吳飛鵬, 趙志強(qiáng), 顏丙富, 丁乾申, 劉 靜, 齊 寧, 羅明良

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266580;3. 中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300450)

隨著油氣資源開發(fā)的深化,深層、致密、超低滲等非常規(guī)儲(chǔ)層已逐步成為油氣資源的重要接替力量[1-2]。該類儲(chǔ)層物性差、地層壓力小,油井均需壓裂投產(chǎn),水井也需改造后才能有效注入[3]。但由于大部分儲(chǔ)層微裂縫相對(duì)發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng),采用水力壓裂投注易引起竄流且成本高[4],此外,受儲(chǔ)層應(yīng)力差異控制,壓裂往往形成兩條深穿透長裂縫,難以實(shí)現(xiàn)井周均衡改造[5-6];常規(guī)基質(zhì)酸化波及范圍受限,同時(shí)也會(huì)受到儲(chǔ)層非均質(zhì)的影響,難以有效溝通天然縫網(wǎng)[7-8]。

以燃爆壓裂[9]、電脈沖壓裂[10]、高速動(dòng)能水擊壓裂[11]等為代表的動(dòng)載沖擊壓裂技術(shù)可輕松壓開儲(chǔ)層,并形成多條不受應(yīng)力控制的徑向裂縫,極大改善地層滲流能力[12-13],且可復(fù)合水力壓裂、酸化壓裂、基質(zhì)酸化作業(yè),降低破裂壓力、增加裂縫改造體積、擴(kuò)大酸液波及深度,同時(shí)該類物理法改造技術(shù)成本低、污染小、實(shí)施簡便,越來越受到油田現(xiàn)場的重視[14-17]。其中燃爆壓裂技術(shù)又稱高能氣體壓裂技術(shù),由爆炸壓裂發(fā)展而來,具有能量高、沖擊壓力大等特點(diǎn),能激發(fā)3-8條、5-10 m長徑向裂縫[18-20],但其涉及火工品,施工作業(yè)多為單次進(jìn)行,且安全問題難以保證,制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用[21];電脈沖壓裂技術(shù)[22-24]可實(shí)現(xiàn)多次復(fù)合作業(yè),但作用時(shí)間為微秒級(jí),主要以應(yīng)力波沖擊為主,難實(shí)現(xiàn)深穿透裂縫與井周壓碎破壞的平衡,且電子元件脆弱,適用溫度受限[25-26]。

而高速動(dòng)能水擊壓裂是一種水動(dòng)力學(xué)強(qiáng)沖擊改造技術(shù),主要利用循環(huán)動(dòng)能水擊裝置,對(duì)地層進(jìn)行不同加載速率和不同加載次數(shù)的水擊作用,井周巖石受水擊應(yīng)力沖擊與流體貫入性沖擊的復(fù)合作用,激發(fā)多條徑向裂紋[27];在沖擊過程中,聚能流體沿初始裂縫繼續(xù)楔入并擴(kuò)展裂縫,且由于地層巖石中存在節(jié)理、縫紋、裂隙等薄弱結(jié)構(gòu)面,這些薄弱結(jié)構(gòu)在高壓流體瞬態(tài)沖擊作用下發(fā)生脹裂、剪切滑裂等,進(jìn)一步增加裂縫數(shù)量及裂縫延展的范圍[28-30]。相較于其它兩種動(dòng)載沖擊壓裂技術(shù),該技術(shù)屬于非火工的純水力作用,可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)動(dòng)載沖擊,在儲(chǔ)層改造效果上能夠比擬高能氣體壓裂技術(shù);且可方便實(shí)現(xiàn)不同沖擊波形的組合式循環(huán)作業(yè),激發(fā)裂縫接力式擴(kuò)展,穿透規(guī)模比高能氣體壓裂大;此外,作業(yè)過程可復(fù)合酸液、解堵液等藥劑體系,實(shí)現(xiàn)一次性復(fù)合增效作業(yè)。

