鉆井巖屑回注誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展研究及發(fā)展趨勢(shì)

李斌， 張帥， 耿鐵， 馮永存， 鄧金根

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司， 塘沽 300450； 2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249)

目前油基鉆屑的地面處理方法主要有固化處理、生物處理法、熱處理法等[1-2]。

其中最常用的當(dāng)屬熱脫附方法，通過直接或間接對(duì)油基巖屑進(jìn)行加熱，使巖屑中包含的油達(dá)到一定溫度后氣化，然后從巖屑中揮發(fā)出來，實(shí)現(xiàn)油與巖屑的分離，在中國廣泛應(yīng)用于四川、重慶、新疆以及渤海地區(qū)。但熱脫附技術(shù)瓶頸主要有：?jiǎn)翁自O(shè)備處理能力低、能量消耗大等[3]。

固化技術(shù)是指利用石灰等添加劑將油基巖屑固化，將油與巖屑固定在一起，防止污染環(huán)境。但油基巖屑固化處理后通常需要占用大面積土地來進(jìn)行填埋處理，占地面積大，成本高成了制約固化處理技術(shù)發(fā)展的最大問題[4-5]。

生物處理技術(shù)是利用天然存在的微生物對(duì)油基巖屑中的油相等有害物質(zhì)進(jìn)行降解，最終使巖屑達(dá)到可排放的標(biāo)準(zhǔn)，理論上是最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的技術(shù)。但是由于微生物培養(yǎng)需要特定條件，并且微生物降解巖屑是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)過程，因此該技術(shù)并沒有廣泛推廣起來[6]。

化學(xué)熱洗法是將油基巖屑中加入相應(yīng)的化學(xué)試劑和水，混合均勻后加熱到指定溫度，在化學(xué)作用和溫度作用下將油和巖屑分離[7]。雖然化學(xué)熱洗法油相回收率高，但是對(duì)于化學(xué)藥劑的選擇有一定要求，且處理難度大[8]。

而其他方法還包括填埋法、焚燒法，但都由于污染環(huán)境已經(jīng)停止使用[7]。

綜上所述，雖然油基巖屑目前的處理方法種類很多，但是均存在一些關(guān)鍵的制約點(diǎn)，最主要的特點(diǎn)就是處理成本高，難度大，需要占用大面積土地或處置空間[9-11]，而巖屑回注是解決該問題的有效方法，可實(shí)現(xiàn)鉆井廢物的零排放，減少地表污染，降低運(yùn)輸成本和地面堆積成本，最重要的是不受地點(diǎn)的限制[12-18]，尤其針對(duì)海上油基巖屑處理，優(yōu)點(diǎn)更加明顯[19-21]。

巖屑回注過程主要過程包括：①油基巖屑等廢棄物的收集并將其研磨至符合要求的尺寸；②將研磨后顆粒與海水或清水混合，并添加化學(xué)藥劑形成穩(wěn)定漿體；③使用高壓泵組將配置好的漿液泵注到指定地層[22-23]。巖屑回注施工與水力壓裂施工類似，都是以高于地層破裂壓力的壓力向地下注入攜帶固體顆粒的漿液。二者最大的不同在于水力壓裂是一次性施工，且希望獲得波及范圍更廣的裂縫，而巖屑回注是間歇式施工，以期在注入量相同的情況下盡可能使裂縫波及范圍更小。在首次施工時(shí)，巖屑回注裂縫與水力壓裂裂縫一致，但是經(jīng)過停泵再次注入過程時(shí)，是否打開原裂縫還是在其他位置形成新的裂縫不得而知。因此，巖屑回注裂縫與水力壓裂裂縫產(chǎn)生原理相同，但由于施工方式不同，其裂縫形態(tài)及延伸規(guī)律有著顯著的不同[24-25]。

早在20世紀(jì)80年代，墨西哥灣就成功實(shí)現(xiàn)了小體積鉆井廢棄物環(huán)空回注；到20世紀(jì)90年代，該技術(shù)已經(jīng)在北海、阿拉斯加等地實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，主要用于海上鉆井平臺(tái)廢棄物處理[26-31]。經(jīng)過不斷的技術(shù)攻關(guān)，世界各地已經(jīng)安全注入數(shù)百萬桶的鉆井廢棄物，該技術(shù)已經(jīng)成為世界上各大海上油氣田處理鉆井廢棄物的首選方法[32]，并且已經(jīng)開始在陸上油氣田應(yīng)用，以此來應(yīng)對(duì)當(dāng)前低油價(jià)，環(huán)保要求高的情況，實(shí)現(xiàn)鉆井廢棄物低成本，無害化處理[26, 28, 33]。

