張 健，王金意，荊鐵亞，張國祥，馬海春

(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009 )

水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，已有試驗(yàn)已經(jīng)研究了頁巖的水力壓裂及其影響因素的作用，天然裂縫是體積改造中復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形成基礎(chǔ)[1]，水力裂縫遇到天然裂縫會(huì)發(fā)生止裂、分叉、轉(zhuǎn)向和穿過等力學(xué)行為，天然裂縫是水力壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要機(jī)制[2]。文獻(xiàn)[3-5]利用真三軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)天然巖樣、人造巖樣進(jìn)行水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫擴(kuò)展的實(shí)際物理過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。中國科學(xué)院武漢巖土所研究人員采用真三軸巖土工程模型試驗(yàn)機(jī)建立了一套室內(nèi)頁巖水力壓裂物理模擬試驗(yàn)方法,主要包括巖土工程模型試驗(yàn)機(jī)、壓裂泵壓伺服控制系統(tǒng)、Disp聲發(fā)射定位系統(tǒng)和工業(yè)CT掃描技術(shù)，試驗(yàn)對(duì)比分析頁巖試樣試驗(yàn)前后展布規(guī)律，探討了網(wǎng)狀裂縫的形成機(jī)理[6-11]。文獻(xiàn)[12]對(duì)彭水地區(qū)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂物理模擬試驗(yàn)研究,建立了水力壓裂物理模擬試驗(yàn)方法。采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了頁巖壓裂裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展演化過程,觀察了水力壓裂裂縫形態(tài)。文獻(xiàn)[13]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦區(qū)的九塊大型煤塊試件進(jìn)行試驗(yàn)，分析了水壓裂縫擴(kuò)展行為，研究了裂縫的形成、擴(kuò)展、煤體滲透性改變和水壓作用的關(guān)系。另外，國內(nèi)其他學(xué)者或研究單位也采用了模擬試驗(yàn)進(jìn)行了水力壓裂研究，但是多是采用立方形分析樣品[14-22]。本文介紹水力壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)設(shè)備，利用頁巖加工成圓柱形試樣，施加圍壓，進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示圓柱形頁巖破壞形態(tài)與注射孔有一定的關(guān)系，層面對(duì)裂紋形態(tài)有較強(qiáng)影響。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器設(shè)備

室內(nèi)大型水力壓裂系統(tǒng)主要包括真空壓縮機(jī)，柱塞計(jì)量泵、ISCO高精度柱塞泵、巖芯夾持器等。

在室內(nèi)大型水力壓裂系統(tǒng)中使用柱塞計(jì)量泵對(duì)頁巖試樣提供一定強(qiáng)度的環(huán)壓以模擬地層應(yīng)力條件。柱塞計(jì)量泵通過柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接將工作介質(zhì)(水)吸入和排出來實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)的控制，通過傳感器監(jiān)測(cè)并反饋工作介質(zhì)的壓強(qiáng)。本次試驗(yàn)中采用的2J-X型柱塞計(jì)量泵(見圖1)最大排壓50MPa，該次試驗(yàn)環(huán)壓設(shè)為5MPa。

圖1 柱塞計(jì)量泵和空壓機(jī)

巖芯夾持器(見圖2)為圓柱形不銹鋼鑄體，整體強(qiáng)度很高，通過不同配件的改造可使其分別適用于50mm、30mm、25mm直徑試樣的壓裂實(shí)驗(yàn)。中部為環(huán)壓加載區(qū)，夾持器中部的內(nèi)部為橡膠墊層，保證試樣收到均勻的環(huán)壓壓力。上部中空，以穿過提供水力壓裂壓裂壓強(qiáng)的中空不銹鋼水管。

