張 健, 張國祥, 王金意, 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)

0 引 言

最新的勘察顯示我國的頁巖氣儲量達(dá)到7 643×108 m3,儲量值全球第三,僅次于美國和加拿大。國內(nèi)外利用水力壓裂已經(jīng)成功開采出頁巖氣資源,但是水力壓裂的機(jī)理還存在許多問題。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為水力壓裂產(chǎn)生的裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展;文獻(xiàn)[2-3]利用現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)巖石主裂縫與分支裂縫同時擴(kuò)展,提出擴(kuò)展帶概念;文獻(xiàn)[4]基于壓剪條件下的斷裂準(zhǔn)則及最大周向應(yīng)力理論,推導(dǎo)出壓剪和拉剪應(yīng)力狀態(tài)下水損傷作用的裂隙巖體斷裂準(zhǔn)則;文獻(xiàn)[5]提出破裂壓力數(shù)值計算理論,實現(xiàn)了巖石破裂壓力數(shù)值計算的突破，提高了計算精度;文獻(xiàn)[6]證明弱面強(qiáng)度、水平主應(yīng)力差、弱面方位是影響水力裂縫與天然裂縫交叉行為的重要因素;文獻(xiàn)[7-8]通過模擬試驗,分析了水力裂縫遇到天然裂縫出現(xiàn)了3種狀態(tài),即穿過、轉(zhuǎn)向和穿過轉(zhuǎn)向同時發(fā)生;文獻(xiàn)[9]利用室內(nèi)真三軸水力壓裂物理模擬試驗,將水力裂縫分為4種起裂模式和6種擴(kuò)展模式;文獻(xiàn)[10]采用真三軸模擬試驗機(jī),發(fā)現(xiàn)裂縫延伸時泵壓曲線典型的鋸齒狀波動與裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成密切相關(guān),是頁巖體積壓裂的一個明顯特征。雖然國內(nèi)外對水力壓裂進(jìn)行了一系列研究[11-14],但是大多是對于相似材料,對于不同巖性的真實巖石還存在許多爭論,本文采用的巖石試樣來自于牛蹄塘組露頭頁巖,利用室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬試驗,系統(tǒng)分析了頁巖在水力壓裂下的破壞模式。

1 試 驗

采用水力壓裂伺服控制泵壓系統(tǒng)進(jìn)行水力壓裂試驗,操作儀器如圖1所示,試樣的大小設(shè)置為300 mm×300 mm×300 mm,在試樣一面中間位置布置螺旋射孔,射孔深度為25 mm,如圖2所示。

圖1 真三軸模擬試驗系統(tǒng)

圖2 制作的試樣

試驗中可以對試樣施加不同水平方向圍壓,再在計算機(jī)控制下注入泵注液。觀察泵注液壓力與巖石試樣對應(yīng)破裂的關(guān)系。

本試驗所用巖石來自于重慶市秀山縣牛蹄塘組頁巖,如圖2所示。巖石顏色呈黑灰色,有機(jī)碳含量較高,層理明顯,易破碎。由于裂隙發(fā)育較為豐富,可以為游離的氣體提供良好的儲集空間,有機(jī)碳含量較高則使吸附氣較多,是頁巖氣儲存的良好空間。為探究頁巖氣的開發(fā)利用,現(xiàn)對牛蹄組頁巖進(jìn)行水力伺服壓裂試驗研究。其中1組試樣因井質(zhì)量不好，未成功壓裂，壓裂液從井筒附近滲出；其他6組試樣的試驗條件和參數(shù)見表1所列。表1中，σv為豎向壓力；σh為最小水平壓力；σH為最大水平壓力。

表1 試樣軸壓參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 水力壓裂下的巖石破裂情況

水力壓裂試樣破壞情況如圖3所示。

圖3 水力壓裂破壞情況

(1) 試樣1在壓裂后形成2條裂縫,其中一條在井筒的一側(cè)起裂后延伸至試樣邊界,形成滲流通道1,泵注水力大于試樣單軸抗壓強(qiáng)度,使射孔口附近發(fā)生剪切破壞,沿射孔方向形成初始裂隙(即張開型裂縫),壓裂液必然滲流至初始裂隙內(nèi),當(dāng)裂尖處的滲流水壓力強(qiáng)度大于模擬巖樣的斷裂韌性值時,裂隙將向前擴(kuò)展一定距離后隨機(jī)交叉形成水力裂縫。由于此時壓裂液泵注量依然大于濾失,在井筒另一側(cè)必然產(chǎn)生一個與滲流通道1反向的平衡力,試樣在該力的作用下從井筒的另一側(cè)起裂并延伸至試樣邊界。

