Bunger A P,Lakirouhani A,Detournay E
1)CSIRO Earth Science and Resource Engineering,Melbourne,Australia
2)Zanjan University,Zanjan,Iran
3)University of Minnesota,Minneapolis,MN,USA
注入系統(tǒng)壓縮性和粘性流體流動對水壓致裂破碎壓力影響的模擬*
Bunger A P1),Lakirouhani A2),Detournay E3)
1)CSIRO Earth Science and Resource Engineering,Melbourne,Australia
2)Zanjan University,Zanjan,Iran
3)University of Minnesota,Minneapolis,MN,USA
基于水壓致裂數(shù)據(jù)估計巖體的最大應(yīng)力主要取決于對破裂的確定和二次破裂壓力。這種估計的誤差可歸結(jié)于注入系統(tǒng)壓縮性,耦合粘性流體在水壓裂隙中的流動和裂隙通過井孔周圍變化的應(yīng)力場的增長。這些機(jī)制的作用還沒有很好的定量化。本文中的兩個數(shù)值模型為評估非理想條件下與破裂壓力分析有關(guān)的誤差提供了一個基本工具。這兩個數(shù)值模型是注入系統(tǒng)的壓縮性和各向異性的巖石應(yīng)力場中粘性流體在從井孔擴(kuò)展的水壓裂隙中的流動。為了保證足夠的精確性,結(jié)果對于相關(guān)的無量綱參數(shù)值采用基于模型的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)這些標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場條件下滿足不了時,模型可以進(jìn)一步應(yīng)用獲得一級校正,來解釋壓縮性、粘度和近井孔的影響。
廣泛應(yīng)用垂直井孔的水壓致裂方法來確定地應(yīng)力[1-4]。最小水平應(yīng)力σh由水壓裂隙在閉合或返流條件下結(jié)束時井孔壓力的估計值確定。普遍認(rèn)為用水壓致裂法能更精確確定應(yīng)力分量。另一方面,測定最大水平應(yīng)力σH需要重新打開已存在的不同方向的裂隙,即HTPF試驗[5],或者,當(dāng)HTPF不能實際應(yīng)用時,就需要分析破碎和/或重張壓力。后者有許多的不確定性,對地應(yīng)力估算來說,經(jīng)常認(rèn)為對破裂壓力的分析是不可靠的。
分析非滲透性巖石中破裂壓力Pb的兩個經(jīng)典方程是Hubbert和Willis(H-W)[6]
及Haimson和Fairhurst(H-F)[7]
其中σt是抗拉強(qiáng)度。
第一個明顯的不確定性是,H-W準(zhǔn)則和H-F準(zhǔn)則的差異因子是2,這可以通過從裂隙開始增長時的有限長度裂隙的引入得到解決[8-10]。H-W準(zhǔn)則和H-F準(zhǔn)則分別代表兩個極端情況:快速增壓(無流體滲透)和緩慢增壓(完全滲透和均勻分布的裂隙)。從井孔擴(kuò)展的有限裂隙的引入使得基于準(zhǔn)則的抗拉強(qiáng)度隱含的信息明朗化了:裂隙存在于物質(zhì)中。本文我們延伸了這項工作,考慮到水壓裂隙是從一個來自充滿液體井孔的小裂隙增長而形成的,此時應(yīng)力正好大于最小地應(yīng)力σh。用兩個模型模擬水壓裂隙的增長,即用注入系統(tǒng)的壓縮性和粘性流體流動來追蹤水壓裂隙的增長。
