圓柱形頁巖試樣水力壓裂模擬試驗分析

張 健，王金意，荊鐵亞，張國祥，馬海春

(1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，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發(fā)生止裂、分叉、轉(zhuǎn)向和穿過等力學行為，天然裂縫是水力壓裂形成復雜裂縫網(wǎng)絡的主要機制[2]。文獻[3-5]利用真三軸模擬試驗系統(tǒng)對天然巖樣、人造巖樣進行水力壓裂模擬實驗,實現(xiàn)對裂縫擴展的實際物理過程進行監(jiān)測。中國科學院武漢巖土所研究人員采用真三軸巖土工程模型試驗機建立了一套室內(nèi)頁巖水力壓裂物理模擬試驗方法,主要包括巖土工程模型試驗機、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)，試驗對比分析頁巖試樣試驗前后展布規(guī)律，探討了網(wǎng)狀裂縫的形成機理[6-11]。文獻[12]對彭水地區(qū)頁巖儲層進行水力壓裂物理模擬試驗研究,建立了水力壓裂物理模擬試驗方法。采用聲發(fā)射監(jiān)測信號實時監(jiān)測了頁巖壓裂裂縫的產(chǎn)生、擴展演化過程,觀察了水力壓裂裂縫形態(tài)。文獻[13]對現(xiàn)場礦區(qū)的九塊大型煤塊試件進行試驗，分析了水壓裂縫擴展行為，研究了裂縫的形成、擴展、煤體滲透性改變和水壓作用的關(guān)系。另外，國內(nèi)其他學者或研究單位也采用了模擬試驗進行了水力壓裂研究，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)實驗模擬試驗設備，利用頁巖加工成圓柱形試樣，施加圍壓，進行水力壓裂實驗，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，層面對裂紋形態(tài)有較強影響。

1 試驗

1.1 儀器設備

室內(nèi)大型水力壓裂系統(tǒng)主要包括真空壓縮機，柱塞計量泵、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)中使用柱塞計量泵對頁巖試樣提供一定強度的環(huán)壓以模擬地層應力條件。柱塞計量泵通過柱塞的往復運動直接將工作介質(zhì)(水)吸入和排出來實現(xiàn)壓強的控制，通過傳感器監(jiān)測并反饋工作介質(zhì)的壓強。本次試驗中采用的2J-X型柱塞計量泵(見圖1)最大排壓50MPa，該次試驗環(huán)壓設為5MPa。

圖1 柱塞計量泵和空壓機

巖芯夾持器(見圖2)為圓柱形不銹鋼鑄體，整體強度很高，通過不同配件的改造可使其分別適用于50mm、30mm、25mm直徑試樣的壓裂實驗。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)測伺服控制電路，能按照設定流速和壓力進行注水壓裂，并使得其在流動時能保持平穩(wěn)。本實驗中使用的ISCO高精度柱塞泵型號為Teledyne Isco注射泵65D，缸體、活塞以及頂蓋都采用高強度、耐腐蝕的奧氏體不銹鋼材料Nitronic 50，具有高強度和耐腐蝕性，標準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)確保其使用時的穩(wěn)定性、重復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)，實現(xiàn)對壓裂壓力的準確監(jiān)測。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)流動系統(tǒng)使用一個控制器控制兩個泵，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)場采樣，進行加工，直徑50mm，長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，有機含量較高，井孔直徑6mm，長50mm，采用兩組注射孔分布的井套，如圖2所示。在實驗前利用棉花填充注射孔，在井孔周圍利用環(huán)氧樹脂進行封孔。

頁巖試樣為牛蹄塘組頁巖，巖石顏色呈黑灰色，手觸摸后手上會殘留下黑色，可見有機碳含量較高，使其可吸附氣較多，為頁巖氣儲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)設備上進行操作，對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)為帶螺紋圓長度18mm的空心一次性高強度鋼鑄件，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 試驗結(jié)果

2.1 裂縫形態(tài)

采用在井筒上使用紅色標記筆做記號，正面拍照后轉(zhuǎn)動180°從背面拍照，隨后將壓裂后的頁巖試樣機械破開取出井筒，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，使對應效果更直觀，便于后期分析。射孔對應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水力射孔中的最后一個。下部兩個射孔傳遞的水壓力使主裂縫形成并發(fā)育，同時上部一個射孔的壓裂液傳遞的壓強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，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。當壓力傳遞到試樣頂部時，由于環(huán)氧樹脂的黏合作用，頂部的頁巖無法開裂，故對向的頁巖弱面產(chǎn)生了細微的裂縫，形成了完整的裂縫網(wǎng)絡。

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出水射孔。下部射孔的位置位于主裂縫發(fā)育路徑上，同時也是次級裂縫②起裂的位置。最下端的射孔傳遞的水壓力使主裂縫開裂，同時由于出水孔附近的頁巖存在著弱面，于是次級開裂發(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。對面裂紋發(fā)育較頂面距離稍遠。

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)絡化的重要影響因素；裂紋的寬度都很細小，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頁巖裂縫網(wǎng)絡化有一定提升。

圖7 水力壓裂后的破裂情況與井筒射孔分布的對應關(guān)系圖

2.2 注水壓力分析

部分試樣注水壓力隨時間變化曲線如圖8所示。除SV4試樣外，SV1、SV2、SV3、SV5四個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間變化曲線進行分析，如圖8所示。SV5試樣最高壓裂壓力為22.38MPa，在60S左右達到最高壓裂壓力，此時對應試樣發(fā)生破裂，裂紋發(fā)育后，壓強迅速下降，待壓裂液充滿初級裂縫后，壓強重新上升，并沿著已發(fā)生主裂縫尋找新的裂縫發(fā)生點，注水壓力再次上升，當注水壓力突破試樣裂紋路徑上某處的斷裂韌性值后，次級破裂發(fā)生，然后是三級、四級裂縫。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。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間不完全相同，在設定的0.5mL/min的流量下，達到最高壓裂壓力的時間從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)值計算軟件建立了圓柱形頁巖水力壓裂分析模型，利用擴展有限元理論，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

本文介紹了在實驗室進行圓柱形試樣水力壓裂試驗的方法，并結(jié)合不同注射孔分布井筒試驗分析了裂紋形態(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)絡化。

(3)水壓曲線曲線呈多次波動，其峰值壓裂約在20MP左右。