該技術(shù)最早可追溯至井下水錘壓裂工藝[31-32],通過高速高能的流體瞬間沖擊地層,達(dá)到壓裂地層的目的,但該技術(shù)每次只能實(shí)現(xiàn)單次沖擊,效率較低。隨后有人提出連續(xù)水力沖擊工藝技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)多次沖擊壓裂地層的目的,但該技術(shù)通常水擊壓力較小,且能量衰減嚴(yán)重,多用于儲(chǔ)層解堵[33-34]。近年來,結(jié)合水擊壓裂的原理并引入高壓脈動(dòng)的低頻水力脈動(dòng)工藝技術(shù)[35]成為人們關(guān)注研究的重點(diǎn),該技術(shù)既能產(chǎn)生壓開裂縫的水擊波,又能多次產(chǎn)生定向的脈沖壓力波反復(fù)沖擊地層巖石,一定程度上增強(qiáng)了儲(chǔ)層的滲流能力,強(qiáng)化了開采效果[36-38]。

該技術(shù)工藝發(fā)展較快,現(xiàn)場應(yīng)用范圍較廣,當(dāng)前該壓裂技術(shù)的關(guān)鍵工程問題為兩個(gè)方面:其一是其井下、地面的能量轉(zhuǎn)換裝置,能否安全可控地將井筒內(nèi)液體重力勢能、地面泵壓壓能、流體流動(dòng)動(dòng)能等充分的轉(zhuǎn)化為井底的水擊沖擊壓能,提高能量轉(zhuǎn)換效能,提升沖擊能量;其二是對(duì)于以形成多條徑向深穿透裂縫及分支縫為目標(biāo)的沖擊參數(shù)、沖擊次數(shù)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究主要針對(duì)第二個(gè)工程問題,所蘊(yùn)含的關(guān)鍵科學(xué)問題在于,該技術(shù)所形成的瞬態(tài)高速、高壓流體的沖擊下,井周巖石的損傷、破裂演化力學(xué)機(jī)制。如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)能水擊參數(shù)的設(shè)計(jì)是該技術(shù)的關(guān)鍵,而水力沖擊下巖石的破裂機(jī)理及控制因素敏感性是工藝設(shè)計(jì)的核心。在聚能水力沖擊下巖石的破裂機(jī)理研究方面,侯冰等[39]采用致密灰?guī)r露頭開展真三軸水力壓裂物模試驗(yàn),分析了不同排量下的水力沖擊對(duì)裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響;杜春志[40]通過水壓致裂巖體試驗(yàn)研究,分析了儲(chǔ)層地應(yīng)力狀況、注水壓力對(duì)裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律的影響,并得出裂縫擴(kuò)展的力學(xué)條件; Wang等[41]運(yùn)用有限元方法對(duì)水擊應(yīng)力波在不同儲(chǔ)層條件下的傳播進(jìn)行計(jì)算,以此分析水擊應(yīng)力波在巖石內(nèi)部節(jié)理、斷層等天然損傷處的變化規(guī)律;Wang等[42]提出了一種三維非線性流固耦合模型,模擬高能水擊裂縫在地層中的延展,分析了地應(yīng)力、彈性模量和巖石抗拉強(qiáng)度等儲(chǔ)層物性對(duì)裂縫形態(tài)的影響。這些研究大都致力于分析水力沖擊儲(chǔ)層的起裂規(guī)律和不同地應(yīng)力等儲(chǔ)層物性對(duì)裂縫擴(kuò)展方面的影響,而巖石在聚能水力沖擊下的破壞過程是一個(gè)應(yīng)力沖擊與流體泄入性沖擊的協(xié)同耦合巖石動(dòng)力學(xué)問題,流體泄入巖心的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制和沖擊參數(shù)、沖擊形式對(duì)巖石破壞的影響規(guī)律等方面仍亟待深入探究。

由此,本文借助巖石動(dòng)態(tài)沖擊損傷模擬試驗(yàn)裝置,探究沖擊參數(shù)、沖擊次數(shù)、沖擊組合對(duì)破巖規(guī)律的影響,分析巖石損傷-破裂過程的力學(xué)演化機(jī)理,明確可實(shí)現(xiàn)多裂縫深穿透至裂的最佳參數(shù)組合,為該技術(shù)的礦場實(shí)施方案設(shè)計(jì)提供支撐。