可用相同的方法來分析注入和閉合的多周期特點,因為每個新的注入和新的裂隙長度相對應(yīng)。在這種情況下,出現(xiàn)的問題是,破裂能否在后來的注入階段觀測到,并且觀測到的破裂壓力的意義是什么。此外,在實際操作中,將重張壓力Pr定義為鉆孔壓力在壓力-時間記錄曲線變成非線性時的大小,對Pr的有關(guān)解釋也一直是眾多爭論的主題。Bredehoeft等[11]提出,用σt=0時方程(1)作為重張準(zhǔn)則(假設(shè)σH<3σh,因為在注入開始之前裂隙已經(jīng)張開)。另一方面,Ito等[12]認(rèn)為σt=0時方程(2)是適合的準(zhǔn)則,因為裂隙在關(guān)閉時有殘留的縫隙,假如注入速度足夠小的話,這就使得裂隙在重新張開之前不均勻受壓。然而,低于注入速率臨界值時方程(2)(σt=0)是相關(guān)的重張準(zhǔn)則,關(guān)于該值的依賴性還沒有充分研究。最后,就像Ito等人[12]指出的那樣,重張壓力受到注入系統(tǒng)液壓屈服度的影響。
最終目標(biāo)是闡明關(guān)于解釋破裂壓力Pb的另外一個重要的不確定性,Pb一般比裂隙增長開始時的壓力Pi要大。Detournay和Carbonell[13]預(yù)測,Pb≥Pi建立在對極限平衡曲線的分析上,對平面應(yīng)變裂隙來說,曲線本質(zhì)上就是應(yīng)力強(qiáng)度的變化。該預(yù)測被Zhao等人[14]通過試驗所證實,他們的結(jié)果和預(yù)測是一致的:當(dāng)σH=σh時,Pb=Pi;當(dāng)σH>σh時,Pb>Pi。Ito等人[15]也預(yù)測Pb>Pi,原因是注入系統(tǒng)的壓縮性。Lakirouhani等[16]指出第3個因素是壓縮系統(tǒng)和粘性流體流動的耦合。雖然認(rèn)為所有這些機(jī)制都起著作用,但是這些影響還都沒有定量化。因此,為了定量化近井孔應(yīng)力場、注入系統(tǒng)壓縮性和粘性流體流動對破裂和重張壓力的作用,本文運用Lakirouhani等[17]給出的算法來模擬水壓裂隙初始和破裂狀態(tài)。
圖1 示意圖
在非滲透線彈性巖石中兩個對稱破裂面的平面應(yīng)變半徑為a的井孔傳播受以下幾個量影響:楊氏模量E、泊松比ν和破裂韌度KIc(圖1)。因為是對稱的,方程只需求右邊破裂,即a≤x≤l(t)+a,破裂長度為l(t)。解決這個問題必須確定l(t),張開w(x,t),流體壓力分布Pf(x,t)和流體流量q(x,t)。這些量在如下方程中:
其中,彈性核心函數(shù)H(x,s,a)隱含井孔[18]。E′=E/(1-ν2)是平面應(yīng)變彈性系數(shù),Pw(t)=Pf(0,t)是井孔的流體壓力。
考慮到裂隙中不可壓縮的牛頓流體的層流,流量q可通過泊肅葉方程給出:
其中,μ′=12μ是動態(tài)粘滯度。需要注意的是,注入系統(tǒng)是可壓縮的,但是我們認(rèn)為流體的壓縮性對方程(4)和以下連續(xù)方程是可忽略的:
第四,我們需要一個移動邊界方程調(diào)整l(t),在KI=KIc條件下從線彈性破裂機(jī)制(linear elastic fracture mechanics,LEFM)給出,其中,KI是模式I的應(yīng)力強(qiáng)度,KIc是模式I的破裂韌度。LEFM傳播條件可由下式表達(dá):
兩個邊界條件在裂隙尾端張開和流體流量條件下給出:
第3個邊界條件是,考慮到注入系統(tǒng)的壓縮性,進(jìn)入裂隙的流體流量和鉆孔壓力變化速率之間的線性關(guān)系如下:
其中,H(t)是Heaviside單位階躍函數(shù)。這里我們看到,注入的凈流體(沿井孔坐標(biāo)軸單位裂隙的高度)是以一個常數(shù)Qo注入的液體減去儲存在可壓縮的注入系統(tǒng)的那部分U?Pw/?t,其中U是沿井孔坐標(biāo)軸單位裂隙的高度注入系統(tǒng)的體積縮小。如果大部分注入系統(tǒng)壓縮性都?xì)w為液體體積的壓縮,那么U≈CfVo,其中Cf是液體壓縮系數(shù),Vo是沿井孔坐標(biāo)軸單位裂隙高度注入系統(tǒng)的體積。初始條件為:
其中,Ps是一個小的初始凈壓力,假設(shè)最初就存在于裂隙中。這在算法上是必需的,因為解答必須以一些小的初始張開開始。在物理上,相對于最小應(yīng)力σh來說,這是一個小小的過壓,假設(shè)它已經(jīng)存在了很長時間并且已經(jīng)滲透到了最初的裂隙中。
控制方程的無量綱形式的比例法的應(yīng)用可以減少參數(shù)空間的量綱,只考慮無量綱參數(shù)。如果Ps足夠小,不影響結(jié)果的話,我們有3個獨立的量(即,力、長度和時間)和10個獨立的變量(x,t,a,U,K′,μ′,E′,σd,σh,lo)。因此,我們需要最多考慮7個獨立的無量綱參數(shù)[19]。這里,為了方便數(shù)值解法,我們選擇了特殊比例。特別是,我們尋找了一個有固定空間坐標(biāo)的尺度,作為相對于移動或拉伸的坐標(biāo)系。最后,如果這個比例能對結(jié)果的解釋有一些最直觀的幫助是最好的。
令L為一個特征長度,即γ=l/L是一個無量綱長度。我們選它作為破裂體積Vcrack,類似于儲存在注入系統(tǒng)的液體的體積Vcomp。對于具有均勻凈壓力Pw-σh的裂隙,Vcrack~(Pw-σh)L2/E′。正如1.1部分討論的那樣,Vcomp=(Pw-σh)U。因此得出下式:
另外,由于系統(tǒng)的線性特征,特征長度可以理解為裂隙壓縮性和注入系統(tǒng)類似時裂隙的長度。可以得出在注入速率為Qo時,達(dá)到特征長度的時間:
如果裂隙中的壓力接近Pw-σh,LEFM預(yù)測,加上初始及邊界條件:
其中:
注意,下面的計算中初始條件是初始壓力Πs=0.01。
因此,{γ,Π,Ω,Ψ}是ξ,τ,A,M,D和γo的函數(shù)。當(dāng)γ和τ很小時,l<<L,因此壓縮性的影響很大。當(dāng)γ和τ趨向無限大時,壓縮性的影響消失。參數(shù)D包含了偏應(yīng)力,當(dāng)γ和τ趨向無限大時該量隨時間減小并消失。參數(shù)M是個無量綱粘度,通過裂隙傳播決定粘性流動。最后,A是井孔半徑和特征長度L之比。因此,A<<1?a<<L,井孔半徑比特征裂隙長度小很多。也就是,對于A<<1,注入系統(tǒng)的影響是持續(xù)的,直到接近井孔的應(yīng)力集中可以忽略。
數(shù)值解是通過基于位移不連續(xù)(displacement discontinuity,DD)算法離散化彈性方程和基于有限差方法解出潤滑方程計算得出的[20]。算法運用離散單元尺寸為△ξ的固定格網(wǎng),和基于具有相同位移的DD單元。每一步,裂隙的長度相對于最初未知的時間間隔△τ都以一個固定的增量△ξ增加。因此,未知的不是裂隙的長度,而是時間。該方法的優(yōu)點在于不需要特殊的邏輯去處理單元之間落下的裂隙尖端。
在τ=0,開始注水,井孔壓力增加,流體在傳播準(zhǔn)則滿足之前流進(jìn)裂隙一段時間,然后傳播才開始。圖2展示了長度γ和井孔壓力Πw隨τ的變化。當(dāng)初始裂隙大小γo較小時,開始之前的注入階段要持續(xù)較長的時間才會使壓力增大為較高的值。一旦傳播開始,γ快速增大,因為注入系統(tǒng)的體積釋放了。圖2展示了非粘性流體的數(shù)值結(jié)果[1617],與Lhomme等人[21]認(rèn)為的一分錢形狀的裂隙的結(jié)果是一致的。當(dāng)M≡0時,隨著γ從較低向較高的數(shù)值跳躍,裂隙長度瞬間增長。圖2展示了M=0.001和M=0.1的情況。當(dāng)M=0.001時,γ確實瞬間就增大,而井孔壓力卻瞬間下降。相反,當(dāng)M=0.1時,γ的增長就緩慢多了,井孔壓力的下降也是如此。
