閆天雨 李瑋 李建冰 趙歡 呂策

摘 ?????要：為研究致密砂巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)及空間展布規(guī)律，利用真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了水平應(yīng)力差、壓裂液黏度以及排量對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)形成規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：低水平應(yīng)力差（3 MPa）下，水力裂縫更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨向于沿著相對(duì)薄弱的天然裂縫和層理面延伸，使得裂縫趨于復(fù)雜，有利于致密砂巖儲(chǔ)層形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò);在水力裂縫擴(kuò)展中，低黏度壓裂液能充分保證濾失，在裂縫中流動(dòng)摩阻小，有利于裂縫尖端的破裂，而且形成復(fù)雜縫網(wǎng);壓裂液泵注排量越大，破裂壓力越大，裂縫越容易多處起裂，使得壓裂裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜。研究結(jié)果為致密砂巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工提供參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：致密砂巖;水力壓裂;裂縫形態(tài);水平應(yīng)力差;壓裂液黏度;排量

中圖分類號(hào)：TE 357.1????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ???文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0014-05

Experimental Study on the Propagation Pattern of

Fracturing Cracks in Tight Sandstone Reservoirs

YAN Tian-yu¹，?LI Wei¹，?LI Jian-bing¹，?ZHAO Huan¹，?LV Ce²

（1.?Institute of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China;

2.?Exploration Department of PetroChina Tarim Oilfield Branch， Xinjiang Tarim 841000，?China）

Abstract： In order to study the fracture propagation pattern and spatial distribution law of hydraulic fracturing in tight sandstone reservoirs， the true triaxial hydraulic fracturing simulation test system was used to analyze the influence of horizontal stress difference， fracturing fluid viscosity and displacement on complex seam formation law. The results show that under low horizontal stress difference（3?MPa）， hydraulic fractures are more likely to turn， tending to extend along relatively weak natural fractures and bedding planes， making the fractures tend to be complex， which is conducive to the crack network formation of tight sandstone reservoirs; in the hydraulic crack propagation， the low-viscosity fracturing fluid can fully guarantee the fluid loss， the flow friction in the crack is small， which is conducive to the cracking of the crack tip， and it is easy to communicate the natural crack to form a complex seam; the larger the displacement of fracturing fluid pump， the larger the fracture pressure， and the more likely the crack is to crack， which makes the fracture morphology more complicated. The research results provide reference for on-site fracturing construction of tight sandstone reservoirs.

Key words：?Tight sandstone; Hydraulic fracturing; Crack morphology;?Horizontal stress difference; Fracturing fluid viscosity; Displacement

隨著非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，針對(duì)水力壓裂技術(shù)和水平也有了更高的要求。致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度小于10%，滲透率小于1 mD（基質(zhì)覆壓滲透率小于0.1 mD）^[1，2]。水平應(yīng)力差和儲(chǔ)層中存在的天然裂縫等都會(huì)影響水力壓裂裂縫的形態(tài)^[3-6]。同時(shí)，壓裂液黏度、排量和工藝技術(shù)都是影響水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)的關(guān)鍵因素^[7-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石的水壓致裂進(jìn)行了大量的研究。其中，Wright等^[10]提出地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)裂縫的擴(kuò)展起決定性作用，同時(shí)認(rèn)為裂縫沿垂直最小水平應(yīng)力方向延伸。魏元龍等^[11]認(rèn)為巖石性質(zhì)是致密砂巖水力壓裂裂縫延伸與擴(kuò)展的主要因素。侯冰等^[12]認(rèn)為當(dāng)水平應(yīng)力差在2～8 MPa之間壓裂裂縫形態(tài)更加復(fù)雜。張士忠等^[13]認(rèn)為在一定范圍內(nèi)排量是水力壓裂裂縫擴(kuò)展的主要因素之一。李芷等^[14]認(rèn)為裂縫主要沿最大水平主應(yīng)力方向延伸。張礦生等^[15]認(rèn)為巖石脆性對(duì)致密砂巖水力壓裂復(fù)雜性并沒(méi)有主要影響。薄江偉等^[16]認(rèn)為當(dāng)壓裂液黏度由40 mPa·s升高到120 mPa·s時(shí)，裂縫長(zhǎng)度會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)。