1 高速動(dòng)能水擊壓裂破巖試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本試驗(yàn)采用的關(guān)鍵設(shè)備為巖石動(dòng)態(tài)沖擊損傷模擬試驗(yàn)裝置[43],其主要由沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)、巖心夾持器、壓力采集系統(tǒng)、加壓泵組四部分組成。試驗(yàn)過程中,重物從一定高度自由下落沖擊柱塞,柱塞壓縮密封在巖心內(nèi)的流體,瞬間激起高壓,以流體與孔眼壁面的應(yīng)力擠壓與聚能流體泄入近孔區(qū)域孔縫的復(fù)合沖擊效應(yīng),產(chǎn)生瞬態(tài)高加載速率液壓沖擊,這與礦場設(shè)備所產(chǎn)生的沖擊加載條件是一致的,同時(shí)巖石所處的環(huán)境與礦場環(huán)境也是相似的,由于本試驗(yàn)裝置為擬三軸加持,只能表征相同的應(yīng)力水平,考慮到該瞬態(tài)沖擊的關(guān)鍵在于加持應(yīng)力水平,而高速?zèng)_擊下應(yīng)力差異的影響將被弱化,因此從巖石破裂響應(yīng)規(guī)律角度,該裝置可以進(jìn)行相似模擬。該試驗(yàn)系統(tǒng)區(qū)別于霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系統(tǒng)(可模擬位移沖擊環(huán)境)[45],其既能考慮井筒內(nèi)的增壓致裂過程,又能考慮外部流體高壓侵入的影響。此外,巖樣外緣被刻有導(dǎo)流槽鋼套片包裹,鋼套外為橡膠套,橡膠套外部位圍壓液壓腔,以此實(shí)現(xiàn)了巖樣外緣應(yīng)力條件、孔壓邊界的獨(dú)立施加。

根據(jù)該裝置工作原理,可做如下假設(shè):①重物自由落體剛觸碰柱塞時(shí)會(huì)立即隨柱塞移動(dòng);②將液體壓縮變形過程簡化為彈性形變運(yùn)動(dòng)過程;③忽略活動(dòng)柱塞與壓力室內(nèi)壁摩擦的影響;④忽略碰撞彈跳的影響;⑤沖擊時(shí),鉆孔內(nèi)壁無變形。

因此,根據(jù)可得到巖樣不發(fā)生形變、破裂條件下,動(dòng)態(tài)沖擊加載速率推導(dǎo)公式[44]

(1)

式中:dP為壓力變化,Pa;dt為時(shí)間的變化,s;AP為柱塞內(nèi)部接觸面積,m2;C為液體壓縮系數(shù),Pa-1;V0為模擬井眼上部增壓區(qū)塊體積和模擬井眼體積之和,m3;g為重力加速度,m/s2;H為重物下落高度,m;T為重物與柱塞沖擊開始運(yùn)動(dòng)到柱塞向下運(yùn)動(dòng)結(jié)束的時(shí)間,s;t為柱塞開始運(yùn)動(dòng)后時(shí)間,s。

對(duì)上式進(jìn)行積分可得到?jīng)_擊過程中的壓力峰值為

(2)

式中:Pmax為壓力峰值,Pa;P0為模擬井眼的初始?jí)毫?Pa;m為重物質(zhì)量,kg。

1.2 驗(yàn)證與分析

首先,采用帶中孔的圓柱形鋼塊進(jìn)行沖擊試驗(yàn),鋼塊半徑為40 mm,高度為45 mm,中孔半徑為3 mm。由于鋼塊強(qiáng)度大,沖擊過程不會(huì)發(fā)生形變、破裂,以此模擬沖擊過程孔眼空間體積不變條件下的沖擊加載過程。

測試了自由落體重物質(zhì)量為20 kg,高度分別為0.8 m、0.4 m、0.2 m三種情況下的沖擊加載曲線,同時(shí)通過式(1)和式(2)理論計(jì)算鋼塊中孔液壓沖擊記載過程,其對(duì)比結(jié)果如圖2所示,其中P0=15 MPa,V0=1.836 9×10-7m3,AP=2.826×10-6m2,C=0.048 5,g=9.8 m/s2。

由圖2看出,初始鉆孔壓力為15 MPa,隨著沖擊高度的增加,沖擊所產(chǎn)生的能量也隨之增大,沖擊的高度決定了沖擊時(shí)重物的動(dòng)能。其無論自由落體高如何,其沖擊產(chǎn)生的峰值壓力,試驗(yàn)值略低于理論值,0.8 m、0.4 m、0.2 m自由落體高度沖擊條件下,理論計(jì)算峰值壓力比試驗(yàn)值分別高15.7%、8.8%、1.6%。分析認(rèn)為這種差異主要由于推導(dǎo)過程忽略了重物下落時(shí)與導(dǎo)軌的摩擦,以及柱塞沖擊時(shí)與巖心夾持器壁面的摩擦導(dǎo)致,所以自由落體高度越高,滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的能量耗散就越多,試驗(yàn)值的峰值壓力與計(jì)算的峰值壓力的誤差就越大,因此,通過多組不同沖擊參數(shù)組合下的曲線峰值壓力與該沖擊參數(shù)下的理論公式的峰值壓力進(jìn)行擬合回歸,得到當(dāng)修正系數(shù)為0.77時(shí)理論曲線和試驗(yàn)曲線有較好的一致性,為下一步?jīng)_擊試驗(yàn)的理論試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1.3 試驗(yàn)巖樣的制作

