含水合物粉質(zhì)黏土壓裂成縫特征實驗研究1)

楊 柳 石富坤 張旭輝?,,2) 魯曉兵?,

?(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室,北京 100190)

??(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

引言

天然氣水合物是在低溫高壓條件下形成的一種冰狀晶體,主要賦存于砂土和粉質(zhì)黏土沉積層中,富含極其豐富的天然氣,1 m3的水合物沉積層能夠釋放出160～200 m3的天然氣[1-2].已探明的天然氣水合物沉積層絕大部分存在于海底,少部分分布在陸地的凍土層內(nèi)和深水湖底[3].研究發(fā)現(xiàn),天然氣水合物分布廣泛,資源量高,其儲量相當(dāng)于傳統(tǒng)化石能源燃料的2 倍左右,是一種儲量巨大的非常規(guī)天然氣資源[4-5].我國分別在祁連山凍土層和南海沉積層取得了優(yōu)質(zhì)的水合物沉積物樣品,說明我國的水合物儲量豐富、豐都高、開采潛力巨大,目前已經(jīng)水合物開采方面的研究列入國家重點研究規(guī)劃[6].天然氣水合物作為一種新型的清潔能源,開采效率的提高對全球環(huán)境保護(hù)、緩解能源危機(jī)具有重要意義[7].

天然氣水合物具有廣闊的勘探開發(fā)前景,受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注,目前主要圍繞水合物開采方法、技術(shù)及工藝等方面開展研究[8-9].與常規(guī)的化石能源不同,水合物的開采存在較大的特殊性,具體表現(xiàn)為開采條件特殊、分解需要熱量大、地層穩(wěn)定性低和天然氣易泄漏[10].水合物賦存于高壓、低溫的環(huán)境下,需要通過供熱或降壓引起水合物分解從而獲得天然氣.然而,單純依靠水合物沉積層自身的熱量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須從外界輸入大量的熱量使得水合物充分分解[11].水合物沉積物作為骨架結(jié)構(gòu)的一部分,分解后會導(dǎo)致地層強(qiáng)度大幅度降低、孔隙壓力劇烈變化,對井筒、地層的穩(wěn)定性帶來較大威脅[12].此外,水合物沉積層往往處于未固結(jié)狀態(tài)、滲透性好,釋放出的天然氣易沿著蓋層的高滲通道發(fā)生竄流、泄漏.水合物沉積層的這些特點為水合物的開采帶來較大挑戰(zhàn),很大程度上限制了天然氣水合物的高效開發(fā)[13-14].目前,適用于水合物開采的方法主要包括降壓法、供熱法、抑制劑法、置換法、固體法以及多種方法聯(lián)合法,這些方法普遍存在傳熱速率低、水合物開采效率慢等特點[15-17].張旭輝等[18]提出了一種機(jī)械粉碎與加熱聯(lián)合的水合物開采設(shè)想,不僅避免了大量的固體顆粒舉升帶來的能量損耗,還可以通過固體顆?；靥罱档土顺练e層坍塌的風(fēng)險.與傳統(tǒng)的方法相比,這種方法克服了傳統(tǒng)方法中傳熱慢、分解效率低等缺點,適用于分布集中、豐度高、儲量大、未固結(jié)的水合物沉積層中.

