頁巖儲層天然裂縫剪切滑移特性實驗研究

石朝龍，陳軍斌，王曉明，孫 晨

(1.西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安 710065； 2.西安石油大學 陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

我國頁巖油氣資源儲量豐富，隨著常規(guī)油氣資源的開采消耗，頁巖油氣將是我國油氣增儲上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域[1]。然而，頁巖是低孔、極低滲儲層，盡管天然裂縫發(fā)育，但難以形成商業(yè)化開采的滲流通道，進而需要大規(guī)模的縫網(wǎng)壓裂措施才能實現(xiàn)頁巖油氣開發(fā)[2]。而決定縫網(wǎng)壓裂效果的關(guān)鍵在于水力裂縫是否盡可能多地溝通天然裂縫，水力裂縫與天然裂縫相互作用行為是能否形成復雜裂縫網(wǎng)絡，這將關(guān)系到壓裂改造的成敗[3-4]。在裂縫相互作用過程中，流體的注入及水力裂縫的擴展改變了天然裂縫的受力狀態(tài)，降低天然裂縫面上的有效正應力，導致儲層中處于臨界應力狀態(tài)的天然裂縫發(fā)生剪切滑移[5-7]。同時，天然裂縫的剪切滑移會引起水力裂縫轉(zhuǎn)向，這種復雜的相互作用促進了復雜裂縫網(wǎng)絡的形成[8-9]。因此，有必要對水力壓裂過程中天然裂縫的剪切滑移特性進行研究。

為揭示水力壓裂過程中天然裂縫的剪切滑移機理，國內(nèi)外學者開展了大量研究。Warpinski等[10]、Renshaw等[11]、Gu等[12]考慮天然裂縫在原地應力狀態(tài)下的受力情況，建立天然裂縫剪切破壞準則，分析了天然裂縫界面滑移對水力裂縫擴展形態(tài)的影響。但這些準則均假定天然裂縫受力狀態(tài)不變，而在實際壓裂過程中天然裂縫受水力裂縫誘導應力的影響。趙金洲等[7]基于線彈性理論，建立了考慮天然裂縫應力狀態(tài)變化下的裂縫相互作用模型，并得出水平應力差、逼近角以及凈壓力是影響天然裂縫發(fā)生剪切破壞的重要因素。然而，該模型假定水力裂縫中流體壓力恒定，而實際壓裂過程中注入壓力并非定值。韓松財?shù)萚13]進一步考慮了人工裂縫縫內(nèi)流體壓力分布，建立了水力裂縫擴展過程中天然裂縫面誘導應力場解析模型，發(fā)現(xiàn)壓裂過程中天然裂縫更易發(fā)生剪切破壞。為更加直觀地研究天然裂縫剪切滑移現(xiàn)象，Almakari等[14]進行了一系列注入流體誘導天然裂縫剪切實驗，發(fā)現(xiàn)流體的注入可以使天然裂縫發(fā)生剪切滑移而被激活，進而引起裂縫滲透率的增加；Ye等[15]進一步考慮了圍壓和注入壓力對剪切滑移裂縫滲透率的影響，通過實驗發(fā)現(xiàn)裂縫滲透率隨有效應力的增加呈指數(shù)下降。除地層應力狀態(tài)和注入條件外，天然裂縫性質(zhì)也是影響其剪切滑移特性的重要因素。Bijay等[16]分別對粗糙和光滑的天然裂縫開展了剪切滑移實驗，發(fā)現(xiàn)注入流體可以使粗糙裂縫產(chǎn)生永久剪切滑移，并提高裂縫滲透率。然而，此類實驗僅僅考慮了注入流體對天然裂縫力學狀態(tài)的影響，實際中水力裂縫擴展產(chǎn)生的誘導應力同樣會影響天然裂縫受力狀態(tài)。Hu等[17-19]開展了注入流體和水力裂縫共同作用下的天然裂縫剪切滑移實驗，發(fā)現(xiàn)在與水力裂縫相交之前，天然裂縫就已經(jīng)發(fā)生了剪切滑移，且剪切滑移程度受天然裂縫傾角和摩擦角的影響。

綜上所述，目前對天然裂縫剪切滑移的研究集中在剪切滑移產(chǎn)生的條件及其對裂縫滲透率的影響方面，但并未對天然裂縫剪切滑移過程中的力學響應特性深入研究?；诖耍疚某浞挚紤]了地應力條件和注入流體影響，設計了更加真實的頁巖儲層天然裂縫剪切滑移實驗，為改善縫網(wǎng)壓裂效果提供了參考。