考慮每次沖擊試驗(yàn)中巖石試樣統(tǒng)一性,采用人造巖心完成水擊壓裂試驗(yàn)。如表1所示參考天然砂巖物性參數(shù),具體制作步驟如下:①使用振篩機(jī)對(duì)石英砂進(jìn)行篩選;②按一定砂灰比量取石英砂和水泥灰混合均勻;③加入清水?dāng)嚢杌旌暇鶆?④組裝直徑為80 mm的壓制模具;⑤將混合物倒入模具中并安裝巖心壓制裝置;⑥軸向上施加壓力為10 MPa,持續(xù)加壓2 h;⑦取出巖心且室溫中養(yǎng)護(hù)28 d;⑧養(yǎng)護(hù)后巖心利用巖心切割機(jī)切割成高度為40 mm;⑨使用巖心鉆孔機(jī)在巖心的中心上鉆孔;⑩使用砂紙打磨斷面,得到最終的巖心。

表1 人造巖樣物性參數(shù)表

為了使人造巖心更具有代表性,更能在各種物性上貼近真實(shí)巖心,測試相關(guān)模擬巖樣物性參數(shù)如表2所示,與現(xiàn)場真實(shí)巖心的物性對(duì)比,確定了水泥含量為50%時(shí)的人造巖心更貼近該區(qū)塊的真實(shí)巖心。

表2 天然巖樣物性參數(shù)表

1.4 試驗(yàn)流程與方案

本研究著重分析單次沖擊、重復(fù)沖擊及變能量組合沖擊,對(duì)巖石破形態(tài)及演化過程的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)開展了三部分共9組試驗(yàn),試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 水擊動(dòng)能沖擊試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程中,首先將人造巖心放入巖心夾持器中,使注水孔與巖心中孔完全重合;進(jìn)而在巖心外部放入膠皮套筒,使其與巖心完全貼合,組裝巖心夾持器;隨后注水加載圍壓,待壓力達(dá)到設(shè)定值(本研究施加25 MPa)后,觀察壓力波動(dòng),保證壓力在設(shè)計(jì)值上下浮動(dòng)不超過0.2 MPa;同時(shí),通過平流泵向巖心中孔注水至設(shè)計(jì)值(本研究為15 MPa),觀察壓力波動(dòng)情況,確保壓力在設(shè)計(jì)值上下浮動(dòng)不超過0.2 MPa;最后,調(diào)整重物質(zhì)量和高度為設(shè)計(jì)值,進(jìn)行釋放沖擊測試;跟蹤采集沖擊過程中孔壓力值變化,試驗(yàn)后取出巖心,觀察巖心裂縫形態(tài)。

2 高速動(dòng)能水擊壓裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單次沖擊對(duì)巖石破壞的力學(xué)機(jī)理分析

按照上述單次水擊壓裂破巖方案設(shè)計(jì)開展試驗(yàn),#1～3組巖石受沖擊后的巖石破裂情況、模擬井眼壓力和加載速率變化曲線如圖3～5所示:

三組試驗(yàn)?zāi)M井眼內(nèi)壓力隨時(shí)間變化趨勢相同,表現(xiàn)為其加載速率均存在明顯的三個(gè)階段:快速上升階段(開始加載到壓力拐點(diǎn))、振蕩性減小階段(壓力拐點(diǎn)到壓力峰值)、峰值后壓力衰減階段(峰值點(diǎn)后)。但每個(gè)階段的節(jié)點(diǎn)壓力、加載速率卻有明顯差異,對(duì)應(yīng)巖石破壞形態(tài)也各不相同。主要體現(xiàn)在:

對(duì)于#1組(重錘高度0.4 m)試驗(yàn),由于自由落體初始高度最低,其初始加載速率較小(2.48 MPa/ms),巖心孔眼內(nèi)流體受擠壓突破壁面孔隙界面,泄入巖石基質(zhì)并快速擴(kuò)容滲流。Grady-Kipp動(dòng)態(tài)斷裂模型[46]和Stenerding-Lehnigk動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則[47-48]壓力加載速率影響了巖石內(nèi)部裂紋的活化、生長,當(dāng)應(yīng)力波能量作用密度在門檻值和上限值之間時(shí),應(yīng)力波的每一次沖擊都會(huì)導(dǎo)致巖石的損傷,使得裂紋在一個(gè)較低的速率下擴(kuò)展。隨著擴(kuò)容增滲程度的加大,泄流速度逐漸接近柱塞擠壓流體的速度,表現(xiàn)為加載速率增大至極值點(diǎn)(20.04 MPa/ms)后快速下降;隨著柱塞的持續(xù)下行,擠壓流體持續(xù)快速貫入基質(zhì),孔隙壓力升高,而孔眼內(nèi)壓力仍未達(dá)到致裂巖石水平,因此孔眼內(nèi)液壓又一次快速增加,加載速率再次提升,但由于該過程中柱塞處于減速運(yùn)動(dòng),且?guī)r石基質(zhì)內(nèi)的流體也在不斷擴(kuò)容孔隙讓出空間,因此其加載速率低于第一段峰值;隨后,當(dāng)孔眼內(nèi)壓力上升到峰值(36.03 MPa)后,其仍未達(dá)到致裂巖石水平,但此時(shí)柱塞運(yùn)行至最低點(diǎn)后開始反彈,巖石中孔隙密閉體積增大,模擬井眼壓力也達(dá)到峰值后逐漸呈階梯狀降低。由于擠壓流體貫入巖石中是一種強(qiáng)斷續(xù)非穩(wěn)定流動(dòng),因此水擊過程中的加載速率呈現(xiàn)劇烈震蕩趨勢。從沖擊后巖樣形態(tài)來看,該組試驗(yàn)下的水擊作用僅對(duì)井眼壁面造成微損傷,并無明顯裂縫的產(chǎn)生。

對(duì)于#2組(重錘高度0.8 m)試驗(yàn),相對(duì)#1組自由落體高度增加一倍,理論加載速率增加1.4倍,表現(xiàn)為其初始加載速率約為(3.47 MPa/ms),即流體受擠增壓速率增大,模擬井眼壓力迅速到達(dá)拐點(diǎn)(34.93 MPa)。拐點(diǎn)后的加載速率呈現(xiàn)先振蕩上升后再次快速下跌的趨勢,表明巖石基質(zhì)內(nèi)部的損傷迅速累積,裂紋快速擴(kuò)展,井眼周圍出現(xiàn)宏觀小裂縫的快速泄流通道,此時(shí)泄流面積瞬間擴(kuò)大,泄入巖石基質(zhì)的流體迅速侵占讓出體積,導(dǎo)致孔眼內(nèi)壓力上升趨緩;此后,隨著柱塞繼續(xù)下行至最低點(diǎn)后開始反彈,巖心孔眼內(nèi)流體進(jìn)一步壓縮憋起壓力至峰值(42.48 MPa),由于泄入流體大多補(bǔ)充巖石增大的孔隙體積,因此壓裂裂縫的延伸不夠徹底。從巖石的破裂情況來看,該組試驗(yàn)下的水擊作用破壞了井眼壁面薄弱區(qū),產(chǎn)生一對(duì)微型水力裂縫。

對(duì)于#3組(重錘高度1.2 m)試驗(yàn),其初始加載速率(4.24 MPa/ms)、模擬井眼壓力峰值(49.69 MPa)進(jìn)一步增大,井眼應(yīng)力波能量作用密度瞬間達(dá)到了損傷閾值,巖石受水擊破裂情況更為嚴(yán)重。柱塞下行擠壓流體開始泄入巖石基質(zhì),此時(shí)泄入速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓流體速率,巖心孔眼內(nèi)瞬時(shí)憋起更高的壓力,在孔眼內(nèi)壁周圍壓開裂縫,同時(shí)流體楔入裂縫,進(jìn)而劈裂成為貫穿縫。在裂縫初形成時(shí),由于巖心孔眼內(nèi)流體楔入裂縫補(bǔ)充讓出體積,因此模擬井眼壓力曲線到達(dá)拐點(diǎn)(38.17 MPa)后出現(xiàn)瞬時(shí)降低現(xiàn)象,加載速率也隨之降低為負(fù)值;隨著柱塞繼續(xù)下行擠壓流體,巖心孔眼內(nèi)壓力再次提升至峰值,直至貫穿縫形成后,流體大量泄出巖石,模擬井眼壓力迅速降低。巖石壓裂后裂縫面情況也表明了流體泄入后劈裂的過程,具體表現(xiàn)為在裂縫靠近模擬井眼的部分存在流體沖刷的痕跡,裂縫面比較光滑,而遠(yuǎn)端裂縫由于是被劈裂、撕開的,因此其裂縫面相對(duì)較為粗糙。此外,由于瞬間激起高壓,井眼周圍可能會(huì)產(chǎn)生破碎區(qū)域。

