滲透特征有關.當粉質黏土沉積物應變高于6%時,粉質黏土試樣強度迅速上升,呈現應變強化的特征,對水力拉伸裂縫的擴展具有一定的阻礙作用.此外,粉質黏土沉積物顆粒粒徑小,滲透性差,使得水力難以通過滲透作用迅速傳遞壓力,從而提高了沉積層的破裂壓力.

(4)水合物和冰的存在提高了沉積物的成縫能力.此外,裂縫受冰層非均質性影響,擴展過程中會出現轉向,容易出現復雜裂縫.相比砂土沉積物而言,粉質黏土沉積物在水力作用下裂縫擴展方向性較好,成縫能力強.而砂土沉積物在水力作用下,顆粒容易脫落,進而發生“流土”現象,不利于裂縫的形成.

表2 試樣的強度參數及成縫特征Table 2 Strength parameters and hydraulic fracture characteristics

通過以上對比研究可以看出,土質、水合物和冰飽和度對沉積層的力學強度及成縫能力參數所起的作用差別很大.此外,水力成縫能力不僅僅取決于力學強度,還與沉積物本身的滲透性和傳熱性有關.本文的壓裂實驗是在無圍壓條件下開展的,并不能完全反映實際地層的裂縫擴展規律.在常規三軸和真三軸條件下,裂縫的破裂壓力會明顯提高,裂縫擴展方向很大程度上會與最小主應力的方向垂直.在以后的研究中,需要深化圍壓條件下的水合物沉積層裂縫擴展方面的研究.

綜合來看,雖然水合物沉積層與頁巖地層具有一定相似性,但是裂縫擴展機理存在較大不同.水合物沉積層的水力裂縫在溫度場、應力場、化學場和滲流場共同作用下擴展,同時伴隨著水合物的相變和孔隙結構的劇烈變化.因此,傳統的水力壓裂技術難以直接應用于水合物沉積層的開采.

3 結論

本文針對沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣開展壓裂對比試驗,研究了不同沉積物的壓裂裂縫擴展形態和破裂壓力,闡明了沉積物骨架性質、水合物和冰對水力裂縫形態的控制作用.得出的結論如下:

(1)粉質黏土和砂土沉積層總體上呈現相似的壓裂特征,沉積物骨架破裂壓力較低,水合物和冰層的存在能夠提高破裂壓力.尤其是當冰層存在時,壓裂特征主要取決于冰層的性質,而沉積物的骨架性質影響較小.裂縫受冰層非均質性影響,擴展過程中會出現轉向,容易出現復雜裂縫.

(2)粉質黏土和砂土沉積層的壓裂裂縫形態存在較大不同.對于沉積物骨架試樣而言,粉質黏土沉積物骨架同時產生垂直裂縫和水平裂縫,而砂土沉積物骨架產生了水平裂縫;對于水合物沉積物試樣而言,粉質黏土水合物沉積物形成了水平裂縫,而砂土水合物沉積物產生了縫網;對于水合物?冰沉積物試樣,兩者都形成了水平裂縫,且呈現出明顯的轉向特征,裂縫復雜度較高.

(3)水合物沉積物地層壓裂過程中,裂縫在流體壓力和熱應力聯合作用發生擴展,具有明顯延遲效應.適當延長注入時間,保持流體與沉積層充分接觸,會起到加熱水合物沉積層和引起水合物分解的作用,在一定程度上可降低破裂壓力.