雖然巖屑回注技術(shù)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，但是施工過程中仍存在多種風(fēng)險(xiǎn)，主要有裂縫穿透隔層溝通現(xiàn)有井、溝通地下水層、激活斷層等導(dǎo)致已經(jīng)回注的污染物泄漏[17, 34]，這些風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵影響因素就是巖屑回注裂縫的延伸范圍和處置域幾何形態(tài)[33, 35]。因此有必要對(duì)巖屑回注裂縫研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，為后續(xù)研究提供參考信息。將從四個(gè)方面對(duì)已發(fā)表文獻(xiàn)中關(guān)于巖屑回注誘導(dǎo)裂縫的基礎(chǔ)研究進(jìn)展進(jìn)行討論：①回注裂縫的實(shí)驗(yàn)研究；②回注裂縫的物理模型研究；③回注裂縫的理論計(jì)算研究；④回注裂縫的數(shù)值模擬研究。同時(shí)指出當(dāng)前研究的局限性，提出未來的研究方向。

1 巖屑回注裂縫的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

1999年，美國聯(lián)合多家石油公司，啟動(dòng)了編號(hào)為DEA-81的聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是對(duì)具有代表性的巖屑回注方案進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別在不同類型巖心中進(jìn)行了巖屑回注實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①高滲透率隔層可有效控制裂縫的垂向延伸[圖1(a)]；②在膠結(jié)良好的巖樣中多次間歇回注會(huì)產(chǎn)生多裂縫[圖1(b)]；③在頁巖中進(jìn)行巖屑回注，多裂縫形成的主要原因是黏土遇水膨脹導(dǎo)致地應(yīng)力變化，產(chǎn)生多裂縫；④在膠結(jié)差的高滲透地層中，地層塑性明顯，顆粒進(jìn)入地層后使得近井地帶地層變形明顯，并且形成短而寬的裂縫[圖1(c)]；⑤而在相同注入體積下，間歇注入裂縫尺寸和裂縫波及范圍均小于連續(xù)注入[36]。

Khodaverdian等[37]同樣開展了巖屑回注室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究弱膠結(jié)砂巖中裂縫尖端在地層中的傳播特性。研究結(jié)果表明，由于弱膠結(jié)地層沒有內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度，裂縫尖端傳播不符合線彈性斷裂力學(xué)機(jī)制，主要是由于弱膠結(jié)地層塑性明顯，產(chǎn)生的裂縫類似于沖蝕縫。

袁文奎等[38]采用人工制作大尺寸疏松砂巖巖樣進(jìn)行了裂縫起裂室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬了不同地層參數(shù)，包括泥質(zhì)含量、滲透率、地應(yīng)力等對(duì)裂縫的影響，并使用不同的壓裂液進(jìn)行試驗(yàn)，分析注入漿液對(duì)裂縫起裂的影響。結(jié)果顯示，所有實(shí)驗(yàn)巖心都出現(xiàn)了不同程度的多縫結(jié)構(gòu)。不僅出現(xiàn)主裂縫，同樣會(huì)出現(xiàn)多個(gè)剪切破壞分支裂縫。此外，壓裂液黏度對(duì)裂縫影響顯著，高黏度壓裂液同樣伴隨著高延伸壓力。對(duì)于不同參數(shù)巖樣而言，泥質(zhì)含量越高、滲透率越低，巖樣裂縫起裂越容易，延伸壓力越低。同樣的，破裂壓力和圍壓成正比，圍壓越大，起裂壓力越大。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法適用于單次注入的水力壓裂研究。而巖屑回注室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求模擬疏松砂巖地層中的多次注入，研究間歇注入裂縫的延伸規(guī)律，由于疏松砂巖取心難，且標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心無法滿足多次注入實(shí)驗(yàn)。因此，針對(duì)巖屑回注開展的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究較少。

在DEA-81實(shí)驗(yàn)之后，大多數(shù)人都引用其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在其實(shí)驗(yàn)結(jié)果上重新分析，或是開展疏松砂巖單次注入實(shí)驗(yàn)，少有學(xué)者進(jìn)行多次注入室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。雖然針對(duì)巖屑回注的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究較少，但已開展的實(shí)驗(yàn)研究也已經(jīng)證實(shí)了巖屑間歇回注過程多裂縫的存在，而對(duì)于裂縫的特點(diǎn)(如方位角、長(zhǎng)度、寬度等)并沒有進(jìn)行定量描述[36]。在此之后，巖屑回注施工項(xiàng)目大多使用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)來描述裂縫具體的方位角、數(shù)量以及波及范圍。