水合物沉積物的開采方法的關(guān)鍵是大幅度提高水合物沉積層的滲流能力、擴(kuò)大水合物的分解范圍.俄羅斯學(xué)者提出水平井多級壓裂技術(shù)依靠高壓流體誘發(fā)人工裂縫,可以改善地層的滲流通道,在水合物開采中具有很大的應(yīng)用前景[19],鄭哲敏[20]提出了水合物沉積層水平井壓裂面臨的一系列工程科學(xué)問題,認(rèn)為水力壓裂的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面注入的壓裂液往往溫度高于地層,與水合物沉積層接觸后,促進(jìn)水合物分解、釋放天然氣;另一方面壓裂產(chǎn)生的裂縫可提高壓裂液與水合物沉積層的接觸面積,利于水合物大范圍分解.此外,裂縫可作為天然氣的高速通道,提高水合物氣井的產(chǎn)量.邵茹[21]設(shè)計了一種雙水平井多級壓裂開采水合物的方案,一口水平井作為壓裂井,另外一口作為采氣井.通過壓裂井注入熱流體促進(jìn)水合物沉積層分解,從采氣井開采分解出的天然氣.祝道平等[22]提出將高能氣體壓裂技術(shù)應(yīng)用于水合物開采的設(shè)想,高壓氣體可作用于地層上引起裂縫擴(kuò)展,提高地層的導(dǎo)流能力.同時,高溫氣體在一定程度上起到了供熱作用,促進(jìn)了水合物的分解[23-25].高能氣體壓裂技術(shù)可與傳統(tǒng)的開采方法結(jié)合,達(dá)到強(qiáng)化水合物開采效率的目的.然而,將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于水合物開發(fā)尚處于理論研究階段,其他配套的技術(shù)如工作液配方、井壁穩(wěn)定、固井及排采技術(shù)有待于進(jìn)一步研究[26].綜合來看,水力壓裂技術(shù)對改善地層滲流能力和擴(kuò)大水合物的分解范圍都有重要作用,是一種潛在的水合物高效開采技術(shù).

目前,水力壓裂技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于頁巖油氣等非常規(guī)資源的開采中,使得北美頁巖油氣進(jìn)入了大規(guī)模高效開發(fā)階段.該技術(shù)的成功應(yīng)用與頁巖本身的特殊性有關(guān).我國南海粉質(zhì)黏土質(zhì)水合物沉積物主要由黏土礦物、水合物和冰組成,與頁巖的礦物組成(黏土礦物和脆性石英礦物)具有一定的相似性.尤其是水合物和冰含量較高,使得水合物沉積物的脆性較強(qiáng),有利于人工裂縫的起裂、擴(kuò)展.本文針對我國南海含水合物粉質(zhì)黏土沉積層的成縫能力開展研究,并與砂土沉積層進(jìn)行對比,分析沉積物組成、水合物含量及冰對裂縫形態(tài)、破裂壓力的影響.

1 實驗樣品、設(shè)備和步驟

1.1 試樣制備

實驗采用的粉質(zhì)黏土取自南海水合物區(qū),顆粒比重約為2.7,相對密度約58%,直徑在0.005～0.05 mm 范圍的顆粒占比約為80%,顆粒級配曲線如圖1(a)所示.粉細(xì)砂土比重約為2.68,相對密度為54%,直徑在0.005～0.05 mm 范圍的顆粒占比約7.8%,顆粒級配曲線如圖1(b)所示.相比而言,粉質(zhì)黏土的顆粒直徑較小,處于幾個微米到幾十微米級別.采用粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂制備土樣,即為水合物賦存的沉積物骨架,基本物性參數(shù)如表1 所示.制備的土樣直徑×高度約為3.9 cm×8 cm.在制備土樣過程中,分四層砸實,可保證土樣的均勻性.甲烷水合物在粉質(zhì)黏土中合成時間長,且飽和度難以控制.而四氫呋喃水合物在熱力學(xué)性質(zhì)方面與甲烷水合物具有很強(qiáng)的相似性,在不考慮開采產(chǎn)氣的力學(xué)性質(zhì)的研究中能夠相互模擬.四氫呋喃水合物在大氣壓和溫度4?C 下即可形成,形成條件容易控制,合成難度低.因此,本文采用四氫呋喃水合物開展實驗,在降低實驗難度的同時,還可以反映出水合物沉積物的成縫特征[27].

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve

表1 樣品參數(shù)Table 1 Sample parameters

研究發(fā)現(xiàn),水合物沉積層具有非均質(zhì)性強(qiáng),橫向變化大的特點,且部分沉積層同時發(fā)育水合物和冰.為了更好地反映水合物沉積層的特征,本實驗分別制備三種試樣(沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣),并對比研究沉積物骨架性質(zhì)、水合物和冰飽和度對沉積層壓裂裂縫延伸的影響.沉積物骨架試樣(1#和11#)在自然條件下風(fēng)干至質(zhì)量不再變化,即制備成功(圖2(a));水合物沉積物試樣是在沉積物骨架試樣中注入一定量的四氫呋喃(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%),保持溫度?9?C 下持續(xù)48 h 以上,即制備成功(圖2(b));水合物?冰沉積物試樣是在水合物沉積物基礎(chǔ)上制備的,將水合物沉積物試樣置于0?C 的冰水混合物中,并將環(huán)境溫度降至?9?C,持續(xù)5 d 以上,直至樣品表面冰層形成(冰層厚度約為1 cm),試樣如圖2(c)所示.

