賈利春，陳勉，孫良田，孫志宇，張偉，朱千千，孫振，金衍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院）

0 引言

水力壓裂技術(shù)是低滲透儲(chǔ)集層常用增產(chǎn)技術(shù)，為了確保壓裂增產(chǎn)措施的成功，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水力裂縫的形態(tài)。室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)水力壓裂過(guò)程的有效手段，通過(guò)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)可以研究影響水力裂縫擴(kuò)展的因素，更重要的是可以借助一些有效的方法觀測(cè)裂縫擴(kuò)展形態(tài)[1]。通過(guò)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)水力裂縫形態(tài)的主要方法包括[2-17]：壓裂后劈裂巖樣觀測(cè)裂縫形態(tài)；在壓裂液中添加示蹤劑來(lái)觀測(cè)裂縫的擴(kuò)展情況；采用聲發(fā)射或微地震方法監(jiān)測(cè)裂縫的擴(kuò)展過(guò)程。這些方法的共同缺點(diǎn)是無(wú)法準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)水力裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，實(shí)驗(yàn)誤差較大。一些研究者借助 CT技術(shù)觀測(cè)水力裂縫，精確度較高，但只獲得了裂縫的平面擴(kuò)展形態(tài)[18-20]。

本文采用大型真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)取自野外地層露頭的火山巖巖樣進(jìn)行水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前后采用工業(yè)CT技術(shù)對(duì)巖樣進(jìn)行掃描，通過(guò)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)前后CT圖像的變化分析水力裂縫的擴(kuò)展情況，并通過(guò) CT圖像的三維重建和可視化處理分析巖樣內(nèi)水力裂縫的空間形態(tài)和裂縫面的扭曲程度。

1 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)

壓裂模擬系統(tǒng)為大型真三軸模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3對(duì)扁千斤頂模擬3個(gè)方向的地應(yīng)力[3-4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)MTS伺服增壓泵將油水分離器中的壓裂液泵注到模擬井筒中。同時(shí)，MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓裂液的壓力、排量等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)所采用的CT掃描系統(tǒng)為高能量大型工業(yè)CT設(shè)備，該系統(tǒng)的最大射線源電壓為450 kV，焦點(diǎn)尺寸為0.4～1.0 mm，密度分辨率小于等于1%，空間分辨率為3 lp/mm，可分辨0.5 mm的孔隙，但要求試樣的尺寸不超過(guò)8 000 cm3。掃描過(guò)程中，采用1 mm的間隔對(duì)巖樣自下而上進(jìn)行斷面掃描，每個(gè)巖樣經(jīng)過(guò) 1次完整的掃描可獲得200張CT圖像。

實(shí)驗(yàn)試樣為取自中國(guó)松遼盆地松南氣田營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)集層露頭的天然巖樣，巖樣的巖石力學(xué)基本參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)CT掃描系統(tǒng)對(duì)試樣的尺寸要求，將天然巖樣切割成體積為8 000 cm3的立方體。

表1 巖樣巖石力學(xué)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)前，在巖樣中鉆出直徑10 mm、深度140 mm的模擬井眼，然后將長(zhǎng)度120 mm、外徑6 mm、內(nèi)徑3 mm的模擬井筒放入井眼中，用高強(qiáng)度黏合劑黏合。

水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)中要求模擬地應(yīng)力條件，最主要的是地應(yīng)力的大小和分布。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加的模擬地應(yīng)力參數(shù)和壓裂液參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模擬地應(yīng)力參數(shù)和壓裂液參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CT圖像分析

從1#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像（見(jiàn)圖1）中可以看出：在1#巖樣中形成了2條主水力裂縫，分別編號(hào)為Ⅰ和Ⅱ，圖中白色圓環(huán)是模擬井筒；裂縫Ⅰ和裂縫Ⅱ的起裂位置在井筒兩翼部位的夾角約為 165°；裂縫Ⅱ延伸較長(zhǎng)，初始延伸方向與最大水平地應(yīng)力方向不一致，之后逐漸與最大水平地應(yīng)力方向一致；裂縫Ⅰ和裂縫Ⅱ均連通了巖樣內(nèi)的部分天然孔隙。從圖 1中還能看出，雖然火山巖內(nèi)部天然孔隙非常發(fā)育，但是水力裂縫并未沿著天然孔隙發(fā)育密集的區(qū)域延伸，說(shuō)明火山巖難于達(dá)到理想的壓裂效果。