1 實驗方法

1.1 實驗原理

壓裂過程中高壓流體的注入促使水力裂縫起裂和擴展，而水力裂縫在擴展過程中會與頁巖中的天然裂縫發(fā)生相互作用。水力裂縫與天然裂縫相交后，注入流體通過水力裂縫進入到天然裂縫，導致天然裂縫面受力狀態(tài)發(fā)生變化。隨著流體進一步注入，作用在天然裂縫面上的流體壓力逐漸增大，天然裂縫面所受有效正應力進一步減小，莫爾應力圓不斷左移，直至與天然裂縫剪切破壞包絡線相交，此時天然裂縫發(fā)生剪切破壞，如圖1所示。

圖1 天然裂縫剪切滑移機理

1.2 實驗系統(tǒng)

本實驗采用GCTS TRR-1000巖石三軸力學測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由軸向壓力加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、注水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(圖2)。其中軸壓系統(tǒng)可提供壓力0～1 000 kN，圍壓系統(tǒng)可提供壓力0～140 MPa，注水系統(tǒng)可提供壓力0～70 MPa。

圖2 實驗裝置原理圖

1.3 實驗方案

實驗樣品取自于鄂爾多斯盆地延長組長7段頁巖露頭，為避免層理面對實驗結(jié)果的影響，制樣時均為平行層理面取芯。首先，使用內(nèi)徑為50 mm的深孔鉆床和巖芯切割機將頁巖露頭加工為Φ50 mm×100 mm的標準巖芯(圖3(a))；然后使用Φ8 mm的鉆頭在巖芯的一個端面上鉆取深度為20 mm、直徑為8 mm的注水孔(圖3(b))，以提供流體注入通道；使用切割片沿著與巖芯軸線成60°的方向?qū)⑵淝懈畛蓛砂?圖3(c))，為保證切割面性質(zhì)相同，采用標號為40、顆粒直徑約為420 μm的金剛砂磨片打磨切割面；最后使用環(huán)氧樹脂膠將兩半巖芯粘在一起(圖3(d))，并使用環(huán)氧樹脂膠將注水壓頭粘在樣品注水孔端面(圖3(e))，為保證粘結(jié)強度，需將巖芯靜置24 h以上。

圖3 樣品制備流程

本文共設計了3組實驗，具體實驗參數(shù)見表1。為減小黏土礦物對頁巖性質(zhì)的影響，實驗注入流體采用7%KCl溶液。具體實驗步驟如下：

表1 實驗參數(shù)

(1)實驗開始前先檢查設備管路連通狀況，并校正軸向和徑向位移傳感器；

(2)測量樣品尺寸，并將其裝入乳膠熱縮管中，以保證樣品與液壓油的隔離；

(3)安裝軸向和徑向位移傳感器，并向樣品頂部注水孔中注入流體，以排除孔中空氣對實驗結(jié)果的影響；

(4)將注水裝置安裝在樣品頂部，并用熱縮管固定，使用軸向加壓桿對試樣提供預緊力，以使試件保持穩(wěn)定，并再次調(diào)整軸向和徑向位移傳感器為初始值，完成裝樣；

(5)通過設備伺服系統(tǒng)逐級交替施加軸向壓力和圍壓直至實驗設定值，待軸向壓力與圍壓穩(wěn)定后，通過注入系統(tǒng)向注水孔中注入流體，實驗過程中控制流體注入速率為0.20 mL/min。

1.4 天然裂縫受力和滑移量分析

實驗過程中注入壓力以及巖樣的軸向變形和徑向變形通過設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄。如圖4所示，樣品中的天然裂縫為斜切縫。因此，天然裂縫面所受正應力、切應力及沿天然裂縫面的滑移距離可以由下式計算：

圖4 天然裂縫剪切滑移導致的樣品變形

σ=σ3+(σ1-σ3)sin2θ；

(1)

τ=(σ1-σ3)sinθcosθ；

(2)

ds=Δxcosθ+Δysinθ。

(3)

式中：σ1、σ3分別為最大主應力和最小主應力，MPa；τ為裂縫面所受切應力，MPa；θ為水力裂縫逼近角，(°)；Δx、Δy分別為樣品軸向和徑向變形量，mm。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 天然裂縫剪切滑移特性

根據(jù)圖5中注入壓力變化規(guī)律可以將實驗過程劃分為注入孔內(nèi)壓力上升、水力裂縫擴展、天然裂縫剪切滑移3個階段。

圖5 1#、2#、3#天然裂縫剪切滑移特性曲線

第Ⅰ階段：注入孔內(nèi)壓力上升。此階段1#、2#、3#中天然裂縫剪切滑移量分別為0.01 mm、0.01 mm、0.02 mm，但偏應力下降幅度較小，此階段觀察到的剪切滑移是由于裂縫在偏應力的作用下壓實引起的，并非是實際天然裂縫產(chǎn)生的剪切滑移。