(2) 試樣2所施加的圍壓的水平地應(yīng)力差異系數(shù)為0.1,差異系數(shù)較小,地應(yīng)力的作用不明顯,形成了2個較規(guī)則的裂縫面。一條沿射孔方向形成初始裂縫(即張開型裂縫),壓裂液必然滲流至初始裂縫內(nèi),當(dāng)裂尖處的滲流水壓力強(qiáng)度大于巖樣的斷裂韌性值時,裂縫將向前延伸,后逐步演化成滲流通道。由于螺旋射孔分布范圍較廣,在井筒其他方向上,同樣會有壓裂液滲出,當(dāng)裂尖的應(yīng)力大于試樣單軸抗拉強(qiáng)度時射孔相反的方向上發(fā)生拉伸破壞,從而形成撕開型水力裂縫。這說明試樣發(fā)生拉伸破壞后次生裂縫開始起裂,之后它的延伸方向具有一定的隨機(jī)性。

(3) 試樣3沒有設(shè)置圍壓,且存在較大尺度的天然裂隙,試驗開始時,隨著壓裂液的泵注,試樣在近井端形成了沿井筒軸線方向的主裂縫,然而由于沒有地應(yīng)力作用的影響和天然裂縫的隨機(jī)分布,水力裂縫在天然裂縫的誘導(dǎo)和沒有地應(yīng)力的作用下迅速地轉(zhuǎn)向沿天然裂縫延伸,導(dǎo)致裂縫再通過近井端后在試樣中發(fā)生了滲流,并不斷溝通天然裂縫,導(dǎo)致泵壓波動頻繁,也未形成貫穿試樣尺寸較大的裂縫。

(4) 試樣4地應(yīng)力差異系數(shù)為0.2,模擬地應(yīng)力的差異對于裂縫形態(tài)的影響也凸顯了出來,裂縫首先同時在2個射孔處起裂,在進(jìn)井端相互溝通形成了沿井筒軸線方向的縱向裂縫。

(5) 試樣5裂縫地應(yīng)力差異系數(shù)0.3,地應(yīng)力的作用更加明顯,裂縫起裂后沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展一定距離后與開度較大的結(jié)構(gòu)面相交,溝通結(jié)構(gòu)面并沿著結(jié)構(gòu)面延伸至試樣邊界,主裂縫形成,且較為平整,并逐步演化為主滲流通道。此時由于壓裂液的泵注量依然大于壓裂液的濾失量,必將產(chǎn)生次生裂縫。由于天然裂縫的膠結(jié)度較低,水力裂縫容易貫穿天然裂縫。在試樣5中,天然裂縫的存在不僅改變了裂縫的延伸方向,還改變了壓裂液的滲流方向,從而影響裂縫面的最終形態(tài)。首先初始裂縫在天然裂縫處延伸方向發(fā)生了改變(由射孔方向轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊涣芽p面所在的方向),即發(fā)生溝通后在泵注壓裂液水壓力的作用下裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,逐漸演變成不規(guī)則坡面形態(tài)。其次,天然裂縫改變了壓裂液的滲流方向,在進(jìn)行壓裂試驗時發(fā)現(xiàn)壓裂液先從天然裂縫處滲透至試樣外側(cè)面中間部位,后逐步沿中間部位向周圍擴(kuò)散。因此,可以判斷天然裂縫改變了裂縫的擴(kuò)展和延伸方向,對裂縫的形態(tài)產(chǎn)生巨大影響。次生裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展并延伸至試樣邊界直至有大量壓裂液滲出。