圖1 DEA-81項(xiàng)目室內(nèi)巖屑回注實(shí)驗(yàn)結(jié)果[36]Fig.1 Laboratory experiment of cuttings re-injection of DEA-81 project[36]

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

早在1989年，ARCO(Atlantic Richfield Company)石油公司就在普拉德霍灣油田進(jìn)行了永久凍土下的廢物注入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注入過程回注點(diǎn)附近產(chǎn)生了多條水平裂縫[39]。而美國聯(lián)合工業(yè)小組基于DEA-81室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在俄克拉荷馬州貝克休斯試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)包括3口井，一口作為注入井，另外兩口作為監(jiān)測(cè)井，分別在600 m深的頁巖和800 m深的砂巖中進(jìn)行巖屑回注實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖中觀察到21處裂縫，裂縫方位角分布為0°～33°(從92°到125°)，如圖2所示；頁巖中識(shí)別到9條裂縫，裂縫方位角分布為0°～26°(從99°到125°)(圖3)，再一次證明了間歇注入會(huì)導(dǎo)致多裂縫產(chǎn)生。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，注入壓力會(huì)隨著注入批次的增多而上升，表明在地層中存在裂縫的限制區(qū)域，阻止裂縫自由發(fā)展，證明處置域的概念[40-41]。此后，Peterson等[42]和Shokanov等[43]對(duì)DEA-81現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，結(jié)果表明DEA-81現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確實(shí)證實(shí)了處置域的存在以及回注過程中多裂縫的產(chǎn)生，但是并沒有產(chǎn)生之前實(shí)驗(yàn)結(jié)論所說的廣泛處置域，因?yàn)樯皫r中回注產(chǎn)生的裂縫主要分布在距注入點(diǎn)60 ft(1 ft=30.48 cm)內(nèi)，6°的范圍內(nèi)(從119°到125°)，而頁巖中裂縫主要分布在距注入點(diǎn)61 ft內(nèi)，6°的范圍內(nèi)(從119°到125°)。此外，還發(fā)現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生明顯與注入過程有關(guān)，與注入漿液中所包含的固相種類無關(guān)。

1 ft=30.48 cm圖2 砂巖回注微地震測(cè)量裂縫分布[41]Fig.2 Distribution of fractures measured by microseismic in sandstone re-injection[41]

1 ft=30.48 cm圖3 頁巖回注微地震測(cè)量裂縫分布[41]Fig.3 Distribution of fractures measured by microseismic in shale re-injection[41]

中石油集團(tuán)在澀北氣田成功應(yīng)用微地震技術(shù)開展了疏松砂巖壓裂裂縫監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)結(jié)果與測(cè)井曲線對(duì)比驗(yàn)證了微地震的監(jiān)測(cè)精度符合工程應(yīng)用。裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，儲(chǔ)層的最大、最小水平主應(yīng)力差值小，易產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)；泥巖含量高或泥巖層對(duì)裂縫起到格擋作用，阻止裂縫縱向過度延伸[44]。

無論是巖屑回注現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)還是疏松砂巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)均可以觀測(cè)到施工過程中裂縫的延伸范圍，更適用于施工過程中風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，避免裂縫過度延伸導(dǎo)致泄漏事件發(fā)生。但是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法無法獲得裂縫的尺寸、斷裂能量、斷裂方式等數(shù)據(jù)，對(duì)于裂縫起裂和擴(kuò)展機(jī)理的研究并不適用。

雖然巖屑回注室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究較少，但均證實(shí)了間歇回注會(huì)在目標(biāo)地層產(chǎn)生多裂縫處置域，對(duì)特定地層中巖屑回注施工產(chǎn)生的裂縫形狀、數(shù)量以及處置域形狀位置等現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析。然而裂縫如何產(chǎn)生、如何傳播是施工參數(shù)和地層巖石力學(xué)參數(shù)的函數(shù)，需要對(duì)裂縫起裂和延伸機(jī)理進(jìn)行研究。因此，許多學(xué)者結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬對(duì)巖屑回注裂縫進(jìn)行了更加深入的研究。

2 巖屑回注裂縫物理模型

巖屑回注裂縫形態(tài)的理論研究開始于回注裂縫形態(tài)和回注裂縫處置域的簡(jiǎn)化物理模型。巖屑回注物理模型主要分為兩大類：車輪狀模型和多分支模型。后續(xù)的研究也都基于這兩類模型進(jìn)行開展。