第Ⅱ階段：水力裂縫擴展。由于巖樣中沒有原始裂縫，且注入的流體遠大于濾失的流體，隨著注入的流體不斷增多，注入孔內(nèi)壓力逐漸升高，當注入壓力上升至一定值時，水力裂縫沿注入孔底部起裂與擴展，直至與天然裂縫相交。此過程中注入壓力出現(xiàn)波動，偏應力和剪切滑移量變化不大。

第Ⅲ階段：天然裂縫剪切滑移。流體通過水力裂縫進入天然裂縫后，對天然裂縫壁面產(chǎn)生流體壓力，降低了天然裂縫面的有效正應力，促使裂縫發(fā)生剪切滑移。同時由于樣品變形，軸向壓力突降，此階段的剪切滑移量最大，約為前2個階段的2～10倍。當滑移距離大于某一臨界值時，膠粘天然裂縫被完全破壞而使注入流體與三軸壓力腔室溝通，縫內(nèi)流體壓力下降，裂縫所受有效正應力上升，裂縫滑動阻力增大，直至裂縫滑移量保持不變時實驗結(jié)束。

此外，3組實驗各階段中力學參數(shù)和位移參數(shù)隨時間變化特性還存在著顯著差異，2.2～2.4將圍繞此方面展開討論。

2.2 偏應力對裂縫剪切滑移特性影響

1#和2#研究的是偏應力對天然裂縫剪切滑移特性的影響。第Ⅰ階段曲線變化特征基本相同，第Ⅱ階段差異主要表現(xiàn)在水力裂縫起裂壓力和起裂時間上。由圖5可知1#中水力裂縫在338 s起裂，起裂壓力為7.70 MPa；2#中水力裂縫在354 s起裂，起裂壓力為8.27 MPa。偏應力模擬了地層中的應力差，在相同的條件下，地應力差越大，水力裂縫越容易發(fā)生破壞且起裂壓力越低[20]。而本實驗結(jié)果并不符合此規(guī)律，是因為實驗中水力裂縫為平行層理面擴展，而各組樣品層理面發(fā)育特征存在差異。

由圖5可知，1#和2#在天然裂縫剪切滑移階段注入壓力和剪切滑移量變化特征存在顯著差異。1#注入壓力逐漸上升至最大值10.83 MPa后穩(wěn)定一段時間，直至天然裂縫發(fā)生剪切滑移時注入壓力突降至圍壓附近；2#注入壓力上升至最大值11.15 MPa后天然裂縫瞬間發(fā)生剪切滑移，同時注入壓力突降至圍壓附近。1#注入壓力出現(xiàn)穩(wěn)定段主要是由于天然裂縫粘結(jié)狀況的差異所導致。裂縫面所受正應力與偏應力正相關(guān)，因此天然裂縫破壞時的注入壓力隨圍壓增大而增大。

從圖6可知，天然裂縫發(fā)生剪切破壞瞬間，滑移距離大幅增加，1#和2#中天然裂縫最大剪切滑移距離分別為0.04 mm和0.06 mm，2#中裂縫剪切滑移持續(xù)時間比1#中的較長。天然裂縫剪切滑移速率和滑移距離隨時間變化關(guān)系如圖6所示，可知在天然裂縫發(fā)生剪切滑移前，裂縫剪切滑移速率較低(<0.5 μm/s)，1#和2#中裂縫滑移速率均在裂縫起裂瞬間達到峰值，分別為4.8 μm/s和5.3 μm/s，此后迅速衰減直至裂縫停止滑移。偏應力在裂縫剪切滑移過程中為動力，偏應力越大，裂縫起裂后釋放的能量越高，因此較大的偏應力有利于裂縫產(chǎn)生更大的峰值滑移速率和更大的剪切滑移。

圖6 1#和2#樣天然裂縫剪切滑移速率和滑移距離隨時間變化

2.3 圍壓對裂縫剪切滑移特性的影響

2#和3#研究的是圍壓對天然裂縫剪切滑移特性的影響。第Ⅰ階段曲線變化特征基本相同，第Ⅱ階段差異同樣表現(xiàn)在水力裂縫起裂壓力和起裂時間上。圖5表明3#中水力裂縫在391 s發(fā)生起裂，其對應壓力為7.06 MPa。3#中水力裂縫起裂時間較2#有所延后，這說明3#中流體的濾失量較大，3#的滲透性更好。圍壓對樣品側(cè)向提供了支撐力，圍壓越大，沿樣品軸向的裂縫起裂難度越大。而本實驗結(jié)果并不符合此規(guī)律，同樣是沿巖樣軸向發(fā)育的層理性質(zhì)差異所致。