試驗(yàn)結(jié)果表明,在較低的水擊能量下,流體在巖石基質(zhì)中的泄入會(huì)平衡掉流體擠壓速率,模擬井眼壓力增幅較小,無法壓開宏觀裂縫,僅能對(duì)井眼壁面造成微損傷;但隨著水擊能量增大,微裂縫逐漸聚并串聯(lián)而成宏觀裂紋;當(dāng)流體泄入速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓流體速率后,宏觀裂紋因流體楔入而形成脆性崩裂裂縫,因此流體高速貫入巖石基質(zhì)中可起到擴(kuò)容增滲的效果,具體表現(xiàn)為#3組試驗(yàn)巖心出現(xiàn)一對(duì)貫穿裂縫,在孔眼周圍還會(huì)出現(xiàn)一層破碎區(qū)域,且從端面上可以看出流體徑向泄入的沖刷痕跡。

2.2 單次沖擊對(duì)巖石破壞的力學(xué)機(jī)理分析

按照表2方案設(shè)計(jì)開展重復(fù)沖擊試驗(yàn),#4～7組巖石受沖擊后的巖石破裂情況、不同重復(fù)沖擊次數(shù)下壓力峰值和平均加載速率變化示意圖,如圖8～10所示。

從圖9可以看出,在#4～7四組試驗(yàn)中,每組巖心模擬井眼峰值壓力均隨沖擊次數(shù)增加而呈減小趨勢。同時(shí),由圖10可得,隨加載次數(shù)增加,加載速率也逐漸減小,且同樣呈現(xiàn)出先慢后快又變慢的階梯變化趨勢。對(duì)照四組巖心破裂情況,隨加載次數(shù)增加,巖心裂縫條數(shù)增加、縫長和縫寬增大、孔眼周圍損傷破碎加劇,整個(gè)破巖過程可分解為三個(gè)階段,即近孔眼損傷、裂縫起裂擴(kuò)展和應(yīng)力擠壓破碎。

圖1 巖石動(dòng)態(tài)沖擊損傷模擬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dynamic impact damage simulation test device for rocks

圖2 理論計(jì)算與實(shí)測模擬井眼p-t曲線對(duì)比圖Fig.2 Comparison of theoretical calculation and actual simulated borehole p-t curve

圖3 0.4 m重物高度沖擊時(shí)模擬井眼p-t曲線Fig.3 Simulated borehole p-t curve at 0.4 m weight height impact

圖4 0.8 m重物高度沖擊時(shí)模擬井眼p-t曲線Fig.4 Simulated borehole p-t curve at 0.8 m weight height impact

圖5 1.2 m重物高度沖擊時(shí)模擬井眼p-t曲線Fig.5 Simulated borehole p-t curve at 1.2 m weight height impact

圖6 不同加載高度下的各壓力、加載速率曲線Fig.6 Curves of each pressure and loading rate under different loading heights

圖7 裂縫面區(qū)域示意圖Fig.7 Schematic diagram of the crack surface area

圖8 巖石沖擊后的破裂情況圖Fig.8 Rupture of rock after impact

圖9 不同重復(fù)沖擊次數(shù)下壓力峰值Fig.9 Peak pressure at different number of repeated impacts

圖10 不同重復(fù)沖擊次數(shù)下加載速率Fig.10 Loading rate at different number of repeated impacts