2.1 “車輪”模型

Moschovidis等[41]提出巖屑回注裂縫處置域的概念，認(rèn)為初次注入會(huì)產(chǎn)生沿最大水平地應(yīng)力方向的垂直縫，而在停泵期間，漿液中的液體濾失，巖屑顆粒在裂縫表面堆積、阻止裂縫完全閉合，引起局部應(yīng)力增加，當(dāng)局部應(yīng)力增加到某一點(diǎn)時(shí)，隨后的注入將在近井地帶已有裂縫附近產(chǎn)生新裂縫，直至最終形成多裂縫處置域。Moschovidis將該裂縫模型命名為“車輪”處置域模型(圖4)，該模型是一個(gè)由多裂縫形成的處置域，裂縫在360°范圍內(nèi)均勻分布，類似于車輪狀。Ji等[45]在Moschovidis研究基礎(chǔ)上，認(rèn)為地下巖屑處置域周圍可簡(jiǎn)化為兩種類型：均勻?qū)挾萚圖5(a)]和均勻應(yīng)變[圖5(b)]“車輪”模型。

“車輪”模型是最早提出的巖屑回注處置域模型，雖然在后來的研究中“車輪”模型被證實(shí)不符合實(shí)際，但也為回注處置域和裂縫延伸規(guī)律的研究和發(fā)展提供了研究思路。

圖4 “車輪”處置域模型[41]Fig.4 “Wheel” disposal domain model[41]

圖5 處置域模型示意圖[45]Fig.5 Schematic diagram of the disposal domain model [45]

2.2 多分支裂縫模型

圖6 二次裂縫起裂位置模型[45]Fig.6 Secondary fracture location model[45]

圖7 復(fù)雜縫網(wǎng)模型[46]Fig.7 Complex fracture model[46]

“車輪”模型是基于各向同性的理想地層提出的，并不能很好地反映實(shí)際施工情況。因此，Ji等[45]提出了具有水平應(yīng)力差異地層中的裂縫模型，認(rèn)為再次注入過程中新裂縫產(chǎn)生存在4種潛在位置：①重新打開原裂縫；②在井眼處產(chǎn)生與原裂縫垂直的新裂縫；③在井眼處產(chǎn)生與原裂縫的斜交縫；④先打開原裂縫，然后在遠(yuǎn)離井筒位置產(chǎn)生與原裂縫的斜交縫(圖6)。此外，Schmidt等[46]認(rèn)為在較弱膠結(jié)砂巖地層中進(jìn)行巖屑回注，由于地層的強(qiáng)度很小，每次注入都能產(chǎn)生足夠的剪切力來克服顆粒之間的膠結(jié)力，并不能形成車輪狀或清晰的多裂縫形狀的處置域，而是形成復(fù)雜的交叉縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖7)，并稱這種模型為復(fù)雜縫網(wǎng)模型。而在較淺地層中，當(dāng)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力差值不是很大時(shí)，隨著多批次巖屑回注，地層水平應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)垂向方向不再是最大地應(yīng)力方向時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)另外一種模型，T形縫(圖8)。該模型描述的裂縫形態(tài)是在剛開始的裂縫是垂直方向的，隨著注入批次的增加，可能產(chǎn)生T形縫[47-48]。

從“車輪”模型到多分支模型，再到復(fù)雜縫網(wǎng)模型的演變使回注裂縫物理模型逐漸接近真實(shí)情況。其中“車輪”模型被證實(shí)不符合實(shí)際，多分支模型適用于普通砂巖地層中的回注裂縫描述，而復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型更加適用于疏松砂巖地層巖屑回注裂縫描述。

對(duì)于巖屑回注的研究普遍認(rèn)為，回注過程要采用間歇注入，首次注入會(huì)產(chǎn)生和水力壓裂相似的裂縫(即裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸)，隨后的關(guān)井期間由于漿液中的液體濾失，固相沉積在裂縫表面，阻止裂縫完全閉合，因此會(huì)引起近井地帶地應(yīng)力的增加[43, 49-51]，形成多裂縫處置域，而地應(yīng)力場(chǎng)的變化是引起裂縫重新打開或轉(zhuǎn)向的根本原因[27, 52-54]。

圖8 T形縫模型[48]Fig.8 T-shaped fracture model[48]

雖然專家們提出了多種裂縫物理模型，定性描述了裂縫的擴(kuò)展形態(tài)以及波及范圍。但是所有模型都是基于經(jīng)驗(yàn)，并沒有足夠的理論證據(jù)來證明模型的正確性，這是導(dǎo)致裂縫形態(tài)一直存在爭(zhēng)議的關(guān)鍵問題。而在最近20年，專家們?cè)噲D利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬的方法去定量解釋巖屑回注過程中的裂縫產(chǎn)生機(jī)理和延伸規(guī)律，并且取得了一些成果。

