脆性頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展流固熱化耦合機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究

趙海峰，梁海杰，王羽生

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依 834000）

頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)家能源安全及環(huán)境保護(hù)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量約為15×1012～25×1012m3［1］，是常規(guī)油氣和新能源之間的有力接替。工程實(shí)踐已證明水平井分段縫網(wǎng)壓裂可極大提高頁(yè)巖氣井產(chǎn)量［2］。縫網(wǎng)壓裂是向地層中注入高壓流體壓破地層形成主裂縫，主裂縫向前延伸溝通天然裂縫形成多條分支裂縫，分支裂縫再向前擴(kuò)展形成更高層次的分支裂縫，最終形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)［3-5］。目前常采用真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)研究巖石內(nèi)裂縫起裂和延伸規(guī)律。MATSUNAGA 等開(kāi)展壓裂實(shí)驗(yàn)研究裂縫形成機(jī)制［6］；YAN 等實(shí)驗(yàn)研究了地應(yīng)力、天然裂縫、排量等因素對(duì)水力裂縫起裂和延伸的影響［7-11］；ZHU 等基于真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)研究大斜度井射孔方位對(duì)裂縫起裂和延伸的影響，提出采用定向射孔技術(shù)獲得平面裂縫的觀點(diǎn)［12］；LU等開(kāi)展了樹(shù)狀分支井的室內(nèi)模擬壓裂實(shí)驗(yàn)［13］；DEHGHAN 等開(kāi)展水力裂縫與天然裂縫交互的壓裂實(shí)驗(yàn)，研究水平應(yīng)力差、逼近角等對(duì)水力裂縫延伸的影響［14-16］。然而，以上實(shí)驗(yàn)研究多只考慮了壓裂液與頁(yè)巖的流固耦合作用，鮮見(jiàn)考慮實(shí)際壓裂過(guò)程中壓裂液與頁(yè)巖之間還存在熱化耦合作用。在縫網(wǎng)形成過(guò)程中，壓裂液提供驅(qū)動(dòng)力并通過(guò)裂縫網(wǎng)絡(luò)與巖石進(jìn)行流固耦合作用，同時(shí)低溫壓裂液局部冷卻高溫頁(yè)巖引起熱破壞并影響巖石力學(xué)性質(zhì)，另外頁(yè)巖與壓裂液接觸發(fā)生水化作用，影響頁(yè)巖裂縫的擴(kuò)展［17］，所以開(kāi)展流固熱化耦合的水力壓裂實(shí)驗(yàn)具有重要意義。為此，筆者以涪陵區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖露頭為研究對(duì)象，開(kāi)展脆性頁(yè)巖流固熱化耦合機(jī)制的壓裂實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究熱作用和水化作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響，以期為頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)及施工提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與巖樣制作

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)組建的大尺寸真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。壓裂過(guò)程中采用SAMOSTM 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裂縫起裂和擴(kuò)展。同時(shí)，為方便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后直接觀察裂縫擴(kuò)展形態(tài)，在壓裂液中添加適量的熒光粉示蹤劑。

為研究熱作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響，實(shí)驗(yàn)中需對(duì)巖樣進(jìn)行保溫。為此，將水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)架（圖1）放入大型HW-3B 恒溫箱中，以保證在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段巖樣恒定在設(shè)定溫度。

圖1 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)架Fig.1 Hydraulic fracturing simulation system

實(shí)驗(yàn)巖樣選自涪陵地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖露頭，將其切割成400 mm×400 mm×400 mm的立方體實(shí)驗(yàn)樣品。在實(shí)驗(yàn)樣品中心位置采用直徑為20 mm的空心鉆頭鉆取深度為210 mm的孔眼模擬鉆井井眼，再將內(nèi)徑為6 mm、外徑為16 mm 的模擬井筒固結(jié)于孔眼中，模擬井筒深度為180 mm，井筒下方為30 mm 的裸眼段。為模擬頁(yè)巖氣水平井，井筒平行于層理面并沿最小水平主應(yīng)力方位布置（圖2）。