針對(duì)目前致密砂巖儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的研究相對(duì)單一，有關(guān)單因素對(duì)比分析的研究相對(duì)較少。本文采用真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)對(duì)致密砂巖物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，全面地研究了水平應(yīng)力差、壓裂液黏度和排量對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響規(guī)律，為致密砂巖水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工提出合理的、可供參考的建議。

1 ?實(shí)驗(yàn)條件及方案設(shè)計(jì)

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

壓裂液包括滑溜水和胍膠，均由大慶油田采油工藝研究院提供。物理模型為G級(jí)固井水泥與石英砂混合制作，外觀幾何尺寸：長(zhǎng)×寬×高=300×300×300 mm³，在制備混凝土試樣時(shí)，水泥、石英砂、水配比為3∶1∶1，并在試樣制備過(guò)程中加入消泡劑，攪拌均勻，避免內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，影響壓裂效果。預(yù)制壓裂管在實(shí)驗(yàn)?zāi)ゾ咧行奈恢?，澆筑攪拌均勻的混凝土，包裹壓裂管并完成固井過(guò)程，其中壓裂管埋入外徑為6 mm、內(nèi)徑為4 mm、長(zhǎng)度為150 mm，能承受的最大壓力為60 MPa（圖1-2）。

1.2 ?儀器設(shè)備

巖心參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置主要包括巖石三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)、單軸抗拉測(cè)試試驗(yàn)機(jī)。

水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置采用真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括方形巖樣夾持器、壓裂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（為巖樣提供載體）、三向壓力加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、恒速恒壓泵、液壓站、真空泵和管閥件等，（圖3-5）。

1.3 ?實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)?zāi)ゾ?、清水、G級(jí)水泥、石英砂、消泡劑、水泥攪拌器，制作水泥巖樣。將制作好的巖樣放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，連接進(jìn)液管線與壓裂管接頭并對(duì)齊，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠將壓裂試驗(yàn)平臺(tái)推入艙室，再將鐵皮套推入與設(shè)備連接，起到固定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用。加載三軸應(yīng)力，設(shè)定三軸應(yīng)力后飽壓10 min，使巖樣充分接觸增壓缸，防止巖樣從外側(cè)破裂。三軸應(yīng)力穩(wěn)定后通過(guò)軟件輸入排量使壓裂液泵入巖樣，并記錄數(shù)據(jù)。觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)壓力降到底部穩(wěn)定了一段時(shí)間后，停止注入壓裂液并卸載壓力，取出巖樣做后處理。

實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖6。

1.4 ?方案設(shè)計(jì)

為了研究水平應(yīng)力差、壓裂液黏度、壓裂液排量對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層水力壓裂的起裂、擴(kuò)展及裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，共設(shè)計(jì)了5組壓裂實(shí)驗(yàn)，采用三軸液壓加載方式，分別施加垂向應(yīng)力（σ_x）、水平最小主應(yīng)力（σ_z）、水平最大主應(yīng)力（σ_y）。壓裂液分別采用低黏度壓裂液（滑溜水）和高黏度壓裂液（胍膠），注入排量選定6和12?mL/min。

制定實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。試樣壓裂完成后保持三軸應(yīng)力大小不變，在低排量的情況下注入染色劑，方便觀察裂縫形態(tài)以及走向，實(shí)驗(yàn)結(jié)束可以觀察到巖樣表面染色劑的分布來(lái)初步判定裂縫形態(tài)，然后沿表面裂縫敲開(kāi)巖樣觀察內(nèi)部裂縫形態(tài)。