3 回注裂縫理論研究進(jìn)展

巖屑回注裂縫寬度、長(zhǎng)度以及方位是涉及多個(gè)地層參數(shù)和施工參數(shù)的函數(shù)，因此，數(shù)學(xué)模型以及理論研究是定量化表征裂縫延伸規(guī)律的關(guān)鍵，并在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步開展數(shù)值模擬研究。

3.1 典型裂縫斷裂理論模型

從20世紀(jì)80年代以來，研究人員提出了多個(gè)裂縫斷裂理論模型，其中在二維模型中最常用的是KGD(Khristinaovic-Geertsma-de Klerk)，PKN(Perkins-Kern-Nordgren)和Penny-shape裂縫模型[55-56]，這些模型假設(shè)裂縫延伸過程中高度不變，寬度和裂縫半長(zhǎng)可變[57-58]。對(duì)于三維模型而言，以Clifton等[59]和Cleary等[60]的模型最具有代表性，模型認(rèn)為水力裂縫的幾何形態(tài)的主要影響因素是壓裂液的流動(dòng)狀態(tài)和地層的彈性變形，而斷裂機(jī)制僅僅對(duì)層流流動(dòng)產(chǎn)生影響。

3.2 回注裂縫延伸理論計(jì)算

Ji等[45]將地層中的三維斷裂簡(jiǎn)化為平面內(nèi)的二維斷裂PKN模型和Penny模型，根據(jù)Sneddon等[61-62]壓力計(jì)算方法來研究裂縫周圍的應(yīng)力變化，并驗(yàn)證“車輪”模型(均勻應(yīng)變和均勻?qū)挾饶Ｐ?是否可行。結(jié)果表明，地層應(yīng)力的變化均發(fā)生在近井裂縫區(qū)，主要受裂縫幾何形態(tài)和巖石泊松比的影響，裂縫附近最大和最小水平主應(yīng)力有相同的變化趨勢(shì)；而計(jì)算結(jié)果表明均勻?qū)挾取败囕啞蹦Ｐ停粝胍诰鄹浇霃綖?0 m的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生6個(gè)3 mm寬的雙翼裂縫，則需要1.0×108Pa的壓力，顯然不符合實(shí)際施工情況。同樣的，對(duì)于均勻應(yīng)變“車輪”模型而言，裂縫總寬度與半徑成反比，基于此，計(jì)算得出井眼處裂縫寬度僅僅為0.01 mm，這同樣是不符合實(shí)際的。因此“車輪”式理想處置域模型在現(xiàn)實(shí)情況中是不存在的[45]。

在證實(shí)“車輪”式模型不符合實(shí)際情況后, Ji等[45]基于PKN斷裂理論對(duì)已經(jīng)提出的4種裂縫潛在裂縫位置(圖6)進(jìn)行了理論計(jì)算，進(jìn)一步分析新裂縫產(chǎn)生的位置。計(jì)算結(jié)果表明：

(1)類型1樣式的新裂縫發(fā)生可能性很大，因?yàn)楫?dāng)回注次數(shù)較少時(shí)，裂縫表面沉積的巖屑顆粒較少，并不足以使近井地帶最小水平地應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)向，因此再次注入仍會(huì)打開原裂縫。但是需要強(qiáng)調(diào)的是，此情況僅發(fā)生在巖屑回注早期，隨著注入量的增加，近井地帶最小水平地應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)向，裂縫形態(tài)也會(huì)隨之改變。

(2)然而對(duì)于類型2而言，井筒附近壓力必須超過近井地帶應(yīng)力集中才能產(chǎn)生和原來裂縫垂直的新裂縫[48]，并且應(yīng)力增量需要滿足

(1)

或

Δσh>σh,o+pi

(2)

式中：Δσh為最小水平主應(yīng)力變化量，MPa；σH,o為初始最大水平主應(yīng)力，MPa；σh,o為初始最小水平主應(yīng)力，MPa；pi為裂縫破裂壓力，MPa；υ為泊松比。

計(jì)算結(jié)果表明Δσh總是小于等于裂縫凈破裂壓力pi，因此在絕大多數(shù)巖屑回注項(xiàng)目中很難滿足此條件。對(duì)比前兩種新裂縫類型，顯然第一種情況更容易發(fā)生。

(3)類型3是在井筒附近產(chǎn)生新的傾斜裂縫，新裂縫與初始裂縫的夾角為θ，為了滿足此條件，同樣需要滿足井筒壓力超過近井地帶的應(yīng)力集中，另外還要滿足