圖2 巖芯夾持器

利用ISCO高精度柱塞泵(見圖3)為試樣提供壓裂壓力。ISCO泵采用數(shù)字定位監(jiān)測(cè)伺服控制電路，能按照設(shè)定流速和壓力進(jìn)行注水壓裂，并使得其在流動(dòng)時(shí)能保持平穩(wěn)。本實(shí)驗(yàn)中使用的ISCO高精度柱塞泵型號(hào)為Teledyne Isco注射泵65D，缸體、活塞以及頂蓋都采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的奧氏體不銹鋼材料Nitronic 50，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，標(biāo)準(zhǔn)密封件采用的是石墨浸漬聚四氯乙烯。內(nèi)置壓力傳感器(傳感器精度為0.1kPa)確保其使用時(shí)的穩(wěn)定性、重復(fù)性以及極高的精度控制，配合外部額外附加在ISCO高精度柱塞泵出口的壓力傳感器(傳感器精度為0.1MPa)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂壓力的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。在合適的條件下，泵的缸體具有優(yōu)越的操作溫度范圍。ISCO泵具有較高的泵壓精度、穩(wěn)定性和良好的工程性能，通過面板直接控制注水速度和壓裂，也可以在電腦上遠(yuǎn)程控制。有恒壓模式和恒流模式兩種加壓模式可供選擇。ISCO連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)使用一個(gè)控制器控制兩個(gè)泵，使得壓裂液可以被不間斷的連續(xù)輸送，保持壓裂壓力的穩(wěn)定性。最高輸出壓力為100MPa，在恒流模式下流量可以在0.000 1～29mL/min之間選擇，精確度高且選擇范圍較寬。

圖3 ISCO高精度柱塞泵

圖4 室內(nèi)小型水力壓裂系統(tǒng)示意圖

1.2 試樣

試樣采用現(xiàn)場(chǎng)采樣，進(jìn)行加工，直徑50mm，長(zhǎng)100mm，如圖5所示，5組試樣(SV1、SV2、SV3、SV4、SV5)的層面與井孔方向平行。試樣顏色暗黑，層面分布均勻，有機(jī)含量較高，井孔直徑6mm，長(zhǎng)50mm，采用兩組注射孔分布的井套，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)前利用棉花填充注射孔，在井孔周圍利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封孔。

頁巖試樣為牛蹄塘組頁巖，巖石顏色呈黑灰色，手觸摸后手上會(huì)殘留下黑色，可見有機(jī)碳含量較高，使其可吸附氣較多，為頁巖氣儲(chǔ)存提供了良好條件和可賦存空間。為適合在室內(nèi)小型水力壓裂模擬系統(tǒng)設(shè)備上進(jìn)行操作，對(duì)照巖芯夾持器的可適用尺寸，將野外采集到的不規(guī)則的大塊頁巖樣本切割成直徑為50mm，高度為100mm的圓柱體試樣。井筒采用下部為直徑6mm長(zhǎng)度為50mm的空心圓柱體，上部為外側(cè)截面呈正六邊形內(nèi)側(cè)為帶螺紋圓長(zhǎng)度18mm的空心一次性高強(qiáng)度鋼鑄件，在井筒下面部分等距開孔使得ISCO高精度柱塞泵輸出的壓力能傳遞到試樣上。井筒與ISCO高精度柱塞泵的不銹鋼導(dǎo)管之間使用經(jīng)過處理的螺紋緊固件連接。井筒與試樣之間的固定劑采用環(huán)氧樹脂。先使用紙巾、脫脂棉等將井筒上鉆出來的出水孔堵上，防止環(huán)氧樹脂膠體堵住井筒，同時(shí)不影響出水，將環(huán)氧樹脂與固化劑按3∶1的比例配比后，使用棉簽在井筒四周均勻涂抹，然后將井筒(見圖6)插入井孔中，并用環(huán)氧樹脂封住孔口。

圖5 頁巖試樣

圖6 井筒

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂縫形態(tài)

采用在井筒上使用紅色標(biāo)記筆做記號(hào)，正面拍照后轉(zhuǎn)動(dòng)180°從背面拍照，隨后將壓裂后的頁巖試樣機(jī)械破開取出井筒，正反面拍照，如圖7所示。