圖2 水合物沉積層試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hydrate deposit sample

1.2 試樣的基本力學(xué)性質(zhì)

粉質(zhì)黏土的水合物飽和度約90%.圖3 為粉質(zhì)黏土的應(yīng)力?應(yīng)變曲線,可以看出應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)三臺階式的增長,曲線具有明顯的三段式特征:彈性變形段、塑性變形段及應(yīng)變硬化段[28].當(dāng)應(yīng)變低于15%時,含水合物的粉質(zhì)黏土試樣表現(xiàn)為線彈性特征;當(dāng)應(yīng)變在2%～6%范圍內(nèi),含水合物的粉質(zhì)黏土試樣表現(xiàn)為塑性變形特征,即應(yīng)力基本不變,應(yīng)變由2%增大到6%;當(dāng)應(yīng)變高于6%時,含水合物的粉質(zhì)黏土試樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征,即隨著應(yīng)變增大,應(yīng)力迅速上升.此外,應(yīng)變硬化段分為兩個階段,初期段粉質(zhì)黏土試樣表現(xiàn)為均勻變形,應(yīng)力升高較快;后期段粉質(zhì)黏土試樣表現(xiàn)為局部變形,應(yīng)力的升高趨勢開始放緩.根據(jù)庫倫莫爾圓可知,隨著圍壓的增大,含水合物的粉質(zhì)黏土試樣強(qiáng)度逐漸增大,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為0.3 MPa 和2.21?.

圖3 粉質(zhì)黏土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和摩爾圓[28]Fig.3 Stress-strain curve and molar circle of silty clay[28]

砂土水合物平均飽和度約為85.3%.圖4 為粉細(xì)砂土的應(yīng)力?應(yīng)變曲線和莫爾圓[29].可以看出粉細(xì)砂土水合物沉積物表現(xiàn)為塑性破壞;隨著圍壓的增大,試樣強(qiáng)度逐漸增大.水合物平均飽和度為85.3%時,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為3.1 MPa 和12.4?.

圖4 粉細(xì)砂土的應(yīng)力?應(yīng)變曲線和摩爾圓[29]Fig.4 Stress-strain curve and molar circle of fine sand [28]

1.3 試驗設(shè)備及步驟

圖5 所示為水合物沉積層水力成縫裝置示意圖,是在中國科學(xué)院力學(xué)研究所原有高壓三軸儀器基礎(chǔ)上改裝而成,實驗設(shè)備包括:ISCO 泵(0～40 MPa),壓力表,閥門,套管、低溫室等.低溫室可保證實驗處于環(huán)境溫度在?9?C 下,避免水合物分解和冰融化;ISCO 泵用于向試樣內(nèi)注入高壓流體進(jìn)行水力壓裂;壓力表記錄注入壓力隨著時間的變化;套管用于連接高壓管線和試樣,在套管外壁與圓孔內(nèi)壁間用環(huán)氧樹脂封固;高速攝影用于拍攝樣品表面裂縫擴(kuò)展動態(tài).

圖5 水合物沉積層水力成縫試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic fracturing test device for hydrate deposit layer

水合物沉積層水力成縫實驗步驟如下:

(1)取粉質(zhì)黏土和砂土,分別制備沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣.并在試樣鉆5 cm 深的小孔,直徑約為1 cm.