σh,o+pi<0

(3)

或

Δσh<-(σh,o+pi)

(4)

在現(xiàn)實(shí)情況中，裂縫周圍的最小水平地應(yīng)力是增加的(Δσh為正數(shù))，很顯然，不可能滿足式(3)、式(4)，因此在井筒處產(chǎn)生與原裂縫新的斜交裂縫是不可能的。

(4)類型4是首先打開原有裂縫，然后在原裂縫遠(yuǎn)離井筒處形成新的分支裂縫，這種情況下，最小水平地應(yīng)力變化需要滿足

(5)

從式 (5) 中可以看出，當(dāng)?shù)貙釉甲畲蟆⒆钚∷街鲬?yīng)力接近，泊松比較小時(shí)可以滿足，在實(shí)際中，多數(shù)砂巖地層具備這種性質(zhì)。

基于四種假設(shè)計(jì)算結(jié)果，可以確定再次注入巖屑產(chǎn)生概率最大的裂縫類型是首先打開原有裂縫，然后在井筒遠(yuǎn)端形成一個(gè)新的傾斜縫。計(jì)算結(jié)果同樣也再次證明了車輪模型是不符合實(shí)際的[45]。

上述裂縫斷裂理論和計(jì)算公式均基于線彈性斷裂力學(xué)，更適用于膠結(jié)良好地層的裂縫計(jì)算。而基于巖屑回注實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)回注經(jīng)驗(yàn)表明，巖屑回注的最佳地層是松軟的、孔隙度大、滲透率高的疏松砂巖地層[46, 63]。疏松砂巖地層在破裂過程中塑性行為占主導(dǎo)，所以回注裂縫的斷裂和延伸將不遵循線彈性力學(xué)理論。因此，絕大多數(shù)已經(jīng)發(fā)表的裂縫理論并不能很好地反映疏松砂巖地層巖屑回注裂縫的生長(zhǎng)和延伸規(guī)律。

此外，巖屑回注過程中裂縫的產(chǎn)生不僅和地層自身的物理性質(zhì)有關(guān)，施工參數(shù)也會(huì)對(duì)裂縫產(chǎn)生很大的影響，單靠理論分析，很難保證研究結(jié)果的真實(shí)性，而應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)可研究巖屑回注過程中多因素下裂縫的產(chǎn)生規(guī)律。

4 巖屑回注數(shù)值模擬研究進(jìn)展

在理論研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究巖屑回注裂縫的擴(kuò)展可同時(shí)考慮多因素對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，使其模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。巖屑回注數(shù)值模擬研究主要針對(duì)宏觀上回注裂縫的波及范圍進(jìn)行研究，觀察裂縫的尺寸，延伸規(guī)律，分析不同地層參數(shù)和施工參數(shù)對(duì)回注裂縫的影響。

4.1 地層參數(shù)對(duì)裂縫影響數(shù)值模擬

Guo等[64]利用真三維水力壓裂模擬器-TerraFracTM研究巖屑回注過程中處置域裂縫屏蔽機(jī)理。研究結(jié)果表明裂縫屏蔽機(jī)理主要有三種：第一種是應(yīng)力屏蔽，當(dāng)上覆巖層破裂壓力明顯大于回注目的層破裂壓力，可防止裂縫延伸至目的層之外[圖9(a)]；第二種是滲透率屏蔽，當(dāng)裂縫延伸到更高滲透率地層時(shí)，液體濾失速度加快，固相將以更快的速度沉積在裂縫表面，形成濾餅，從而阻止了裂縫繼續(xù)生長(zhǎng)[65][圖9(b)]；第三種是楊氏模量屏蔽，高楊氏模量對(duì)應(yīng)高硬度，因此當(dāng)裂縫延伸到高楊氏模量地層時(shí)裂縫寬度就會(huì)減小，從而增加流體在裂縫中的摩擦力，減緩裂縫生長(zhǎng)速度[圖9(c)][51, 64]。

1 in=2.54 cm；1 ft=30.48 cm圖9 裂縫屏蔽模擬Fig.9 Fracture barrier simulation

Abow-Sayed等[27]建立三維模型模擬多批次巖屑注入，并在模型中改變地應(yīng)力各向異性強(qiáng)度，以此來觀察多批次注入在不同地應(yīng)力條件下裂縫生長(zhǎng)規(guī)律以及裂縫處置域形狀。模擬結(jié)果顯示，在應(yīng)力各向異性較強(qiáng)的地層中，多批次注入首先會(huì)在應(yīng)力較低的區(qū)域形成一定范圍內(nèi)的多裂縫，隨著注入批次的增加，近井區(qū)域局部應(yīng)力逐漸增加，裂縫將向上延伸，重新形成新的處置層[圖10(a)]。然而在應(yīng)力各向異性弱的地層中，多批次注入會(huì)形成周向范圍較廣的多裂縫，并且裂縫尺寸隨著注入批次的增加而增加，不會(huì)出現(xiàn)明顯的多個(gè)處置層的現(xiàn)象[圖10(b)]。同樣的，馮月麗等[66]在最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)了在各向異性地層中最大主應(yīng)力方向夾角越小的裂縫滲透率越大，地層各向異性越強(qiáng)單個(gè)裂縫的位移越大。