SV1試樣在壓裂后形成兩條裂縫，裂縫①從頁巖試樣中部起裂，發(fā)育至另一側(cè)靠近試樣頂端距頂端約3cm處，裂縫②于第一條裂縫整體水平高度二分之一處起裂，向上發(fā)育至距離試樣頂端2～3mm處，將試樣切割為三個(gè)部分。由于SV1試樣的井筒脫落效果好，直接將井筒拔出后置于試樣旁邊拍照，使對(duì)應(yīng)效果更直觀，便于后期分析。射孔對(duì)應(yīng)情況與裂紋分布較為吻合，兩條的交叉處均有射孔，此外裂縫②的發(fā)育路徑上也分布著三個(gè)水力射孔中的最后一個(gè)。下部?jī)蓚€(gè)射孔傳遞的水壓力使主裂縫形成并發(fā)育，同時(shí)上部一個(gè)射孔的壓裂液傳遞的壓強(qiáng)也大于頁巖試樣在該處的斷裂韌性值于是產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生后向著主裂縫的弱面發(fā)育，滲流通道由此形成。

SV2試樣共形成四條裂縫。裂縫①自一側(cè)距頂面6～7cm處起裂，一路向另一側(cè)上部延伸，止于靠近頁巖試樣中部靠近頂部位置；裂縫②始于一號(hào)裂縫水平高度約為4cm處，水平切割了試樣未形成裂紋的一側(cè)，將試樣分割成上下兩部分；裂縫③平行于裂縫②，始于裂縫①水平高度約為5cm處，水平開裂至試樣未形成裂紋的一側(cè)，但是并未割斷試樣，裂縫的間隙也小于裂縫②；裂縫④與裂縫①的豎直部分基本平行，為垂直走向，長(zhǎng)度2～3cm，裂隙很小，且并未發(fā)育至試樣頂部，原因是環(huán)氧樹脂的存在。此試樣井筒下部射孔的位置位于主裂縫發(fā)育處，壓裂液沿裂縫向上傳遞壓強(qiáng)，突破了裂縫②、③與主裂縫①相交處頁巖試樣的斷裂韌性值，并沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)育至端部，②、③裂紋由射孔附近產(chǎn)生。當(dāng)壓力傳遞到試樣頂部時(shí)，由于環(huán)氧樹脂的黏合作用，頂部的頁巖無法開裂，故對(duì)向的頁巖弱面產(chǎn)生了細(xì)微的裂縫，形成了完整的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

SV3試樣經(jīng)過壓裂后形成兩條裂縫。兩條裂縫的縫隙均不小，裂縫①發(fā)育自一側(cè)中部，裂縫走向另一側(cè)中部偏上位置。次級(jí)裂縫②由主裂縫①中部開始產(chǎn)生，一直發(fā)育到頁巖試樣側(cè)面端部，兩處裂紋近似于從頁巖試樣的中部破裂出厚度約0.5cm厚的頁巖片層。此試樣所使用的井筒有三個(gè)出水射孔。下部射孔的位置位于主裂縫發(fā)育路徑上，同時(shí)也是次級(jí)裂縫②起裂的位置。最下端的射孔傳遞的水壓力使主裂縫開裂，同時(shí)由于出水孔附近的頁巖存在著弱面，于是次級(jí)開裂發(fā)生。

SV4試樣的裂紋網(wǎng)與SV1試樣非常類似。兩條裂紋在試樣上發(fā)育，裂縫①從頁巖試樣中部偏上1.5cm起裂，一直發(fā)育至另一側(cè)靠近試樣頂端距頂端約1cm處的側(cè)面端部，另一條裂縫②于裂縫②整體水平高度二分之一處起裂，水平向發(fā)育，直至側(cè)面端部，但是裂縫縫隙較小不足以將試樣完全切斷。

SV5試樣僅有一條裂縫，裂縫由一側(cè)端部距頂面1.5cm處開始發(fā)生破裂，向另一側(cè)稍偏上部發(fā)育，一直到另一側(cè)端部距頂面約0.5cm處將試樣環(huán)切。對(duì)面裂紋發(fā)育較頂面距離稍遠(yuǎn)。