(2)打開溫控設(shè)備,確保環(huán)境溫度在?4?C 以下,將制備好的樣品放置于樣品架上;把圓管置于圓孔內(nèi),保持圓管插入深度約4 cm,在圓管下部流出1 cm的空間(圖5);

(3)按照質(zhì)量比3:1 將環(huán)氧樹脂和固化劑混合均勻,注入到圓管外壁與圓孔內(nèi)壁的間隙,保持10 h 以上,直到環(huán)氧樹脂和固化劑完全固化;

(4)將圓管連接到高壓管線上,打開閥門,啟動ISCO 泵,開始注入高壓流體(室溫25?C).逐漸提高泵入壓力,直到試樣表面出現(xiàn)裂縫,壓力迅速下降,即可停止實驗.

(5)取下樣品,觀察水力裂縫的形態(tài)特點(位置、方向、條數(shù)等);并將壓力表記錄的數(shù)據(jù)拷貝至電腦,繪制注入壓力隨著時間的變化曲線.

2 實驗結(jié)果分析

2.1 沉積物骨架試樣成縫特征

2.1.1 粉質(zhì)黏土沉積物骨架試樣

打開閥門,將流體注入粉質(zhì)黏土沉積物骨架試樣中,裂縫迅速擴(kuò)展,裂縫形態(tài)如圖6 所示.理論上,試樣的長度是直徑的2 倍,裂縫水平向擴(kuò)展的阻力要明顯低于垂直向的擴(kuò)展,試樣壓裂傾向于形成水平裂縫.然而,試樣壓后產(chǎn)生三條裂縫:兩條垂直裂縫和一條水平裂縫.兩條垂直裂縫的縫面與樣品端面垂直,呈180?對稱分布,長度約為樣品長度的一半,縫寬約為1 mm(圖6(a)和圖6(b)).水平裂縫的縫面與樣品端面平行,長度約為樣品周長1/4,縫寬約為1 mm(圖6(c)).此外,流體主要從裂縫內(nèi)流出,且裂縫附近沒有形成明顯的滲透區(qū),說明粉質(zhì)黏土沉積物的滲透率較低.

圖6 粉質(zhì)黏土沉積物骨架試樣(sample 1#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.6 Fracture morphology of silty clay sediment skeleton sample(sample 1#)

粉質(zhì)黏土沉積物骨架試樣壓裂時,垂直裂縫與水平裂縫同步擴(kuò)展,說明水力裂縫的擴(kuò)展方向性較差.這與粉質(zhì)黏土沉積物骨架滲透性較低有關(guān).在流體壓力作用下,流體進(jìn)入粉質(zhì)黏土沉積物骨架內(nèi).由于粉質(zhì)黏土沉積物滲透率較低,注入的流體在局部形成高壓.裂縫擴(kuò)展的阻礙作用影響較小,因此壓裂裂縫處于自由擴(kuò)展的狀態(tài),不具有明顯的方向性.當(dāng)流體壓力超過樣品的抗拉強(qiáng)度時,就產(chǎn)生了垂直拉伸裂縫和水平拉伸裂縫.

2.1.2 砂土沉積物骨架試樣

流體注入砂土沉積物骨架試樣中,引起水力裂縫擴(kuò)展,裂縫形態(tài)如圖7 所示.壓裂形成的裂縫為水平縫,該裂縫平行于樣品端面,呈半圓形分布,長度約為樣品周長的3/4,裂縫寬度約為1～8 mm.在水平裂縫附近形成了寬度約為3 cm 的流體滲透區(qū),說明砂土沉積物骨架的滲透率明顯高于粉質(zhì)黏土沉積物骨架.此外,人工將樣品掰開后,發(fā)現(xiàn)裂縫面基本處于同一平面內(nèi),然而裂縫表面不光滑,粗糙度較高,呈現(xiàn)鋸齒形.

圖7 砂土沉積物骨架試樣(sample 11#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.7 Fracture morphology of sand sediment sample(sample 11#)

相比粉質(zhì)黏土沉積物,砂土沉積物骨架的膠結(jié)強(qiáng)度和滲透率較高.在相同流體壓力下,流體迅速滲流進(jìn)入孔隙中,降低了縫內(nèi)壓力.由于砂土沉積物骨架的膠結(jié)強(qiáng)度高,裂縫擴(kuò)展的阻力效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出來.裂縫水平向擴(kuò)展的阻力要明顯低于垂直向的擴(kuò)展,因此流體在試樣內(nèi)產(chǎn)生垂直于上下端面方向的拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過樣品的抗拉強(qiáng)度時,水平裂縫就形成了.