圖10 不同類型地層處置域幾何形狀[27]Fig.10 Geometry of different types disposal domains[27]

4.2 施工參數(shù)對(duì)裂縫影響數(shù)值模擬

Yamamoto等[67]在水力壓裂模型上考慮了固相運(yùn)移，建立了可模擬顆粒流在裂縫中運(yùn)動(dòng)的模型來研究巖屑回注過程中漿液的固相濃度對(duì)裂縫的影響。模擬結(jié)果表明，當(dāng)注入高濃度漿液時(shí)，由于固體顆粒的沉降以及黏度的增加阻止裂縫向下生長(zhǎng)，因此裂縫更傾向于向上傳播(圖11)，但是高濃度漿液需要更高的注入壓力，存在注入失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 不同固相濃度下的處置域形狀[67]Fig.11 Disposal domain shapes of different solid phase concentrations[67]

Ji等[68]提出了一種真實(shí)的三維邊界元模擬方法，根據(jù)回注漿液性質(zhì)和地層條件建立模型，通過改變模型中漿液的流變性，固體顆粒尺寸、濃度、漏失特性和地層參數(shù)模擬不同性質(zhì)漿液對(duì)回注裂縫擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，固體顆粒濃度和尺寸是控制裂縫生長(zhǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)注入顆粒尺寸為500～600 μm時(shí)，固體更容易在裂縫尖端形成固體堆積，導(dǎo)致注入壓力迅速升高，裂縫垂向延伸更遠(yuǎn)，漿液泄露風(fēng)險(xiǎn)隨之升高；但是在注入顆粒尺寸在250～300 μm時(shí)不會(huì)發(fā)生此問題(圖12)。同樣的，過高的注入漿液濃度和過高的漏失系數(shù)同樣會(huì)導(dǎo)致注入壓力迅速升高。

1 bbl=159 L； 1 in=2.54 cm圖12 回注顆粒尺寸對(duì)裂縫寬度影響[68]Fig.12 Re-injection particle size effect on fracture width[68]

Shen等[69]為了確定巖屑回注過程中最佳的注入壓力和注入速度，利用Cohesive element建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的三維有限元模型，采用孔隙彈塑性損傷模型分別模擬目標(biāo)地層cohesive 裂縫垂直和水平方向的擴(kuò)展。模擬結(jié)果表明，在較高的注入速率下可以獲得較高的穩(wěn)定凈壓力。

針對(duì)巖屑回注間歇施工的特點(diǎn)，王笑雨等[70]開發(fā)了賓漢型漿液的巖屑回注模擬器，開展了間歇注入對(duì)裂縫影響的研究。結(jié)果表明短周期間歇注入可實(shí)現(xiàn)在小范圍內(nèi)注入更多的巖屑顆粒。

此外，針對(duì)海上鉆井巖屑回注裂縫擴(kuò)展的問題，李文忠等[71]提出了物質(zhì)平衡法預(yù)測(cè)裂縫擴(kuò)展的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了求解計(jì)算。結(jié)果表明，基于物質(zhì)平衡法模型計(jì)算的縫長(zhǎng)、縫寬與成熟商業(yè)軟件FracPT計(jì)算結(jié)果相近，誤差分別為5.3%和8.9%，滿足工程需求。因此，物質(zhì)平衡法可以為厚地層垂直裂縫或淺地層水平裂縫的模擬提供方法和依據(jù)。

為研究疏松砂巖裂縫擴(kuò)展機(jī)理，林海等[72]建立流固耦合有限元數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析力學(xué)特性的影響。地層滲透率、壓裂液注入速度和黏度對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，較低的彈性模量有利于誘導(dǎo)短而寬的裂縫，并控制裂縫長(zhǎng)度，而泊松比幾乎沒有影響。注入量大、壓裂液黏度高有利于裂縫起裂和擴(kuò)展。當(dāng)注入速度接近3～4 m3/min，流體黏度大于100 mPa·s時(shí)，可以產(chǎn)生合適的裂縫。隨著地層滲透率的增加，壓裂液對(duì)地層的漏失量增加，不利于裂縫的擴(kuò)展。為弱膠結(jié)油藏壓裂充填設(shè)計(jì)的施工參數(shù)確定提供了理論參考。