圖1 1#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像

由于1#巖樣實(shí)驗(yàn)后的200張CT圖像中只有很少一部分能觀察到水力裂縫，因此只對(duì)該部分CT圖像進(jìn)了三維重建和可視化處理。借助可視化處理的 CT圖像，在不破壞巖樣及不擾動(dòng)水力裂縫的基礎(chǔ)上，可獲得巖樣內(nèi)部水力裂縫的空間展布形態(tài)和扭曲程度。從1#巖樣的裂縫三維圖（見(jiàn)圖2a—圖2e）和可視化圖（見(jiàn)圖 2f）中可以看出，1#巖樣內(nèi)水力裂縫的延伸長(zhǎng)度和延伸高度均較小，延伸高度只在4～5 mm，這與火山巖現(xiàn)場(chǎng)壓裂過(guò)程中難于形成裂縫的現(xiàn)象一致。此外，該巖樣在室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)中的破裂壓力達(dá)到了58.76 MPa，表明火山巖壓裂中的破裂壓力梯度高，導(dǎo)致其難于形成裂縫。

圖3是2#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像，圖中黑色圓點(diǎn)是模擬裸眼井眼。由圖3可知：實(shí)驗(yàn)前2#巖樣內(nèi)部幾乎無(wú)天然裂縫，實(shí)驗(yàn)后巖樣中形成了 1條主水力裂縫；裂縫的起裂位置在井筒兩翼部位并延伸貫穿整個(gè)巖樣；雖然裂縫整體上沿著最大水平地應(yīng)力方向延伸，但延伸方向與最大水平地應(yīng)力方向之間存在微小偏轉(zhuǎn)，這可能是火山巖的非均質(zhì)性造成的。

圖4是2#巖樣實(shí)驗(yàn)后的裂縫三維圖（見(jiàn)圖4a—圖4c）和可視化圖（見(jiàn)圖4d—圖4f）。由于CT設(shè)備的限制及火山巖的非均質(zhì)性，造成CT圖像的偽像比一般鑄鐵類(lèi)材料嚴(yán)重。但是由圖 4可知，2#巖樣內(nèi)部的水力裂縫在空間上貫穿整個(gè)巖樣，裂縫面出現(xiàn)扭曲，總體而言扭曲程度較小。

2.2 造縫能力分析

壓裂過(guò)程中，根據(jù)水力裂縫擴(kuò)展所需流體壓力最小的理論，可獲得水力裂縫的縫端壓力：

圖2 1#巖樣的裂縫三維圖和可視化圖

圖3 2#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像

式中p——裂縫的縫端壓力，MPa；σ3——最小主應(yīng)力，MPa；E——楊氏模量，MPa；γ——裂縫的表面能，MPa·m；L——裂縫半長(zhǎng)，m；ν——泊松比。

（1）式中，Eγ/(1?ν2)表征地層中巖石造縫的能力，其值越小，表明該地層越容易壓開(kāi)形成水力裂縫，令：

圖4 2#巖樣的裂縫三維圖和可視化圖

將 1#巖樣和 2#巖樣的楊氏模量和泊松比（見(jiàn)表 1）代入（2）式，可得 1#巖樣和 2#巖樣的 Δ值分別為27 000γ和23 360γ，因此1#巖樣的造縫能力低于2#巖樣?？梢?jiàn)，壓裂過(guò)程中井眼附近的巖石力學(xué)特性是影響巖石造縫能力的重要因素，火山巖往往具有較高的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，造縫能力低，難于壓開(kāi)形成水力裂縫。

3 結(jié)論

利用室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，進(jìn)行了火山巖天然巖樣水力裂縫延伸的模擬實(shí)驗(yàn)，并且借助工業(yè)CT技術(shù)觀測(cè)了水力裂縫的平面和空間擴(kuò)展形態(tài)。

對(duì)巖樣的CT圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)壓裂的火山巖內(nèi)部裂縫在延伸過(guò)程中會(huì)連通部分天然孔隙；裂縫并未沿著天然孔隙發(fā)育密集的區(qū)域延伸；裂縫延伸方向整體上與最大水平地應(yīng)力方向趨于一致。

為了準(zhǔn)確獲知巖樣內(nèi)部水力裂縫的空間展布形態(tài)和扭曲程度，對(duì)部分能觀察到水力裂縫的CT圖像進(jìn)行了三維重建和可視化處理。結(jié)果表明：1#巖樣內(nèi)水力裂縫的延伸長(zhǎng)度和延伸高度均較小，延伸高度只在4～5 mm，巖樣的破裂壓力達(dá)到了58.76 MPa，說(shuō)明火山巖壓裂中的破裂壓力梯度高，導(dǎo)致其難于形成裂縫；2#巖樣內(nèi)部的水力裂縫在空間上貫穿整個(gè)巖樣，裂縫面出現(xiàn)扭曲，總體而言扭曲程度較小。

對(duì)巖樣的造縫能力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：井眼附近的巖石力學(xué)特性是影響巖石造縫能力的重要因素，火山巖往往具有較高的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，難于壓開(kāi)形成水力裂縫。因此，火山巖現(xiàn)場(chǎng)壓裂改造中的關(guān)鍵問(wèn)題之一是降低破裂壓力梯度。

[1]Savic M, Cockram M J, Ziolkowski A M.Active ultrasonic monitoring of laboratory-scale hydraulic fracturing experiments:Numerical modelling vs.experiment[R].SPE 26793, 1993.