2.1.3 注入壓力特征

圖8 為沉積物骨架試樣注入壓力隨著注入時間的變化.隨著注入時間的延長,注入壓力逐漸增大.初期壓力增速較慢,后期增速逐漸加快,最終達(dá)到最大壓力,之后壓力迅速下降至零.最大壓力點是初始裂縫延伸的壓力,即為破裂壓力.由于樣品尺寸比較小,裂縫形成后迅速擴(kuò)展至邊界,因此在壓裂壓力曲線上看不到裂縫延伸段.粉質(zhì)黏土沉積物骨架的破裂壓力約為7.2 kPa,裂縫開始擴(kuò)展的時間為9 s.砂土質(zhì)沉積物骨架的破裂壓力約為5.13 kPa,裂縫開始擴(kuò)展的時間為8 s.相比而言,粉質(zhì)黏土沉積物骨架具有較高的破裂壓力.這與砂土沉積物滲透率較高,吸水后膠結(jié)強(qiáng)度明顯下降有關(guān).

圖8 粉質(zhì)黏土和砂土沉積物骨架試樣壓裂壓力曲線Fig.8 Fracturing pressure curve of skeleton samples of silty clay and sand sediment

2.2 水合物沉積物試樣成縫特征

2.2.1 粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣

與粉質(zhì)黏土沉積物骨架壓裂不同,高壓流體(5 MPa)注入粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣后,樣品表面無明顯變化;將流體壓力提高至40 MPa,仍沒有觀察到裂縫擴(kuò)展的現(xiàn)象.保持40 MPa 壓力,采用高速攝影機(jī)持續(xù)觀察樣品表面變化.注入時間約174 s 時,流體瞬間噴出,呈180?對稱形成兩條水柱,噴射時間持續(xù)約1 s,并產(chǎn)生一條水平裂縫(圖9).此外,水平裂縫平行于樣品端面,幾乎完全貫穿整個樣品橫截面,裂縫寬度約為0.5～1 mm.人工將樣品掰開后,發(fā)現(xiàn)裂縫表面較為平整,基本處于同一平面上,無明顯轉(zhuǎn)向作用,結(jié)果如圖10 所示.

相比粉質(zhì)黏土沉積物骨架而言,粉質(zhì)黏土水合物沉積物的孔隙被水合物占據(jù),提高了試樣的膠結(jié)強(qiáng)度、脆性和成縫能力,裂縫擴(kuò)展具有明顯的方向性.此外,水合物賦存于孔隙,大幅度降低了粉質(zhì)黏土水合物沉積物的滲透率.由于滲透性極低,注入的流體只能局限在注入點附近,難以誘發(fā)裂縫擴(kuò)展.隨著注入流體與樣品長時間接觸,注入點附近水合物受熱分解,局部滲透性提高,膠結(jié)強(qiáng)度下降,導(dǎo)致裂縫瞬間擴(kuò)展,最終形成水平的拉伸裂縫.可見,粉質(zhì)黏土水合物沉積物的裂縫在流體壓力和熱應(yīng)力聯(lián)合作用下才發(fā)生擴(kuò)展,具有明顯的延遲效應(yīng).

圖9 粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣裂縫擴(kuò)展動態(tài)Fig.9 Dynamics of fracture propagation in silty clay hydrate sediment samples

圖10 粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣(sample 2#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.10 Fracture morphology of silty clay hydrate sediment sample(sample 2#)

2.2.2 砂土水合物沉積物試樣

流體注入砂土水合物沉積物試樣,引起裂縫擴(kuò)展,裂縫形態(tài)如圖11 所示.壓裂形成的裂縫為三條垂直裂縫(相隔90?左右)和多條微裂縫,呈現(xiàn)出裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài).該裂縫垂直于樣品端面,長度約為試樣長度的1/3,裂縫寬度約為0.8～1.2 cm.壓裂過程中,流體與砂土的混合物從三條垂直裂縫中流出.多條微裂縫中并沒有發(fā)現(xiàn)流體流動.