圖2 頁(yè)巖巖樣相關(guān)參數(shù)Fig.2 Parameters of shale samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)4組壓裂實(shí)驗(yàn)方案（表1），實(shí)驗(yàn)巖樣溫度分別為20 和90 ℃，裸眼井段水化時(shí)間分別為0 和3 h。其中，20 ℃為地面溫度，90 ℃為涪陵地區(qū)深度為2 500 m的頁(yè)巖地層溫度，地溫梯度為2.80 ℃/hm；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不考慮水化則水化時(shí)間取0 h，考慮水化則水化時(shí)間取3 h，與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工時(shí)間一致；考慮水化作用的操作為壓裂前將壓裂液注入模擬井筒中并進(jìn)行加壓浸泡裸眼井段，加壓浸泡壓力為1 MPa。

表1 4組壓裂實(shí)驗(yàn)方案Table1 Schemes of four fracturing experiments

涪陵地區(qū)深度為2 500 m 的頁(yè)巖儲(chǔ)層垂向應(yīng)力為55 MPa，最大主應(yīng)力為53 MPa，最小主應(yīng)力為48 MPa，地層壓力為34 MPa，破裂壓力為52 MPa，剪切模量為12 GPa，泊松比為0.15，壓裂液排量為12 m3/min，滑溜水壓裂液黏度為10 mPa·s，假設(shè)主裂縫縫長(zhǎng)為160 m，壓裂施工時(shí)間為3 h。采用相似準(zhǔn)則［18］確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，三向應(yīng)力分別為21/19/14 MPa，排量為20 mL/min，破裂壓力為18 MPa，計(jì)算得實(shí)驗(yàn)用壓裂液黏度極小，這里采用黏度為1 mPa·s的清水。

壓裂實(shí)驗(yàn)前，將裝有巖樣的水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)架放入大型恒溫箱中保溫4 h，使巖樣溫度充分達(dá)到預(yù)期的20 或90 ℃。若后續(xù)不需要水化，則直接進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)；若需要水化，將壓裂液注入模擬井筒中加壓浸泡裸眼井段3 h 后再開(kāi)展壓裂實(shí)驗(yàn)，以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中恒溫箱保持正常工作。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 直接觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)4組壓裂實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)結(jié)果（圖3），1#實(shí)驗(yàn)巖樣形成單一水力主裂縫，主裂縫平直且縫面光滑，溝通并開(kāi)啟遠(yuǎn)處的天然裂縫，形成橫向裂縫，此時(shí)縫網(wǎng)十分簡(jiǎn)單。2#實(shí)驗(yàn)巖樣形成水力主裂縫與層理面BP1 交叉的“十”字型裂縫，主裂縫彎曲且縫面粗糙，垂直于最大水平主應(yīng)力方向。主裂縫貫穿并開(kāi)啟近井筒層理面BP1，一翼延伸至層理面BP2時(shí)開(kāi)啟該層理但未穿透，原因?yàn)榇藭r(shí)主裂縫另一翼已壓穿巖樣，壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束。3#實(shí)驗(yàn)巖樣水力主裂縫溝通和開(kāi)啟2 條層理，并在近井地帶分支轉(zhuǎn)向形成次級(jí)裂縫，裂縫面復(fù)雜，產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)。4#實(shí)驗(yàn)巖樣近井筒地帶破碎成小塊，裂縫十分復(fù)雜，存在橫向和縱向裂縫，但未穿透層理面，形成“工”字型裂縫，改造范圍有限。分析原因?yàn)榻泊嬖谳^多微裂縫或弱面，造成多裂縫同時(shí)擴(kuò)展引起水力能量分散，不利于穿透。

圖3 4組壓裂實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)結(jié)果Fig.3 Direct observations of four fracturing experiments