(6) 試樣6裂縫地應(yīng)力差異系數(shù)為0.4,對于水力裂縫形態(tài)的影響則是決定性的。裂縫自射孔處起裂后在模擬地應(yīng)力的作用下形成了垂直于最小水平地應(yīng)力的初始裂縫,隨著壓裂液的泵注裂縫迅速延伸,在與天然裂縫相交后又迅速地沿天然裂縫延伸之至試樣邊界,而在井筒另一側(cè),初始裂縫溝通了另一條天然裂縫同樣沿天然裂縫沿伸至試樣邊界,從而形成2條滲流通道,壓裂持續(xù)時間較短。

2.2 巖石試樣破裂聲發(fā)射情況

巖石試樣破裂聲發(fā)射情況與裂紋對比分析如圖4所示。

從圖4a可以看出，巖石在壓裂液壓裂下,試樣1井筒下半部聲發(fā)射事件較多,試樣裂縫明顯貫通試樣,裂縫沿層理面擴(kuò)展至邊界,對應(yīng)于右側(cè)的試樣1的裂縫位置。

從圖4b可以看出，試樣2有個轉(zhuǎn)向的縫隙生成,轉(zhuǎn)向角度60°左右,此位置聲發(fā)射事件較多,與試樣2圖中的裂縫位置相對應(yīng)。

圖4 試樣1～4聲發(fā)射圖與試樣裂紋對比

從圖4c可以看出，試樣3的聲發(fā)射效果不好,采集到的聲發(fā)射事件較少,在試樣中間位置有垂直于井管的裂縫,試驗中有少量壓裂液溢出,對應(yīng)于試樣3的裂縫位置。

從圖4d可以看出，試樣4沿井筒方向存在縱向裂縫,裂縫處對應(yīng)的聲發(fā)射事件也較多,對應(yīng)于試樣4的裂縫位置。由此可以發(fā)現(xiàn)裂縫生成位置對應(yīng)有聲發(fā)射發(fā)生。

2.3 注水壓力的曲線分析

注水壓力曲線如圖5所示。

由圖5a可知，從試樣1第1次達(dá)到峰值壓力為81 MPa,隨后壓裂液壓力發(fā)生陡降,此峰值壓力對應(yīng)于射孔附近的張開型初始裂縫,裂縫形成后壓裂液壓力迅速降低,此時試樣并沒有完全貫通破壞,在繼續(xù)加入注水量后,達(dá)到第2波峰值,其峰值壓力為9.18 MPa,后續(xù)壓力一直穩(wěn)定在0.25 MPa,說明此后壓裂液注入量與濾出量差不多一致,試樣裂縫貫通至邊界處。

由圖5b可知，試樣2的第1次峰值壓力為24.68 MPa,峰值持續(xù)時間較長,此時試樣裂縫可能正在擴(kuò)展,當(dāng)形成滲流通道時,泵壓迅速下降,此時水力壓力為0,說明貫通的裂縫擴(kuò)展到試樣邊界,第2次峰值壓力與第3次峰值壓力中間變化時間極短,峰值壓力較近,分別為24.05、27.23 MPa,說明多為層面裂縫的多次發(fā)育,最終水力壓力歸零,達(dá)到裂縫貫通。

由圖5c可知，試樣3的第1次峰值壓力在21.3 MPa左右,第2次峰值壓力在31.4 MPa,最后壓裂液的穩(wěn)定壓力在28.26 MPa,說明試樣中發(fā)生了滲流,泵壓上下波動,裂縫與天然裂隙發(fā)生了貫通,但是沒有出現(xiàn)貫穿試樣較大的裂縫,與試驗結(jié)果一致。

由圖5d可知，試樣4出現(xiàn)了3次峰值壓力,且呈遞減趨勢,分別為30.82、25.4、19.02 MPa,開始階段的水壓波動對應(yīng)著裂縫的張開,第2階段對應(yīng)點的峰值水壓下降,說明裂縫的張開難度相對較小,可能對應(yīng)著破壞圖中的細(xì)小裂縫發(fā)育;最后的階段對應(yīng)峰值壓裂水壓峰值為17 MPa,對應(yīng)破壞效果中的層間裂縫發(fā)育。