圖11 砂土水合物沉積物試樣(sample 22#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.11 Fracture morphology of sand hydrate deposit sample(sample 22#)

砂土水合物沉積物試樣在低溫制備過程中,由于水合物膨脹產(chǎn)生了大量的微裂縫.當(dāng)流體在高壓作用下注入試樣中,迅速進(jìn)入微裂縫中,誘發(fā)微裂縫張開、連接和貫穿,最終形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可大幅度改善砂土水合物沉積層的導(dǎo)流能力.然而,由于砂土水合物沉積物的砂粒容易剝落,與流體混合后,形成固液兩相流動,易堵塞裂縫,導(dǎo)致井底大范圍出砂,對甲烷的產(chǎn)出帶來不利影響.

2.2.3 注入壓力特征

圖12 為水合物沉積物試樣注入壓力隨著注入時間的變化.對于砂土水合物沉積物而言,注入壓力隨著時間迅速增大,達(dá)到破裂壓力后,壓力迅速下降至0.破裂壓力約為4.272 MPa,高于砂土沉積物骨架的破裂壓力(5.13 kPa).可見,水合物的存在提高了沉積物的膠結(jié)強(qiáng)度,一定程度上提高了破裂壓力.

圖12 粉質(zhì)黏土和砂土水合物沉積物試樣壓裂壓力曲線Fig.12 Fracturing pressure curve of silty clay and sand hydrate sediment samples

粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣的壓力曲線具有明顯的三段式特征.初期段,注入壓力隨著時間迅速增大,達(dá)到40 MPa 后,試樣內(nèi)沒有出現(xiàn)微裂縫.中期段,注入壓力處于恒定狀態(tài),約為40 MPa,說明試樣滲透率極低,流體幾乎不發(fā)生滲流,從而保持壓力一定穩(wěn)定.后期段,水合物逐漸分解,水平裂縫迅速貫穿試樣橫截面,而注入壓力迅速下降至零.根據(jù)壓力曲線可以推測,粉質(zhì)黏土水合物沉積層壓力過程中,極有可能產(chǎn)生較高的施工壓力.適當(dāng)延長注入時間,保持流體與沉積層充分接觸,會起到加熱水合物沉積層和引起水合物分解的作用,在一定程度上可降低破裂壓力.經(jīng)過多次實驗,粉質(zhì)黏土水合物沉積物試樣的破裂壓力存在較大不確定性,大約為10～40 MPa.這可能與粉質(zhì)黏土沉積物復(fù)雜的微觀非均質(zhì)性有關(guān),低壓力傳遞能力易形成局部高壓.此外,水合物形成對孔隙結(jié)構(gòu)的影響可能具有一定隨機(jī)性,進(jìn)而導(dǎo)致不同的破裂壓力,其微觀控制機(jī)理有待于進(jìn)一步研究.

2.3 水合物冰沉積物試樣成縫特征

2.3.1 粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣

水合物?冰沉積物試樣是在水合物沉積物外表覆蓋1 cm 厚的冰層,用于模擬地質(zhì)特征極其復(fù)雜的水合物沉積層.流體注入粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣后,裂縫迅速擴(kuò)展,裂縫形態(tài)如圖13 所示.壓裂形成的裂縫整體呈現(xiàn)為一條水平縫,然而裂縫面并不平直,存在較大程度的轉(zhuǎn)向(圖13(b)).水平裂縫幾乎完全貫穿整個試樣,裂縫長度約等于試樣周長.裂縫處于閉合狀態(tài),縫寬小于1 mm.

圖13 粉質(zhì)黏土水合物冰沉積物試樣(sample 3#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.13 Fracture morphology of silty clay hydrate sediment sample(sample 3#)

從圖13(a)和圖13(b)可以看出,冰層非均質(zhì)性較強(qiáng),廣泛發(fā)育弱面、孔洞等等,這是水裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的主要原因.由于水合物沉積物表面覆蓋冰層,極大地提高了整體的膠結(jié)強(qiáng)度.冰層的脆性指數(shù)較高,可以提高水合物沉積物的成縫能力.水合物與冰同時存在,傾向于產(chǎn)生復(fù)雜裂縫.