2.1.2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果

在施加最小水平主應(yīng)力的2個(gè)巖樣表面各黏貼2個(gè)聲發(fā)射探頭并使這4個(gè)聲發(fā)射探頭相互對(duì)稱［19］，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)巖樣內(nèi)部的微破裂信號(hào)。由1#—4#實(shí)驗(yàn)巖樣在俯視圖方向的聲發(fā)射事件和對(duì)應(yīng)的裂縫形態(tài)（圖4）可知，1#實(shí)驗(yàn)巖樣聲發(fā)射事件呈細(xì)長(zhǎng)條帶狀分布，延伸方向垂直于層理，分析為1條水力裂縫；2#實(shí)驗(yàn)巖樣聲發(fā)射事件集中于垂直層理方向和平行層理方向的2條細(xì)長(zhǎng)條帶區(qū)域，說(shuō)明形成1條水力裂縫和2 條層理；3#實(shí)驗(yàn)巖樣聲發(fā)射事件分布規(guī)律不明顯，但結(jié)合巖樣壓后形態(tài)可得其裂縫形態(tài)；4#實(shí)驗(yàn)巖樣聲發(fā)射事件集中在近井筒區(qū)域，規(guī)律難以確定，其巖樣破碎成塊，裂縫非常復(fù)雜。

圖4 4組壓裂實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射事件和對(duì)應(yīng)的裂縫形態(tài)示意Fig.4 Acoustic emission events and corresponding fracture morphology in the four fracturing experiments

2.1.3 壓裂曲線分析

由1#—4#實(shí)驗(yàn)巖樣壓裂曲線（圖5）可知，2#—4#實(shí)驗(yàn)巖樣的壓裂曲線出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，說(shuō)明水力裂縫向前擴(kuò)展過(guò)程中溝通并開(kāi)啟層理、天然裂縫等弱面，不斷有新裂縫形成，最終形成多裂縫或復(fù)雜縫網(wǎng)。壓裂曲線鋸齒狀波動(dòng)是頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂效果評(píng)價(jià)的重要參考，曲線波動(dòng)越劇烈，形成縫網(wǎng)越復(fù)雜，壓裂效果越好。3#和4#實(shí)驗(yàn)巖樣壓裂曲線波動(dòng)頻繁且劇烈，說(shuō)明形成的縫網(wǎng)較復(fù)雜，這也與實(shí)際壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。因此可得縫網(wǎng)壓裂效果排序?yàn)椋?#＞3#＞2#＞1#。

圖5 4組壓裂實(shí)驗(yàn)巖樣壓裂曲線Fig.5 Fracturing curves of samples in four fracturing experiments

2.2 熱作用對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響

熱作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響主要體現(xiàn)在巖石表面溫度驟降產(chǎn)生熱破壞和影響頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)等方面。將頁(yè)巖巖心放在90 ℃恒溫箱中保溫4 h，然后在室溫下冷卻1 min，1 h 和3 h。由冷卻后的表面形態(tài)（圖6）可見(jiàn)，隨著冷卻時(shí)間的增加，巖樣表面邊緣的一條層理開(kāi)度增加。分析原因?yàn)閹r石內(nèi)外受熱不均引起熱脹冷縮不同產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱破壞形成微裂縫或開(kāi)啟弱面。此時(shí)高溫頁(yè)巖冷卻產(chǎn)生熱破壞有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。

圖6 高溫頁(yè)巖巖心冷卻后的表面形態(tài)Fig.6 Surface morphology of high temperature shale core after cooling

