鄂西渝東東岳廟段頁巖儲(chǔ)層水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)與影響因素研究

張 輝

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢430035）

砂巖壓裂理論認(rèn)為，壓裂形成的水力裂縫主要為對(duì)稱雙翼裂縫，隨著非常規(guī)油氣藏的深入開發(fā)，該理論已不能適應(yīng)非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂的要求。國內(nèi)頁巖氣開發(fā)存在壓裂理論不成熟，對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的機(jī)理、特點(diǎn)不明確，針對(duì)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行的物模試驗(yàn)較少等問題，使得國內(nèi)頁巖氣開發(fā)缺乏相應(yīng)的壓裂理論指導(dǎo)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，因此，國內(nèi)頁巖氣開發(fā)還需對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的工藝技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化、液體體系等方面作更進(jìn)一步的探索和研究。

1 天然露頭真三軸壓裂模擬試驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)所需天然露頭取自位于湖北省利川市謀道鎮(zhèn)東岳廟段。壓裂前，將露頭巖芯加工成300mm×300 mm×300mm的形狀，在巖樣中心預(yù)制井眼，埋入鋼管模擬套管并預(yù)制射孔或割縫，完成壓裂前試樣準(zhǔn)備工作（圖1）。

圖1 真三軸物模實(shí)驗(yàn)流程圖

本次實(shí)驗(yàn)利用中科院武漢巖土所大型真三軸物理模型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室內(nèi)模擬。根據(jù)前期東岳廟段地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.2，設(shè)置模擬過程中三軸加載應(yīng)力的大小分別為σv＝24.12 MPa、σH＝15.65 MPa、σh＝12.87 MPa，排量為1.5mL／s，壓裂液采用清水替代，割縫方位與水平主應(yīng)力方向的夾角為45°，加載應(yīng)力后，開始以排量1.5mL／s進(jìn)行泵注。在整個(gè)真三軸壓裂模擬過程中，在巖樣上布置了聲發(fā)射探頭，每端面暫定放置3枚，并根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行調(diào)整。從聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的結(jié)果看（圖2），隨著壓裂時(shí)間的增加，聲發(fā)射事件數(shù)量逐漸增多，壓裂后期聲發(fā)射事件數(shù)量增加緩慢。

圖2 聲發(fā)射事件分布圖

2 水力裂縫物理模擬模型試驗(yàn)分析

從破裂后裂縫形態(tài)可以看出，頁巖壓裂后有一條沿水平應(yīng)力方向開裂的貫穿破裂面，平行天然頁巖層理面。從開裂面可以觀察到，在破裂面上有多條不規(guī)則分布的壓裂縫，呈交叉狀相互連通，有明顯的液體滲透痕跡（圖3）。從垂向加載面與水平向加載面可以看出，試件表面有多條不規(guī)則分布的破裂面，部分破裂面相互連通，形成了一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種立體狀的三維空間裂縫展布和延伸也是頁巖儲(chǔ)層改造的最為關(guān)鍵性條件。

圖3 巖心壓開后裂縫剖面觀察圖

針對(duì)東岳廟段可壓性好的頁巖儲(chǔ)層，壓裂過程中希望形成網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)。縫網(wǎng)的形成主要受人工裂縫與天然裂縫夾角和水平應(yīng)力差控制，縫網(wǎng)壓裂工藝主要溝通穿越天然裂縫和結(jié)構(gòu)弱面的剪切破壞。

裂縫延伸過程中遇到天然裂縫后存在3種可能。

1）當(dāng)θ＜30°時(shí)，無論應(yīng)力差大小，天然裂縫均開啟，改變?cè)醒由炻窂?，有利縫網(wǎng)形成。

2）當(dāng)30°≤θ≤60°時(shí)，低應(yīng)力差，天然裂縫開啟，具有形成縫網(wǎng)的條件，高應(yīng)力差天然裂縫不開啟，不具有形成縫網(wǎng)的有利條件。

3）當(dāng)θ＞60°時(shí)，無論應(yīng)力差大小，天然裂縫均不開啟，不具有形成縫網(wǎng)的有利條件。

根據(jù)壓裂試驗(yàn)后裂縫的形態(tài)，考慮天然裂縫或結(jié)構(gòu)弱面對(duì)人工裂縫延伸的影響，結(jié)合理論模型，得出以下3種裂縫延伸模型（圖4、5、6）。

圖4 模型Ⅰ的裂縫延伸模型圖

圖5 模型Ⅱ的裂縫延伸模型圖

圖6 模型Ⅲ的裂縫延伸模型圖

3 水力裂縫影響因素分析與評(píng)價(jià)

3.1 高角度縫影響

實(shí)驗(yàn)表明，高角度截交縫對(duì)起裂的影響很大，水平截交縫對(duì)起裂的影響甚微，幾乎不影響起裂方向。由于高角度截交縫的存在，使得起裂初始方向沿著天然裂縫的方向進(jìn)行，當(dāng)水力裂縫從天然裂縫的尖端擴(kuò)展出去以后（圖7），往往會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終沿著最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了起裂裂縫的近井筒扭曲。