2.3.2 砂土水合物?冰沉積物試樣

砂土和粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣壓裂形態(tài)特征基本一致,結(jié)果如圖14 所示.壓裂形成的裂縫整體呈現(xiàn)水平形態(tài),局部區(qū)域出現(xiàn)分叉裂縫.裂縫面不平直,轉(zhuǎn)向特征明顯.水平縫基本上貫穿了整個試樣,縫長約等于試樣周長.與不含冰層的砂土水合物沉積物試樣相比,裂縫擴(kuò)展具有較好的方向性,傾向于形成單一的水平裂縫,不利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成.這是由于冰層的存在,很大程度上限制了水合物膨脹,影響了微裂縫的形成.總的來看,砂土和粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣壓裂形態(tài)特征主要取決于冰層的強(qiáng)度和非均質(zhì)性.

圖14 砂土水合物冰沉積物試樣(sample 33#)壓裂裂縫形態(tài)Fig.14 Fracture morphology of sand hydrate-ice sediment sample(sample 33#)

2.3.3 注入壓力特征

圖15 粉質(zhì)黏土和砂土水合物冰沉積物試樣壓裂壓力曲線Fig.15 Fracturing pressure curve of silty clay and sand hydrate-ice sediment sample

圖15 為粉質(zhì)黏土和砂土水合物?冰沉積物試樣壓裂壓力曲線.隨著注入時間的延長,注入壓力逐漸增大.初期壓力增速較慢,后期增速逐漸加快,最終達(dá)到最大壓力,之后壓力迅速下降至零.粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣的破裂壓力約為25.2 MPa,裂縫開始擴(kuò)展的時間為18 s.砂土水合物?冰沉積物試樣的破裂壓力約為21.4 MPa,裂縫開始擴(kuò)展的時間為16 s.相比而言,粉質(zhì)黏土水合物?冰沉積物試樣具有較高的破裂壓力.事實上,兩者之間的破裂壓力差別不大,且壓裂壓力曲線形態(tài)有很大相似性.說明當(dāng)冰層存在時,壓裂特征主要取決于冰層的性質(zhì),而沉積物骨架的性質(zhì)影響較小.

2.4 骨架、水合物及水合物冰沉積物試樣成縫試驗結(jié)果對比

本文中土骨架試樣成分為粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂土,水合物沉積物試樣由四氫呋喃水合物與土骨架組成,水合物?冰沉積物試樣由四氫呋喃水合物、冰層和土骨架.表2 給出了不同土質(zhì)的沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣的強(qiáng)度及成縫能力參數(shù).其中,由于水合物?冰沉積物試樣難以開展高壓三軸力學(xué)實驗,無法測量強(qiáng)度參數(shù).考慮到水合物?冰沉積物與與冰、冰沉積物有相似性,本文分別采用河冰和冰沉積物的強(qiáng)度參數(shù)來代替粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂土水合物?冰沉積物試樣的強(qiáng)度參數(shù),作為定性分析的依據(jù).從表2 中可以看出:

(1)含水合物的沉積物比不含水合物的骨架的內(nèi)聚力高了幾倍以上,水合物與骨架粘結(jié),使得顆粒間得膠結(jié)強(qiáng)度提高.水合物的存在提高了粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角,但是降低了粉細(xì)砂土的內(nèi)摩擦角.可見,水合物沒有改善顆粒表面的粗糙度和滑動摩擦,與內(nèi)摩擦角沒有必然關(guān)系.

(2)對于相同土質(zhì)的沉積物而言,水合物?冰沉積物的破裂壓力最高,水合物沉積物次之,沉積物骨架最低.從總體趨勢來看,破裂壓力與內(nèi)聚力呈正相關(guān)關(guān)系.高內(nèi)聚力的沉積物具有較高的顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度,在一定程度上阻礙了拉伸裂縫的擴(kuò)展,從而提高了破裂壓力.