首先在近孔眼損傷階段,由于巖石破裂強(qiáng)度較大,模擬井眼壓力不足以造成巖石內(nèi)壁起裂,僅靠高壓流體快速泄入沖刷作用對(duì)其造成損傷,因此該階段具體表現(xiàn)為巖石受水擊后的損傷范圍僅僅局限在孔眼附近,巖石內(nèi)壁損傷程度較小,形成微小裂紋,其加載速率較大,模擬井眼壓力峰值較高;進(jìn)入裂縫起裂擴(kuò)展階段后,由于巖石破裂強(qiáng)度受損傷而降低,孔眼內(nèi)流體受擠壓開始泄入損傷薄弱區(qū),微裂縫、裂紋端面受流體擠脹作用發(fā)生擴(kuò)展并沿尖端延伸,從而形成多條徑向宏觀裂縫,該階段具體表現(xiàn)為巖石受水擊作用后損傷范圍由巖心孔眼向四周擴(kuò)展,開始出現(xiàn)多條貫穿井眼的宏觀裂縫,相應(yīng)的加載速率及模擬井眼壓力峰值也因流體快速補(bǔ)充到擴(kuò)容體積而迅速下降;沖擊次數(shù)到達(dá)臨界次數(shù)5次之后,進(jìn)入應(yīng)力擠壓破碎階段,此時(shí)巖心孔眼內(nèi)流體受擠壓持續(xù)沿裂縫泄入,促使裂縫產(chǎn)生重復(fù)的張開與閉合,這種裂縫響應(yīng)將大程度平衡掉液壓沖擊能,因此加載速率變得很小,巖心宏觀裂縫不斷被沖刷、張開。同時(shí),高壓流體也會(huì)沿著裂隙貫入,形成支縫,因此該階段具體表現(xiàn)為巖石受水擊作用后損傷范圍增大至整個(gè)巖心,主裂縫因流體泄入、沖刷而變得更寬且光滑,與伴生的多條支縫一并構(gòu)成裂縫縫網(wǎng)。當(dāng)巖石泄流能力完全平衡掉沖擊能量后,壓縮流體直接沿裂縫泄入巖石外,模擬井眼壓力很難再憋起,加載速率也持續(xù)維持在較低水平。由此,循環(huán)水力沖擊致裂是多次加載激發(fā)的微裂紋不斷演化、累積、貫穿的過程。

相較于單次高能量水擊壓裂試驗(yàn),對(duì)巖心進(jìn)行重復(fù)低能量沖擊能夠有效降低破裂強(qiáng)度,且?guī)r心的破裂形態(tài)多以縫網(wǎng)的形式存在,比單次高加載能量試驗(yàn)所產(chǎn)生的1條或2條水力縫更為優(yōu)越。但僅依靠低加載能量的重復(fù)沖擊,會(huì)因流體反復(fù)擠壓、沖刷孔眼壁面,而造成大范圍損傷破碎、壓實(shí),這一定程度上抑制了基質(zhì)增滲效果。因此,合理配置每次沖擊的能量等級(jí),實(shí)現(xiàn)起裂與擴(kuò)展的協(xié)同作用,將更有利于多條裂縫的脆性擴(kuò)展。由此,本研究設(shè)計(jì)#8和#9兩組組合沖擊試驗(yàn),以探究不同加載能量組合對(duì)巖石破裂形態(tài)的影響規(guī)律。

2.3 組合沖擊下對(duì)巖石破壞的演化機(jī)理分析

兩組試驗(yàn)分別設(shè)定“先高后低”和“先低后高”的加載組合,巖心破裂情況及沖擊過程巖心孔眼的p-t曲線如圖11～13所示。

圖11 巖石破裂情況Fig.11 Rock fracture condition

對(duì)于“先高后低”加載組合水擊試驗(yàn)(見圖12),高能量水擊下的模擬井眼壓力要明顯大于低能量水擊,且隨水擊次數(shù)增加,模擬井眼壓力峰值也呈現(xiàn)逐步下降趨勢。從巖石的破裂形態(tài)看,水擊作用致其孔眼內(nèi)壁損傷破裂嚴(yán)重,并形成貫穿裂縫。先進(jìn)行首次高能量水擊時(shí),巖石孔眼內(nèi)流體受擠壓會(huì)像“楔子”一樣楔入巖石,直接造成巖石內(nèi)部發(fā)生破壞起裂形成宏觀水力裂縫,而由于水擊能量大多集中于巖心孔眼附近,致使孔眼內(nèi)壁坍塌破碎。隨后的多次低能量沖擊中,巖石孔眼中的流體直接沿貫穿裂縫泄出巖石,抑制了多裂縫的競爭性開啟,且模擬井眼壓力變化不再明顯,此外,孔眼內(nèi)壁由于受到大量流體的反復(fù)沖刷而造成井周壓實(shí),降低擴(kuò)容增滲效果。