2 ?結(jié)果分析

2.1 ?水平應(yīng)力差的影響

為研究水平應(yīng)力差對(duì)致密砂巖水力壓裂裂縫形態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了2組應(yīng)力差進(jìn)行對(duì)比，分析裂縫的形態(tài)以及復(fù)雜性。第一組：1#、3#試樣，黏度為3 mPs·s，排量為6 mL/min;第二組：2#、4#試樣，黏度為100 mPs·s，排量為6 mL/min。1#～4#試樣壓后裂縫形態(tài)如圖7-10所示。觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示，1#試樣壓裂后形成一條沿水平最小主應(yīng)力方向延伸的單一垂直裂縫，根據(jù)染色劑分布我們可以觀察到裂縫沿井筒方向起裂并延伸，裂縫表面較為平坦，試樣剖開(kāi)前可在上表面觀察到沿井筒軸線方向的細(xì)微水力裂紋，試樣剖開(kāi)后觀察到試樣內(nèi)部2/3的面積被染色，說(shuō)明染色區(qū)域是水力裂縫的主要運(yùn)移通道。1#、2#試樣裂縫形態(tài)都相對(duì)單一，并未出現(xiàn)分支裂縫，2#試樣裂縫起裂過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但整體來(lái)說(shuō)裂縫形態(tài)并不復(fù)雜;如圖8所示，3#試樣中，裂縫沿垂直最小水平主應(yīng)力方向起裂，沿水平最大主應(yīng)力方向延伸，形成一條主裂縫的同時(shí)并擴(kuò)展成兩條分支裂縫（HF1、HF2），兩條分支縫夾角為48°。兩條分支裂縫繼續(xù)延伸，在垂向應(yīng)力方向下表面兩條分支裂縫再次發(fā)生轉(zhuǎn)向并重合，形成一條主裂縫貫穿試樣;4#試樣壓裂后，觀察到裂縫沿井筒起裂，形成多條分支裂縫，在低水平應(yīng)力差的作用下，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向形成復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

分析認(rèn)為，在水平應(yīng)力差越小的狀態(tài)下，水力壓裂形成初始裂縫的長(zhǎng)度越短，同時(shí)閉合應(yīng)力也就越高，也就是說(shuō)形成分支裂縫的起裂角度也就會(huì)越大，說(shuō)明水力壓裂的效果越好。在低的水平應(yīng)力差條件下（3 MPa），裂縫容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，水力裂縫更趨向于沿著強(qiáng)度相對(duì)薄弱的天然裂縫面延伸，裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜。

2.2 ?壓裂液黏度的影響

研究選取了2組實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析壓裂液黏度對(duì)致密砂巖裂縫延伸規(guī)律的影響。第一組：1#、2#試樣，應(yīng)力差為6 MPa，排量為6 mL/min;第二組：3#、4#試樣，應(yīng)力差為3 MPa，排量為6 mL/min。

對(duì)比分析兩組試驗(yàn)，如圖9所示，2#試樣壓裂后形成一條單一、不規(guī)則的轉(zhuǎn)向裂縫。壓裂完成后在垂向應(yīng)力方向上表面觀察到裂縫沿井筒方向起裂，同時(shí)與最大主應(yīng)力方向夾角為30°。

試樣剖開(kāi)后觀察到裂縫在擴(kuò)展中，受到水平應(yīng)力差作用使得裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向與垂向應(yīng)力夾角為45°方向，形成相對(duì)單一且不規(guī)則的斜向裂縫。如圖10所示，4#試樣壓裂后裂縫沿垂向應(yīng)力方向起裂，其中裂縫HF1延伸過(guò)井筒后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)形成多條分支裂縫。受到近井筒層理面以及水平應(yīng)力差的影響，在裂縫擴(kuò)展中右側(cè)裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向至與水平最小主應(yīng)力夾角為40°方向，最終形成裂縫形態(tài)相對(duì)復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低黏度壓裂液情況下壓裂后水力裂縫形態(tài)更加復(fù)雜。在水力壓裂裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，壓裂液黏度越低，壓裂過(guò)程中壓裂液在縫內(nèi)流動(dòng)越容易，同時(shí)也就容易使得裂縫尖端破裂，從而有利于裂縫的擴(kuò)展和復(fù)雜縫網(wǎng)的形成。同時(shí)低黏度壓裂液能夠保證充分濾失，隨著注入壓力的不斷增大，水力能量在裂縫尖端更容易達(dá)到巖石破裂的門(mén)限值，形成相對(duì)復(fù)雜的裂縫結(jié)構(gòu)^[12]。黏度過(guò)高其在裂縫中流動(dòng)受到的摩阻就會(huì)相應(yīng)升高，同時(shí)帶動(dòng)施工壓力升高，非常不利于現(xiàn)場(chǎng)施工，而且裂縫高度不容易控制，同時(shí)還要考慮到環(huán)境問(wèn)題^[17]