由圖5e可知，試樣5對應(yīng)有3個峰值應(yīng)力階段。第1個峰值應(yīng)力大小為23.52 MPa,對應(yīng)的是沿主應(yīng)力方向擴(kuò)展的主裂縫；第2個峰值應(yīng)力大小為28.51 MPa,形成的是次生裂縫；第3個峰值大小為50.88 MPa,此時對應(yīng)于裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展。

由圖5f可知，試樣6的注水壓力曲線有4個峰值,裂縫擴(kuò)展最為復(fù)雜。第1個峰值應(yīng)力對應(yīng)于形成垂直于最小水平應(yīng)力的初始裂縫,峰值應(yīng)力大小為13.99 MPa;第2、3、4峰值應(yīng)力大小接近,分別為13.74、15.04、13.39 MPa,第2個峰值應(yīng)力對應(yīng)于次生裂縫的纏身,第3峰值與第4峰值應(yīng)力曲線相似,峰值應(yīng)力值大小相近,對應(yīng)于沿天然裂縫擴(kuò)展。

圖5 注水壓力-時間曲線

由圖5可知，壓裂液壓力會出現(xiàn)陡升和陡降現(xiàn)象,在注壓裂液前期泵壓壓力較長時間處于0階段,此時試樣尚有較大容液量,壓裂液較小,當(dāng)試樣達(dá)到飽和后,壓裂液繼續(xù)灌入,壓裂液壓力迅速上升,首先在射孔口發(fā)生張裂縫,裂縫慢慢擴(kuò)展,壓裂液壓力在峰值壓力附近波動,直到出現(xiàn)較大的裂縫,試樣的溶液量再次迅速增大,壓裂液壓力出現(xiàn)陡降,直到再次達(dá)到飽和溶液量,出現(xiàn)新一波壓裂液壓力峰值。對比有圍壓和無圍壓泵壓曲線發(fā)現(xiàn),無圍壓的峰值時間持續(xù)更短,泵壓短時間達(dá)到峰值又迅速下降到零壓附近,有圍壓的峰值時間持續(xù)較長,在達(dá)到峰值后,泵壓較長時間在峰值壓力下較小范圍內(nèi)波動,最后泵壓再迅速降到零壓附近。

注水壓力峰值不同差異系數(shù)如圖6所示。

圖6 不同差異系數(shù)下的前3次峰值壓力

由圖6可知,前3次峰值壓裂液壓力,隨著差異系數(shù)的增大,第1次峰值壓裂液的壓力先略有增大再逐漸減小,第2次峰值壓裂液壓力先近似不變再減小,第3次峰值壓裂液壓力先升大再減小。由此可以看出,水平應(yīng)力差異對初始裂縫的形成是有促進(jìn)作用的,后期對2次裂縫生成影響相對較小,對3次裂縫生成影響不確定。

3 結(jié) 論

本文采用的由牛蹄塘組頁巖在水力壓裂時破壞時迅速,具有脆性破壞特征,從頁巖的破壞形態(tài)、聲發(fā)射和泵壓曲線可以得出以下結(jié)論:

(1) 水力壓裂時出現(xiàn)的聲發(fā)射事件與裂縫生成的區(qū)域吻合度較高,但是從聲發(fā)射推導(dǎo)出裂縫的擴(kuò)展方向和具體位置則較為困難。

(2) 頁巖在有圍壓下的泵壓在峰值上下波動持續(xù)的時間較長,無圍壓持續(xù)時間較短。

(3) 地應(yīng)力差異系數(shù)對于前期的裂縫擴(kuò)展有一定的促進(jìn)作用,在水平地應(yīng)力差和水壓力共同作用下更容易形成裂縫,在后期隨著天然裂縫擴(kuò)展貫通,壓裂方向更多受天然裂縫的斷裂韌度影響,地應(yīng)力差異系數(shù)影響不確定。

(4) 天然裂縫對水力裂縫的延伸有很大影響,天然裂縫的存在改變了裂縫延伸方向,還改變了壓裂液的滲流方向,從而影響裂縫面的最終形態(tài)。因此,水力裂縫的形態(tài)是含有天然裂縫的試樣在泵注水壓力和模擬地應(yīng)力共同作用下形成的。