對(duì)比1#和3#，2#和4#實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3），90 ℃頁(yè)巖壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜程度明顯高于20 ℃時(shí)縫網(wǎng)復(fù)雜程度。分析原因?yàn)?，壓裂過(guò)程中高溫頁(yè)巖受壓裂液冷卻，一方面巖石發(fā)生熱破壞形成微裂紋或裂縫，此時(shí)高壓壓裂液擠入微裂紋或裂縫，形成“水楔”，顯著降低巖石抗拉強(qiáng)度，使微裂紋或裂縫擴(kuò)大并延伸；另一方面增加頁(yè)巖脆性，同時(shí)WHITSITT 等還認(rèn)為低溫壓裂液通過(guò)熱交換會(huì)升溫［20］，使其黏度降低，有利于造窄長(zhǎng)縫。這些均有利于在近井地帶形成多裂縫并發(fā)生擴(kuò)展，最終形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。所以，熱作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展具有促進(jìn)作用。

2.3 水化作用對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響

脆性頁(yè)巖層理、裂縫發(fā)育，高壓壓裂液會(huì)沿著這些弱面侵入巖石并發(fā)生水化作用。水化作用對(duì)頁(yè)巖裂縫起裂和延伸有重要影響［21-23］。頁(yè)巖水化后形成水化應(yīng)力，一方面增加井周的圍巖應(yīng)力，造成頁(yè)巖破裂壓力增加，抑制裂縫起裂；另一方面使裂縫尖端應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，促使裂縫開(kāi)啟和擴(kuò)展。所以，需要進(jìn)一步分析水化作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響。

為研究水化作用對(duì)頁(yè)巖弱面的影響，選取1 塊頁(yè)巖（取心方向平行于層理）浸泡在壓裂液中，觀察不同浸泡時(shí)間的弱面形態(tài)（圖7）。從圖7可知，浸泡前層理清晰可見(jiàn)，浸泡3 h 后層理面張開(kāi)明顯，沿層理面剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)流體侵入嚴(yán)重，所以水化對(duì)頁(yè)巖弱面具有破壞性作用。進(jìn)一步分析認(rèn)為，壓裂液的侵入降低了弱面內(nèi)聚力，使巖石臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子大幅度減小，致使弱面開(kāi)啟并發(fā)生擴(kuò)展，促進(jìn)多分支裂縫的形成。

圖7 不同浸泡時(shí)間的弱面形態(tài)Fig.7 Weak plane morphology for different immersion time

對(duì)比3#和4#實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3），高溫水化的4#實(shí)驗(yàn)巖樣在近井筒地帶破碎成小塊，形成了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，而高溫不水化的3#實(shí)驗(yàn)巖樣裂縫網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單。分析認(rèn)為，4#實(shí)驗(yàn)中高溫裸眼井筒遇低溫壓裂液產(chǎn)生微裂縫后，繼續(xù)加壓浸泡井筒3 h，壓裂液將沿微裂縫或天然裂縫充分濾失，降低弱面強(qiáng)度和形成水化應(yīng)力，造成裂縫尖端應(yīng)力集中，使得起裂時(shí)壓裂液沿各向滲流的機(jī)率增加，從而形成復(fù)雜裂縫形態(tài)。所以，水化作用有利于頁(yè)巖縫網(wǎng)的擴(kuò)展。

2.4 熱作用與水化作用綜合影響評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步研究熱作用和水化作用對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的影響，對(duì)巖樣進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)定分析。取A，B，C，D，E，F(xiàn) 六塊頁(yè)巖巖樣（取心方向平行于層理），保溫至90 ℃，然后對(duì)A 巖樣直接進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，B 巖樣冷卻至20 ℃再進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，C 巖樣在壓裂液中浸泡3 h（此時(shí)保溫90 ℃）后再進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，D 巖樣直接做巴西實(shí)驗(yàn)，E巖樣冷卻至20 ℃再做巴西實(shí)驗(yàn)，F(xiàn) 巖樣在壓裂液中浸泡3 h（此時(shí)保溫90 ℃）后再做巴西實(shí)驗(yàn)。