在天然裂縫破壞階段，由圖5可知3#注入壓力上升到最大值10.12 MPa后一直保持穩(wěn)定，直至實驗結(jié)束，這顯然與2#注入壓力變化特征存在差異。在三軸壓縮實驗中，隨著圍壓的上升，巖樣破壞形式由張性向剪切過渡[21-22]。參考三軸壓縮實驗結(jié)果，可以通過比較裂縫破壞時的注入壓力與裂縫面正應力的大小將天然裂縫起裂模式劃分為張性起裂和剪切起裂。注入壓力和正應力隨時間變化關(guān)系如圖7所示，可知2#中天然裂縫破壞時注入壓力大于裂縫正應力，天然裂縫為張性起裂；而3#中天然裂縫破壞時注入壓力小于裂縫正應力，天然裂縫為剪切起裂。

圖7 注入壓力和裂縫面正應力隨時間變化曲線

由圖5可知，3#中天然裂縫剪切滑移距離為0.22 mm，且其裂縫剪切滑移持續(xù)過程最長。如圖8所示，天然裂縫發(fā)生剪切滑移前，3#裂縫滑移速率同樣低于0.5 μm/s；當裂縫剪切滑移瞬間，滑移速率達到峰值2.8 μm/s，然后滑移速率呈現(xiàn)降低-增高-降低的震蕩模式，持續(xù)約240 s之后移速率再次低于0.5 μm/s。相較于2#，3#中裂縫剪切滑移距離較大，剪切滑移過程持續(xù)時間較長，峰值剪切滑移速率較低。這是因為隨圍壓增大，天然裂縫起裂模式由張性過渡到剪切，而裂縫發(fā)生剪切起裂瞬間所釋放的彈性應變能相比于張性起裂的較小。

圖8 3#中天然裂縫剪切滑移速率和滑移距離隨時間變化曲線

2.4 天然裂縫力學響應特征

圖9表明在三組實驗天然裂縫剪切滑移瞬間，裂縫面正應力及剪應力同步出現(xiàn)突降，而當剪切滑移終止時，裂縫面正應力和剪應力同時趨于穩(wěn)定值。這是因為裂縫的剪切滑移使樣品長度變短，進而會使樣品軸向壓力卸載，最終降低裂縫面正應力和剪應力。另外，由于裂縫所受正應力和剪應力都受偏應力和圍壓的影響。因此，天然裂縫破壞過程中正應力和剪應力變化趨勢相同。

圖9 裂縫面正應力和剪應力隨時間變化曲線

由圖9可得1#、2#、3#中天然裂縫破壞前后裂縫面正應力差分別為0.96 MPa、1.36 MPa、1.83 MPa，剪應力差分別為0.56 MPa、0.78 MPa、0.92 MPa，破壞前后裂縫面正應力和剪應力差隨偏應力和圍壓的增大而增大。裂縫破壞前后所受正應力和剪應力差與最大剪切滑移距離關(guān)系如圖10所示，可知天然裂縫剪切滑移過程中正應力及剪應力變化與最大滑移距離呈正相關(guān)關(guān)系。巖樣破壞過程中應力變化越大，則破壞過程中釋放的能量越多，這反過來又使巖樣產(chǎn)生更大的變形，這也是導致3#最大剪切滑移距離大于其他兩組的原因。

圖10 正應力及剪應力與最大滑移距離關(guān)系曲線

實驗結(jié)束后，3塊樣品破壞情況如圖11所示，可以觀察到水力裂縫沿注入孔底部擴展，直到與天然裂縫相交。樣品破壞過程中，在微小的外力作用下樣品就會沿膠粘天然裂縫處斷裂成兩半，這可能是由于膠粘天然裂縫被破壞而強度降低引起，具體原因需要進一步實驗驗證。

圖11 3塊樣品破壞后照片

3 結(jié) 論

(1)天然裂縫剪切滑移過程可以劃分為注入孔內(nèi)壓力上升、水力裂縫擴展和天然裂縫剪切滑移3個階段。在注入孔內(nèi)壓力上升和水力裂縫擴展階段就可以觀察到微小的剪切滑移量(<0.02 mm)，但此過程的剪切滑移是由于天然裂縫壓實引起。天然裂縫剪切滑移階段剪切滑移量最大，約為前2個階段的2～10倍。

(2)偏應力模擬了地層中的地應力差，天然裂縫的最大剪切滑移距離和峰值滑移速率隨偏應力的增大而增大，高應力差易于使天然裂縫產(chǎn)生剪切滑移。

(3)天然裂縫起裂形式隨圍壓的增大由張性向剪切過渡，兩種起裂形式下裂縫均會發(fā)生剪切滑移。張性起裂下裂縫峰值滑移速率高、最大滑移距離較小，剪切起裂方式下裂縫峰值滑移速率低、最大滑移距離較大，高圍壓下裂縫的剪切起裂更有利于裂縫的剪切滑移。

(4)天然裂縫剪切滑移前后裂縫所受正應力和剪應力差隨偏應力和圍壓的增大而增大，此外，天然裂縫最大滑移距離又與裂縫面正應力和剪應力差呈正相關(guān)關(guān)系。