圖2 裂隙長度γ(a)和井孔壓力Πw(b)曲線。其中D=0,A=0.4。虛線是粘度為0的情況[17]
圖3 裂隙長度γ(a)和井孔壓力Πw(b)在不同井孔半徑A條件下隨τ的變化曲線。其中D=0,γo=0.08,虛線是粘度為0的情況[17]
圖3和圖4展示了最初增壓、裂紋萌生的類似情況,及裂紋長度急速增長的最初趨勢,這種增長因粘度M變得緩慢。圖中展示了不同井孔半徑A和偏應(yīng)力D對應(yīng)的結(jié)果。很明顯,在γo固定的情況下,無論哪個參數(shù)值的增大都對減少初始時間和初始井孔壓力有影響。
以前的預(yù)測[13]和實驗[14]證實,破裂壓力被定義為峰值壓力或最大壓力,它在裂隙最初增長時能超出最初壓力。圖2~圖4顯示最初井孔壓力Πi小于破裂井孔壓力Πb。差值主要依賴于γo,D和A,當(dāng)D和A足夠小時,差值消失。圖5a顯示了這種情形,此時粘度為0,M≡0。破裂壓力和初始壓力差值隨初始裂隙長度和壓縮性長度的比率γo的變化而變化。解釋數(shù)據(jù)時假設(shè)Πi=Πb,這樣產(chǎn)生的誤差與γo的中間范圍有關(guān)。當(dāng)γo足夠大或者足夠小時,誤差消失。拋開γo的中間值,假設(shè)Πi=Πb時,誤差的意義是深遠(yuǎn)的。因此,從數(shù)據(jù)解釋、注入工具設(shè)計和運作協(xié)議的角度來說,我們能看到,如果解釋要準(zhǔn)確的話,必須小心避開那些清晰的參數(shù)空間區(qū)域。
圖4 裂隙長度γ(a)和鉆孔壓力Πw(b)在不同D值情況下隨τ的變化曲線,此時A=0.4,γo=0.08,虛線是粘度為0的情況[17]
Πi和Πb的差值也隨著M增加。圖5b闡述了這種相關(guān)性。這種影響是雙重的:第一,當(dāng)M=0時,Πi=Πb,圖5b中只有一個是這種情況,很顯然,M=0.1時,Πi<Πb。第二,在M=0,Πi<Πb的情況下,當(dāng)M>0時,差異變大;很顯然在γo很大時,差異沒有消失。
最初注入階段的破裂壓力觀測反映出一種情況,即最初的裂隙變得非常不穩(wěn)定。如果粘度M<<1,則裂隙長度從初始值γo很快跳躍到一個新值(圖2)。數(shù)值解從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過渡隨著粘度的增加而更緩慢。只要γo比γ*小,破裂不穩(wěn)定就會發(fā)生(γ*是臨界裂隙長度,非粘性數(shù)值解的兩支在此合并)。γ*取決于A和D,數(shù)值解的不穩(wěn)定只是受M微弱地影響。在A=0.2,0.4時,γ*隨D變化(圖6)。
圖5 破裂壓力Πb和初始井孔壓力Πi的差值在不同D和A值條件下隨γo的變化曲線。(a)M=0;(b)M=0.1
圖6 臨界裂隙長度γ*解從穩(wěn)定向不穩(wěn)定過渡的曲線
伴隨初始注入/閉合周期,任何新的注入都會導(dǎo)致進(jìn)一步的裂隙傳播。一般而言,新的注入是以壓力-時間曲線記錄上的峰值為特征的。然而,峰值壓力有時被稱為二次破裂壓力,有時被稱為重張壓力,該概念有不同的含義,用下面的例子來說明。在圖2中,γo=0.08,M=0.001,A=0.4。在破裂處,Π?0.35。當(dāng)裂隙快速傳播至γ?0.25時,壓力Πw降至約0.24。假設(shè)第一次注入進(jìn)行到裂隙γ=0.32時,相應(yīng)的Πw?0.22,此時回流突然產(chǎn)生引起裂隙降壓而不是進(jìn)一步的傳播。一旦恢復(fù)到平衡(Π?0),就開始新的注入。相關(guān)的壓力-時間記錄在Π?0.22之前是準(zhǔn)線性的,之后裂隙傳播重新開始。