圖12 “先高后低”加載組合模擬井眼p-t曲線Fig.12 Simulated borehole p-t curve with “high first, then low” loading combination

而對(duì)于“先低后高”加載組合水擊試驗(yàn)(見圖13),在低能量水擊階段,模擬井眼壓力隨水擊次數(shù)增加而逐漸降低,在進(jìn)行第四次高能量水擊時(shí),模擬井眼壓力迅速攀升,超過低能量水擊階段下任意一次的峰值壓力。從巖石的破裂形態(tài)看,多條宏觀裂縫沿孔眼向巖石四周競爭性起裂,且宏觀裂縫尖端及薄弱點(diǎn)發(fā)育出多條小型分支縫,最終構(gòu)成破碎縫網(wǎng)。在多次低能量的水擊作用下,巖心孔眼內(nèi)液體受擠壓侵入巖心,其內(nèi)部薄弱面逐漸起裂,率先形成微損傷和擴(kuò)容通道,隨著流體持續(xù)泄入巖石基質(zhì),其孔隙壓力也隨之升高,連續(xù)的低能量沖擊對(duì)巖心造成漸進(jìn)式累積損傷;在最后一次的高能量水擊作用下,巖心孔眼內(nèi)瞬間憋起高壓,擠壓流體“楔入”并撕裂巖石形成多條宏觀裂縫,而在低能量加載階段形成的微裂縫、微裂紋同時(shí)得到的擴(kuò)展、溝通、延伸,最終形成宏觀主裂縫貫穿巖心、多條分支裂縫交錯(cuò)連接分布的破碎縫網(wǎng)。

圖13 “先低后高”加載組合模擬井眼p-t曲線Fig.13 Simulated borehole p-t curve with “l(fā)ow first, then high” loading combination

綜上所述,“先高后低”加載組合是先以高能量沖擊造成巖心直接破裂,后以低能量沖擊對(duì)裂縫進(jìn)行擴(kuò)展,巖心易形成少數(shù)幾條貫穿裂縫,但孔眼又因流體的反復(fù)沖刷坍塌破碎,影響增滲效果;而“先低后高”加載組合則是先以低能量沖擊對(duì)巖心造成累積損傷,后以高能量沖擊破壞巖石結(jié)構(gòu),形成含有多條主裂縫與分支縫的破碎縫網(wǎng);因此,整體上,“先低后高”加載組合更易形成多條宏觀裂縫,且對(duì)巖石的損傷程度及增滲擴(kuò)容效果更好。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于單次高速動(dòng)能水擊破巖,在8.5 MPa/ms的沖擊加載速率下,巖石呈現(xiàn)出流體泄入損傷孔眼的破壞模式;當(dāng)加載速率提高到13.4 MPa/ms時(shí),巖石呈現(xiàn)出微裂縫聚并串聯(lián)成宏觀裂紋的破壞模式;當(dāng)壓力加載速率提高到15.5 MPa/ms時(shí),巖石呈現(xiàn)出流體楔入形成脆性崩裂裂縫的破壞模式。

(2)隨著沖擊次數(shù)的增加,巖石損傷破壞呈現(xiàn)近孔眼損傷(1～2次)-裂縫起裂擴(kuò)展(3～5次)-應(yīng)力擠壓破碎(6～10次)三個(gè)過程。首先憑借水力沖刷作用對(duì)巖石造成損傷,隨后流體開始泄入損傷薄弱區(qū)及微裂縫,形成多條徑向宏觀裂縫,隨著流體持續(xù)沿裂縫泄入巖石遠(yuǎn)端并沖刷裂縫縫面,縫長、縫寬大幅增加,但隨著沖擊次數(shù)的增加也會(huì)產(chǎn)生壓碎、壓實(shí)井眼的不利影響。

(3)“先高后低”加載組合雖然也能夠形成宏觀裂縫,但后續(xù)的重復(fù)水力沖刷作用易造成井壁壓實(shí),從而降低增滲效果;而“先低后高”加載組合更易形成含有多條主裂縫與分支縫的破碎縫網(wǎng),對(duì)巖石的損傷程度及增滲擴(kuò)容效果更好。