綜合上述試樣裂縫發(fā)育情況，可以發(fā)現(xiàn)，試樣裂縫分布在射孔附近，且裂紋在層面發(fā)育，裂紋會(huì)發(fā)生分支，如試樣1，試樣2，其裂紋形態(tài)多在一條斜裂紋發(fā)育一條或多條橫向裂紋，其形狀多為如單翼發(fā)展，形如“丿、人、亽”等，這說明層面是裂縫網(wǎng)絡(luò)化的重要影響因素；裂紋的寬度都很細(xì)小，裂紋多不平直，從受力方式來看，裂縫多屬于張拉型裂紋；不同的注射孔可以引起不同的裂紋發(fā)育，多方向布置注射孔對(duì)頁巖裂縫網(wǎng)絡(luò)化有一定提升。

圖7 水力壓裂后的破裂情況與井筒射孔分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

2.2 注水壓力分析

部分試樣注水壓力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。除SV4試樣外，SV1、SV2、SV3、SV5四個(gè)頁巖試樣的變化軌跡大致相似，選擇SV5試樣的高壓泵水壓力隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行分析，如圖8所示。SV5試樣最高壓裂壓力為22.38MPa，在60S左右達(dá)到最高壓裂壓力，此時(shí)對(duì)應(yīng)試樣發(fā)生破裂，裂紋發(fā)育后，壓強(qiáng)迅速下降，待壓裂液充滿初級(jí)裂縫后，壓強(qiáng)重新上升，并沿著已發(fā)生主裂縫尋找新的裂縫發(fā)生點(diǎn)，注水壓力再次上升，當(dāng)注水壓力突破試樣裂紋路徑上某處的斷裂韌性值后，次級(jí)破裂發(fā)生，然后是三級(jí)、四級(jí)裂縫。這些裂縫一直發(fā)育至頁巖試樣的斷面，為表面所見；有些僅發(fā)生于試樣的內(nèi)部，產(chǎn)生的裂縫面不能直接觀察到。試樣的第二次斷裂峰值為16.63MPa，第三次斷裂的壓力峰值為15.19MPa，第四次壓力峰值為12.22MPa，四次壓裂壓力的峰值呈不斷減小的趨勢(shì)。SV1試樣最高壓裂壓力為21.34MPa，SV2試樣試樣最高壓裂壓力為17.42MPa，SV3試樣最高壓裂壓力為16.10MPa。從ISCO泵開始出水到完成第一次壓裂的時(shí)間不完全相同，在設(shè)定的0.5mL/min的流量下，達(dá)到最高壓裂壓力的時(shí)間從1 min到4 min不等。

圖8 試樣水壓曲線

3 數(shù)值分析

利用abaqus數(shù)值計(jì)算軟件建立了圓柱形頁巖水力壓裂分析模型，利用擴(kuò)展有限元理論，在模型內(nèi)部注射孔施加注水壓力，得到了頁巖的破裂過程，如圖9所示，在注水孔附近起始劈裂，然后往外表面延伸，方向發(fā)生了一定的變向，說明水力壓裂與注射孔的位置有密切的關(guān)系，并多為單翼發(fā)展，與試驗(yàn)的結(jié)論有一定的相似性。

圖9 水力壓裂數(shù)值模擬

4 結(jié)論

本文介紹了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行圓柱形試樣水力壓裂試驗(yàn)的方法，并結(jié)合不同注射孔分布井筒試驗(yàn)分析了裂紋形態(tài)和水壓曲線，得到以下主要結(jié)論：

(1)試樣大部分裂紋與層面方向有關(guān)。裂縫可穿越結(jié)構(gòu)面保持原方向發(fā)育；部分在結(jié)構(gòu)面處發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

(2)在泵壓作用下試樣內(nèi)部發(fā)生拉伸或剪切破壞，多在射孔附近層面先發(fā)生起裂，多方向布孔可引起裂紋網(wǎng)絡(luò)化。

(3)水壓曲線曲線呈多次波動(dòng)，其峰值壓裂約在20MP左右。