對(duì)比A，B，C 三塊巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖8），三條曲線的斜率與峰值有明顯差異，巖樣A 和巖樣B 彈性模量比較接近，巖樣C 的彈性模量明顯降低；從峰值看，在相同圍壓下，三塊巖樣的抗壓強(qiáng)度排序?yàn)椋築＞A＞C?？梢?jiàn)，在熱作用下，頁(yè)巖抗壓和抵抗彈性變形能力略增加；而在水化作用下，頁(yè)巖抗壓和抵抗彈性變形的能力降低。結(jié)合六塊巖樣的力學(xué)參數(shù)和根據(jù)TARASOV 等理論［24］計(jì)算的脆性指數(shù)（表2）分析可知，在熱作用下，頁(yè)巖泊松比略減小，巖石脆性增加（脆性指數(shù)越小，巖石脆性越強(qiáng)），抗拉強(qiáng)度明顯降低；在水化作用下，頁(yè)巖脆性和抗拉強(qiáng)度均下降，其中抗拉強(qiáng)度降低幅度達(dá)60%。由此可知，頁(yè)巖更容易產(chǎn)生拉伸破壞引起裂縫起裂和延伸，促進(jìn)縫網(wǎng)形成。

圖8 不同條件下頁(yè)巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 Shale stress-strain curves under different conditions

表2 不同條件下的龍馬溪組頁(yè)巖參數(shù)Table2 Shale parameters of Longmaxi Formation under different conditions

根據(jù)1#—4#壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3），先統(tǒng)計(jì)1#—4#實(shí)驗(yàn)巖樣的裂縫數(shù)量（表3），再采用均值分析［25］評(píng)價(jià)熱作用和水化作用2個(gè)因素對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展裂縫數(shù)量的影響。

表3 4組壓裂實(shí)驗(yàn)巖樣壓裂后裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table3 Statistics of number of fractures of fractured samples in four fracturing experiments

為分析熱作用影響，將實(shí)驗(yàn)巖樣分為2組，一組為1#和2#實(shí)驗(yàn)，溫度為20 ℃；一組為3#和4#實(shí)驗(yàn)，溫度為90 ℃。考慮水化作用影響，將實(shí)驗(yàn)巖樣分為2 組，一組為1#和3#實(shí)驗(yàn)，水化0 h；一組為2#和4#巖樣，水化3 h。由均值分析結(jié)果（表4）可見(jiàn)，A2T＞A1T說(shuō)明熱作用有利于頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展；A2H＞A1H說(shuō)明水化作用有利于頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展。這與前面的分析規(guī)律吻合，說(shuō)明熱作用和水化作用對(duì)脆性頁(yè)巖縫網(wǎng)形成具有促進(jìn)作用。

表4 各因素對(duì)縫網(wǎng)裂縫數(shù)量的均值分析Table4 Mean value analysis of various factors on number of fractures in fracture networks

3 結(jié)束語(yǔ)

考慮低溫壓裂液冷卻高溫頁(yè)巖的熱作用以及頁(yè)巖與壓裂液接觸發(fā)生水化作用，提出并開(kāi)展脆性頁(yè)巖流固熱化耦合的水力壓裂實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究熱作用和水化作用對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。熱作用下頁(yè)巖脆性增加，抗拉強(qiáng)度降低并形成微裂縫；水化作用能降低頁(yè)巖弱面強(qiáng)度，形成水化應(yīng)力造成裂縫尖端應(yīng)力集中。熱作用和水化作用均能夠促進(jìn)頁(yè)巖多裂縫的形成和擴(kuò)展，有利于縫網(wǎng)壓裂。研究成果為頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了科學(xué)借鑒，對(duì)縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)和壓裂效果評(píng)估都具有實(shí)際指導(dǎo)意義。為進(jìn)一步定量研究流固熱化耦合作用對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展影響，下一步將重點(diǎn)開(kāi)展頁(yè)巖縫網(wǎng)擴(kuò)展的流固熱化耦合數(shù)值模擬研究工作。