2.3??排量的影響

研究中充分考慮到排量對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響，同時(shí)選取了1組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，分析在水平應(yīng)力差為3 MPa、采用低黏度壓裂液（滑溜水）進(jìn)行壓裂的條件下，致密砂巖在不同排量下壓裂裂縫形態(tài)的規(guī)律。在低排量（6 mL/min）條件下，3#試樣壓裂后出現(xiàn)一條沿垂向應(yīng)力方向起裂的主裂縫，同時(shí)在延伸一段距離后主裂縫分支為兩條夾角為48°的分支裂縫繼續(xù)延伸，后又溝通。在高排量（12 mL/min）條件下，5#試樣多點(diǎn)起裂同時(shí)出現(xiàn)多條分支裂縫，并且互相溝通形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖11所示，在5#試樣中，水力裂縫HF1、HF2同時(shí)沿水平最小主應(yīng)力方向延伸，水力裂縫HF1發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成兩條分支縫，其中一條分支縫與水力裂縫HF2匯合繼續(xù)延伸，同時(shí)形成分支裂縫HF4。另一條分支裂縫形成分支縫HF3以及HF5，其中分支裂縫HF5延伸后又溝通分支裂縫HF3繼續(xù)延伸，最終形成非常復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)排量增大到一定程度后，裂縫內(nèi)壓力增加的幅值相對(duì)較大，壓力對(duì)裂縫面的法向應(yīng)力以及裂縫尖端拉應(yīng)力都隨之增大，為裂縫寬度和裂縫長(zhǎng)度的增長(zhǎng)提供了條件，促進(jìn)裂縫擴(kuò)展^[18]。

3 ?復(fù)雜裂縫形成機(jī)理分析

綜合以上實(shí)驗(yàn)，得出水平應(yīng)力差在致密砂巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展中起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)在裂隙注入壓力大于部分之和儲(chǔ)層巖石的水平最大主應(yīng)力拉伸強(qiáng)度、水力裂縫的可能性水力壓裂脫離正常方向，形成新的擴(kuò)展方向。由理論研究可知，對(duì)于垂直裂縫來(lái)說(shuō)，為了使裂縫產(chǎn)生明顯的延伸和形成支撐孔隙，需要滿足以下條件：

在不同的情況下，水力壓裂裂縫延伸條件是不同的，斷裂延伸應(yīng)力也不同。當(dāng)θ變?yōu)?°到90°，斷裂延伸應(yīng)力變化在以下范圍內(nèi)^[19]：

由式（2）可知，裂縫的起裂與延伸與地應(yīng)力差有很大影響，當(dāng)?shù)貞?yīng)力差越小，裂縫壓力越容易達(dá)到破裂壓力，易于延伸和拓展，地應(yīng)力大小和分布是決定壓裂裂縫擴(kuò)展和形態(tài)特征的關(guān)鍵因素^[20]。

4 ?結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，分析了不同水平應(yīng)力差、壓裂液黏度和排量對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層壓裂裂縫形態(tài)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）在低水平應(yīng)力差下，致密砂巖壓裂裂縫容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，使得裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜;當(dāng)水平應(yīng)力差越小，壓裂形成初始裂縫的長(zhǎng)度就會(huì)越短，同時(shí)初始裂縫的閉合應(yīng)力也就越高，這種情況下形成分支裂縫的起裂角度就會(huì)越大，也就說(shuō)明水力壓裂的效果越好。低水平應(yīng)力差有利于致密砂巖儲(chǔ)層形成復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（2）在致密砂巖儲(chǔ)層水力壓裂過(guò)程中，胍膠在水力裂縫中流動(dòng)受到的阻力大，隨著注入壓力的升高，壓裂液的前緣更接近裂縫的尖端，裂縫尖端的水利能量也就更加容易達(dá)到巖石破裂的門(mén)限值，利于裂縫尖端的破裂和復(fù)雜縫網(wǎng)的形成。

（3）針對(duì)裂縫不發(fā)育的致密砂巖儲(chǔ)層，排量增大到一定程度后，裂縫內(nèi)壓力增加的幅值相對(duì)較大，壓力對(duì)裂縫面的法向應(yīng)力以及裂縫尖端拉應(yīng)力都隨之增大，為裂縫寬度和裂縫長(zhǎng)度的增長(zhǎng)提供了條件，促進(jìn)裂縫擴(kuò)展，也就是說(shuō)，排量越大，巖石的起裂壓力也就越高，壓裂過(guò)程中巖石多點(diǎn)起裂，也就說(shuō)明形成的裂縫也就更加復(fù)雜。

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