而對(duì)于不同注入點(diǎn)(射孔角度)以及不同的回注排量而言，王志榮等[73]開展了水力壓裂近井區(qū)裂縫的轉(zhuǎn)向機(jī)理研究。基于斷裂力學(xué)和最大周應(yīng)力準(zhǔn)則，分析了原始地應(yīng)力場(chǎng)和壓裂過程中的地應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上利用位移不連續(xù)法建立了裂縫轉(zhuǎn)向模型，分別研究不同射孔角度、地應(yīng)力差以及施工排量對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向的影響。計(jì)算結(jié)果表明：地應(yīng)力差與射孔角度對(duì)于裂縫走向影響較大，而施工排量影響較小。當(dāng)射孔角度或地應(yīng)力差較小,壓裂縫偏轉(zhuǎn)距離較大,形成的壓裂縫曲率也較小;反之亦然。

上述數(shù)值模擬研究雖然從不同的角度對(duì)巖屑回注項(xiàng)目影響因素以及裂縫延伸規(guī)律展開了研究，但是大多數(shù)裂縫模型同樣是基于線彈性斷裂力學(xué)理論建立，更適用于頁巖或砂巖地層。同樣的，對(duì)于在軟巖層下進(jìn)行巖屑回注的數(shù)值模型尚未完善。

此外，絕大多數(shù)數(shù)值模擬沒有綜合所有影響因素進(jìn)行建模，只是針對(duì)單一或幾個(gè)影響因素進(jìn)行模擬，因此模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差距。而更關(guān)鍵的問題是多數(shù)研究只針對(duì)單個(gè)裂縫的影響，對(duì)于多裂縫的數(shù)值模擬研究幾乎還處于空白階段。

5 結(jié)論和建議

通過總結(jié)近30年已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了巖屑地下回注裂縫的研究進(jìn)展，從中立的角度分析已發(fā)表研究的優(yōu)勢(shì)和局限性，并進(jìn)行綜述，得出了以下結(jié)論。

(1)典型的DEA-81實(shí)驗(yàn)給許多學(xué)者帶來了啟發(fā)，但是在此之后實(shí)驗(yàn)研究寥寥無幾，近10年并沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，這也是導(dǎo)致對(duì)于裂縫細(xì)節(jié)沒有形成一致認(rèn)識(shí)的主要原因。

(2)在巖屑回注過程中，近井地帶會(huì)形成多裂縫的處置域，隨著巖屑再次注入，首先打開原裂縫，在沿原裂縫遠(yuǎn)離井筒的位置會(huì)產(chǎn)生新的傾斜分支裂縫，分支裂縫的傾斜角度取決于原始地應(yīng)力狀態(tài)。

(3)關(guān)井期間液體濾失，固相沉積在裂縫表面，裂縫不能完全閉合，由此導(dǎo)致裂縫附近應(yīng)力變化，最大/最小水平地應(yīng)力同時(shí)增加。

(4)巖屑回注處置域裂縫屏蔽機(jī)制有三種：應(yīng)力屏蔽、滲透率屏蔽和楊氏模量屏蔽。

(5)所有的研究都沒有獲得裂縫和施工參數(shù)以及地層參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，然而這是從根本上解決裂縫延伸規(guī)律的基礎(chǔ)。

(6)在中國巖屑回注技術(shù)還處于起步階段，幾乎沒有項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，其理論研究也相較于其他國家落后。

根據(jù)目前巖屑回注裂縫基礎(chǔ)研究存在的問題和難點(diǎn)，對(duì)以后的研究提出以下建議。

(1)針對(duì)開展巖屑回注室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)難度大的問題，可以針對(duì)性改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研制大尺寸疏松砂巖巖心制備方法，進(jìn)行多次回注模擬實(shí)驗(yàn)。

(2)巖屑回注過程中面臨的最大難點(diǎn)是回注誘導(dǎo)裂縫起裂和擴(kuò)展規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。因此，后續(xù)研究的重點(diǎn)是建立疏松砂巖地層彈塑性、塑性斷裂理論。

(3)針對(duì)目前數(shù)值模擬理論模型描述疏松砂巖斷裂誤差大的問題，需結(jié)合彈塑性、塑性斷裂理論，建立疏松砂巖數(shù)值模擬新模型，進(jìn)一步推動(dòng)疏松砂巖數(shù)值模擬研究。