兩個含義值得進(jìn)一步檢驗。第一,例子中觀測到的峰值壓力與數(shù)值解從非穩(wěn)定支到穩(wěn)定支的跳躍是無關(guān)聯(lián)的,就像在第一個注入階段。事實上,從圖2可以很明顯地看出,壓力峰值隨著裂隙長度的增長逐漸變得不清楚,這是由于受到隨著γ變化的水力屈服增大和凈壓力傳播減小的共同影響。因此,對于第二個注入階段壓力-時間曲線上可輕易辨認(rèn)的頂點的存在極大地取決于最初增壓/減壓周期結(jié)束時裂隙達(dá)到的長度。另外,隨著注入系統(tǒng)屈從U的增大,分辨試驗壓力-時間曲線上的峰值的能力也會進(jìn)一步減小,因為實際時間軸通過與U3/4成比例的值拉伸了時間τ軸。
第二,模型預(yù)測的重張壓力將會和閉合壓力基本相同。在重張壓力的例子中,我們希望最初裂隙長度γo大于破裂長度,我們也希望僅僅是由于最初壓力和破裂壓力的差異而出現(xiàn)不同,并且當(dāng)M→0時,差異消失(圖5)。閉合壓力和重張壓力的接近相等是數(shù)值解的一個屬性,這是由于我們使裂隙重張之后再開始使水壓裂隙擴(kuò)展。重張機(jī)制本質(zhì)上像初始破裂,但是由于巖石已經(jīng)破裂,韌度或抗拉強(qiáng)度為0[3]。但是,由Sano等[4]提供的大范圍的場地試驗數(shù)據(jù)論證了重張壓力和閉合壓力接近等值,看起來可以支持這里的重張模型。
重張壓力有一個重要的應(yīng)用含義。很顯然,σH對裂隙初始和破裂時的影響和近井影響有關(guān),也就是說,在沒有井孔條件下,σH和Griffith破裂無關(guān)。因此,如果想從重張壓力中獲得相關(guān)信息來決定σH,那么我們的結(jié)果表明,在初始注入階段的末期,裂隙長度沒有那么長以致使近井影響消失。也就是說,在二次注入階段,想要取得σH可靠信息的可能性隨著初始注入階段的延續(xù)而減小。而且,較小的初始裂隙長度和穩(wěn)定傳播重新開始時的較大的裂隙長度相符合。因此,當(dāng)初始注入時,γo非常小,在σH條件下,破譯出重張壓力的可能性也很小。
模型結(jié)果可以用來估算經(jīng)典的基于抗拉強(qiáng)度的模型的情況,如方程(1)或(2),預(yù)計會對破裂壓力給出一個很好的估計。當(dāng)然,需要有一定的條件,即在現(xiàn)場應(yīng)用中測量的破裂壓力評估希望能產(chǎn)生一個準(zhǔn)確的σH。在M≡0和完全滲透性及均勻壓力下,流體滲透進(jìn)初始裂隙。由于傳播條件,我們僅限于M?0.1的情況,因此,比較將會集中在全滲透的H-F準(zhǔn)則上[方程(2)]。
首先,抗拉強(qiáng)度σt必須和斷裂韌度KIc及初始裂隙長度lo有關(guān)[10]。當(dāng)lo/a<<1時,有凹口的井孔可看作邊緣裂隙??估瓘?qiáng)度破裂壓力模型把σt假想為裂隙開始增長時作用在非常小的裂隙上的均勻拉張有效應(yīng)力。因此,從斷裂力學(xué)觀點來看,考慮受到均勻抗拉強(qiáng)度σt的有限裂隙,令KI=KIc,則破裂傳播為
對邊緣裂隙[22],δ=1.121 5。再聯(lián)合方程(12),方程(2)變?yōu)椋?/p>
數(shù)值模型和方程(22)的H-F準(zhǔn)則的潛在分歧的兩個源頭是很明顯的。這涉及到先前討論的問題,即破裂壓力有時可能比初始壓力大很多。然而,檢查該問題之前,讓我們首先考慮由有限裂隙長度lo產(chǎn)生的矛盾??紤]M≡0即零粘度的情況,Pf為常數(shù),并且Pw=Pf。令P=Pf-σh,則模型I的應(yīng)力強(qiáng)度由下式給出[16-17]:
其中β=lo/a,f1、f2如圖7所示。令KI=KIc,求P,代入方程(12),得出非粘性流體破裂準(zhǔn)則:
圖7 當(dāng)β=lo/a時的函數(shù)f 1(β)和f 2(β)
檢查f1、f2會發(fā)現(xiàn):
因此,方程(24)在β→0時變?yōu)榉匠蹋?2)。當(dāng)β為有限值時,誤差出現(xiàn)了。利用方程(21),β可以由下式估計:
其中δ=1,因為假設(shè)σt是在配置中獨立測量得到的。如果實際容差在5%,這和β?0.02相符合。如果容差放寬到10%,利用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)則也放寬到β?0.05;如果考慮KIc/σt≈1/8 m1/2,那么β≈5 mm/a。因此,有限尺寸的初始裂隙的影響是很重要的,除非井孔半徑超過100 mm。實驗室內(nèi),影響可能是巨大的。Haimson和Fairhurst[23]通過有井套的井孔的增壓測量抗拉強(qiáng)度是Brazilian在不同巖石類型中間接測定的結(jié)果的1.3~2.4倍,而這種影響可能就是導(dǎo)致以上這種現(xiàn)象的一個原因。因此,無論是在現(xiàn)場還是在實驗室,為了能根據(jù)方程(24)計算正確的破裂準(zhǔn)則,實用的方法是用方程(26)估計β。
利用方程(2)估算σH誤差的可能性超出了有限裂隙尺寸的問題。第二個可能的矛盾來自于這樣一種事實,即破裂壓力經(jīng)常超出裂隙初始壓力(圖5)。圖8表示在所有情況下,初始壓力Πi都非常接近方程(24)。確實是這樣,尤其是當(dāng)M→0時,小誤差與尖端條件有關(guān)[17]。另一方面,大多數(shù)情況下破裂壓力顯著偏離方程(24)。這種偏離表明方程(24)的應(yīng)用傾向于顯著誤差,而顯著誤差隨著M,D和γo的增加而增加。
圖8 初始壓力Πi和破裂壓力Πb在不同M值下隨D變化,其中γo=0.08,A=0.4
為了估計最大地應(yīng)力,采用基于計算水壓裂隙破裂壓力方程的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度,這依賴于以下兩點:一是假設(shè)初始裂隙相對于井孔半徑來說非常小,二是破裂壓力和裂隙初始壓力一致。由于場地和實驗室條件,這兩個假設(shè)都可能達(dá)不到。在理想情況下,粘性流體流動、注入系統(tǒng)井孔滲透性、近井孔應(yīng)力影響和初始裂隙長度都可以忽略,測量才能進(jìn)行。這些機(jī)制都確實可以忽略的情況已經(jīng)由耦合的水壓致裂模型Ⅰ闡明。另外,實踐中不可能總能獲得參數(shù)值的合適范圍,在非理想情況下進(jìn)行的應(yīng)力測試總會帶來誤差,模型只是一個對這種誤差進(jìn)行定量和糾正的有用工具。最后,也檢驗了二次注入,如果初始注入階段持續(xù)足夠長時間以致于近井孔影響消失時,那么基于所謂的重張壓力能可靠地確定σH的能力就減小了。
感謝Rob Jeffrey和Xi Zhang富有幫助的討論。AL在對CSIRO訪問時開發(fā)了數(shù)值模型,并作為他博士研究的一部分。非常感謝CSIRO的資金支持。
譯自:Proceedings of the 5thInternational Symposium on In-Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”,Edited by Furen Xie,CRC Press/Balkema,Leiden,The Netherlands:59-68,2010
原題:Modelling the effect of injection system compressibility and viscous fluid flow on hydraulic fracture breakdown pressure
(中國地震局地殼應(yīng)力研究所研究生 扈桂讓譯;徐 偉,姚 瑞 校)
(譯者電子郵箱,扈桂讓:huguirang@163.com)
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2010-11-15。