[2]Beugelsdijk L J L, De Pater C J, Sato K.Experimental hydraulic fracture propagation in a multi-fractured medium[R].SPE 59419,2000.

[3]Zhou Jian, Chen Mian, Jin Yan, et al.Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(7):1143-1152.

[4]周健, 陳勉, 金衍, 等.裂縫性?xún)?chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理試驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào), 2007, 28(5): 109-113.Zhou Jian, Chen Mian, Jin Yan, et al.Experimental study on propagation mechanism of hydraulic fracture in naturally fractured reservoir[J].Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(5): 109-113.

[5]王京紅, 鄒才能, 靳久強(qiáng), 等.火成巖儲(chǔ)集層裂縫特征及成縫控制因素[J].石油勘探與開(kāi)發(fā), 2011, 38(6): 708-715.Wang Jinghong, Zou Caineng, Jin Jiuqiang, et al.Characteristics and controlling factors of fractures in igneous rock reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(6): 708-715.

[6]陳勉, 周健, 金衍, 等.隨機(jī)裂縫性?xún)?chǔ)層壓裂特征實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào), 2008, 29(3): 431-434.Chen Mian, Zhou Jian, Jin Yan, et al.Experimental study on fracturing features in naturally fractured reservoir[J].Acta Petrolei Sinica, 2008, 29(3): 431-434.

[7]Zhou Jian, Dong Yufei, De Pater C J, et al.Experimental study of the impact of shear dilation and fracture behavior during polymer injection for heavy oil recovery in unconsolidated reservoirs[R].SPE 137656, 2010.

[8]Zhou Jian, Dong Yufei, De Pater C J, et al.Experimental study of hydraulic fracturing caused by polymer injection in unconsolidated heavy oil reservoirs[R].SPE 131261, 2010.

[9]Golovin E, Jasarevic H, Chudnovsky A, et al.Observation and characterization of hydraulic fracture in cohesionless sand[R].ARMA 10-359, 2010.

[10]Jasarevic H, Golovin E, Chudnovsky A, et al.Observation and modeling of hydraulic fracture initiation in cohesionless sand[R].ARMA 10-360, 2010.

[11]吳鍵, 孫圓輝, 王彬, 等.準(zhǔn)噶爾DX18區(qū)塊裂縫性火山巖儲(chǔ)集體三維地質(zhì)建模[J].石油勘探與開(kāi)發(fā), 2012, 39(1): 92-99.Wu Jian, Sun Yuanhui, Wang Bin, et al.3D geological modeling of fractured volcanic reservoir bodies in Block DX18 in Junggar Basin,NW China[J].Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(1):92-99.

[12]Khodaverdian M, McElfresh P.Hydraulic fracturing stimulation in poorly consolidated sand: Mechanisms and consequences[R].SPE 63233, 2000.

[13]Olson J, Holder J, Hosseini S M.Soft rock fracturing geometry and failure mode in lab experiments[R].SPE 140543, 2011.

[14]Meng Chunfang, De Pater C J.Hydraulic fracture propagation in pre-fractured natural rocks[R].SPE 140429, 2011.

[15]趙海峰, 陳勉, 金衍, 等.頁(yè)巖氣藏網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)的巖石斷裂動(dòng)力學(xué)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā), 2012, 39(4): 465-470.Zhao Haifeng, Chen Mian, Jin Yan, et al.Rock fracture kinetics of the fracture mesh system in shale gas reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(4): 465-470.

[16]Roundtree R, Miskimins J L.Experimental validation of microseismic emissions from a controlled hydraulic fracture in a synthetic layered medium[R].SPE 140653, 2011.

[17]Chitrala Y, Moreno C, Sondergeld C, et al.Microseimic and microscopic analysis of laboratory induced hydraulic fractures[R].SPE 147321, 2011.

[18]Bohloli B, De Pater C J.Experimental study on hydraulic fracturing of soft rocks: Influence of fluid rheology and confining stress[J].Journal of Petroleum Science and Engineering, 2006, 53(1/2): 1-12.

[19]De Pater C J, Dong Y.Experimental study of hydraulic fracturing in sand as a function of stress and fluid rheology[R].SPE 105620,2007.

[20]Dong Y, De Pater C J.Observation and modeling of the hydraulic fracture tip in sand[R].ARMA 08-377, 2008.