圖7 高角度截交縫導(dǎo)致起裂后水力裂縫近井筒扭曲

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在縫高增長的初期，天然裂縫對(duì)縫高的影響相對(duì)較小，使得縫高方向的濾失加大，在縫高增長的中后期，除了增加了濾失外，天然裂縫還有具有強(qiáng)烈的止裂作用，從而有效地控制了縫高增長。

3.2 壓裂液粘度影響

考慮壓裂液的粘度和排量對(duì)壓裂后裂縫形態(tài)的影響，當(dāng)采用高粘度的壓裂液時(shí)用較小的排量，當(dāng)采用低粘度壓裂液時(shí)用較高的排量。從試樣實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以看出，在相同的應(yīng)力條件下，v－1、v－2、h－1、h－2等4支試樣所采用的壓裂液的粘度為100mPa·s，對(duì)應(yīng)的排量為1.5mL／s，而v－3、v－4、h－3、h－4等4支試樣所采用的壓裂液的粘度為10mPa·s，對(duì)應(yīng)的排量為2.0mL／s。

采用高粘度壓裂液時(shí)，所壓開的水力裂縫表面粗糙度較低，裂縫形態(tài)比較理想，裂縫表面比較光滑，水力裂縫容易穿過預(yù)置的天然裂縫。采用低粘度壓裂液的時(shí)，裂縫表面非常粗糙，起伏比較明顯，水力裂縫容易沿著天然裂縫方向延伸。

在相同工況下，高粘度流體濾失量顯然要比低粘度流體的濾失量小，水力裂縫要想穿過一個(gè)天然裂縫，必須克服不連續(xù)體表面的巖石強(qiáng)度。假如天然裂縫有足夠的剪切力，并在巖石表面產(chǎn)生足夠大的拉伸力，上述情況就會(huì)發(fā)生，而濾失的流體就像潤滑劑，會(huì)減少不連續(xù)體的剪切力，甚至使之完全沒有。因此，高粘度流體有利于水力裂縫穿過天然裂縫，這一試驗(yàn)結(jié)果也與很多現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果相符。

3.3 排量影響

當(dāng)排量為1mL／s時(shí)，峰值水壓力僅為1.9MPa，之后，壓力迅速跌落，將排量增加到2mL／s時(shí)，峰值水壓達(dá)到4.7MPa，停止注水后，壓力迅速跌落（圖8）。在較小的水壓下，鋼管割縫處產(chǎn)生的裂縫與天然裂縫溝通，壓裂液很快到達(dá)試樣邊界，引起壓力的急劇跌落。在排量為1mL／s時(shí)，試樣已經(jīng)形成了從內(nèi)部割縫處到外部邊界的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將排量增大到2mL／s后，壓力峰值達(dá)到4.7MPa，并保持相對(duì)穩(wěn)定。這些數(shù)據(jù)說明，真三軸試驗(yàn)機(jī)施加的三向應(yīng)力抑制了裂紋寬度的增大，使試樣內(nèi)部裂縫網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)相對(duì)保持不變，讓壓裂液在裂縫中的流動(dòng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

圖8 不同排量模擬狀態(tài)圖

采用高排量壓裂時(shí)，裂縫形態(tài)比較理想，裂縫表面比較光滑，水力裂縫容易穿過預(yù)置的天然裂縫。采用低排量壓裂時(shí)，裂縫表面非常粗糙，起伏比較明顯，水力裂縫容易沿著天然裂縫方向延伸。

4 結(jié)論與建議

1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在試件表面有多條不規(guī)則分布的破裂面，部分破裂面相互連通，形成了具有一定規(guī)模的縫網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合前期對(duì)東岳廟段儲(chǔ)層可壓性的評(píng)價(jià)，可以判斷出東岳廟段頁巖儲(chǔ)層可壓性較好，通過水力壓裂能形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)，能有效地增大改造體積。

2）根據(jù)天然裂縫或結(jié)構(gòu)弱面對(duì)人工裂縫延伸的影響，再結(jié)合理論模型，得出了東岳廟段頁巖儲(chǔ)層的3種裂縫延伸模型。由于該儲(chǔ)層天然裂縫較為發(fā)育，根據(jù)巖樣試驗(yàn)結(jié)果可以初步判斷，模型Ⅲ為最主要的裂縫延伸擴(kuò)展模型，即，水力裂縫在相交點(diǎn)直接穿過天然裂縫，并繼續(xù)沿最大水平主應(yīng)力方向延伸。

3）水力裂縫影響因素的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，高角度縫、壓裂液粘度和排量是決定壓后裂縫形態(tài)的主要因素。因此，在現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工中，首先應(yīng)考慮高角度縫對(duì)縫高抑制的影響，同時(shí)盡量采用高粘液體與低粘液體相結(jié)合的液體體系組合，以便盡可能多地打開天然裂縫系統(tǒng)；其次應(yīng)考慮施工排量對(duì)裂縫的影響，應(yīng)盡量采用大排量施工，以便有效地提高施工凈壓力，形成復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)。

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