(3)對于不同土質(zhì)的沉積物而言,粉質(zhì)黏土沉積物的破裂壓力總體高于砂土沉積物.這與粉質(zhì)黏土沉積物特殊的應(yīng)力?應(yīng)變和低滲透特征有關(guān).當(dāng)粉質(zhì)黏土沉積物應(yīng)變高于6%時,粉質(zhì)黏土試樣強(qiáng)度迅速上升,呈現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的特征,對水力拉伸裂縫的擴(kuò)展具有一定的阻礙作用.此外,粉質(zhì)黏土沉積物顆粒粒徑小,滲透性差,使得水力難以通過滲透作用迅速傳遞壓力,從而提高了沉積層的破裂壓力.

(4)水合物和冰的存在提高了沉積物的成縫能力.此外,裂縫受冰層非均質(zhì)性影響,擴(kuò)展過程中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向,容易出現(xiàn)復(fù)雜裂縫.相比砂土沉積物而言,粉質(zhì)黏土沉積物在水力作用下裂縫擴(kuò)展方向性較好,成縫能力強(qiáng).而砂土沉積物在水力作用下,顆粒容易脫落,進(jìn)而發(fā)生“流土”現(xiàn)象,不利于裂縫的形成.

表2 試樣的強(qiáng)度參數(shù)及成縫特征Table 2 Strength parameters and hydraulic fracture characteristics

通過以上對比研究可以看出,土質(zhì)、水合物和冰飽和度對沉積層的力學(xué)強(qiáng)度及成縫能力參數(shù)所起的作用差別很大.此外,水力成縫能力不僅僅取決于力學(xué)強(qiáng)度,還與沉積物本身的滲透性和傳熱性有關(guān).本文的壓裂實驗是在無圍壓條件下開展的,并不能完全反映實際地層的裂縫擴(kuò)展規(guī)律.在常規(guī)三軸和真三軸條件下,裂縫的破裂壓力會明顯提高,裂縫擴(kuò)展方向很大程度上會與最小主應(yīng)力的方向垂直.在以后的研究中,需要深化圍壓條件下的水合物沉積層裂縫擴(kuò)展方面的研究.

綜合來看,雖然水合物沉積層與頁巖地層具有一定相似性,但是裂縫擴(kuò)展機(jī)理存在較大不同.水合物沉積層的水力裂縫在溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)場和滲流場共同作用下擴(kuò)展,同時伴隨著水合物的相變和孔隙結(jié)構(gòu)的劇烈變化.因此,傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)難以直接應(yīng)用于水合物沉積層的開采.

3 結(jié)論

本文針對沉積物骨架試樣、水合物沉積物試樣和水合物?冰沉積物試樣開展壓裂對比試驗,研究了不同沉積物的壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)和破裂壓力,闡明了沉積物骨架性質(zhì)、水合物和冰對水力裂縫形態(tài)的控制作用.得出的結(jié)論如下:

(1)粉質(zhì)黏土和砂土沉積層總體上呈現(xiàn)相似的壓裂特征,沉積物骨架破裂壓力較低,水合物和冰層的存在能夠提高破裂壓力.尤其是當(dāng)冰層存在時,壓裂特征主要取決于冰層的性質(zhì),而沉積物的骨架性質(zhì)影響較小.裂縫受冰層非均質(zhì)性影響,擴(kuò)展過程中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向,容易出現(xiàn)復(fù)雜裂縫.

(2)粉質(zhì)黏土和砂土沉積層的壓裂裂縫形態(tài)存在較大不同.對于沉積物骨架試樣而言,粉質(zhì)黏土沉積物骨架同時產(chǎn)生垂直裂縫和水平裂縫,而砂土沉積物骨架產(chǎn)生了水平裂縫;對于水合物沉積物試樣而言,粉質(zhì)黏土水合物沉積物形成了水平裂縫,而砂土水合物沉積物產(chǎn)生了縫網(wǎng);對于水合物?冰沉積物試樣,兩者都形成了水平裂縫,且呈現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)向特征,裂縫復(fù)雜度較高.

(3)水合物沉積物地層壓裂過程中,裂縫在流體壓力和熱應(yīng)力聯(lián)合作用發(fā)生擴(kuò)展,具有明顯延遲效應(yīng).適當(dāng)延長注入時間,保持流體與沉積層充分接觸,會起到加熱水合物沉積層和引起水合物分解的作用,在一定程度上可降低破裂壓力.