天然裂縫對(duì)干熱巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律

謝紫霄 黃中偉 熊建華 武曉光 李根生 鄒文超 龍騰達(dá)

1. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2. 中國(guó)石化江蘇油田分公司

0 引言

地?zé)崮茏鳛橐环N清潔可再生能源，具有低碳環(huán)保、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)，有望助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。干熱巖（Hot Dry Rock，縮寫為HDR）一般指溫度大于180 ℃且內(nèi)部不存在或僅含少量流體的高溫巖體[1]。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，縮寫為EGS）是開(kāi)發(fā)干熱巖的主要手段之一[2]，即利用水力壓裂等方式在干熱巖儲(chǔ)層中建立人工熱儲(chǔ)，從而提高循環(huán)工質(zhì)與高溫儲(chǔ)層的換熱體積。干熱巖儲(chǔ)層具有溫度高、硬度大、天然裂縫發(fā)育等特點(diǎn)[3]，如何充分溝通天然裂縫是EGS高效構(gòu)建的關(guān)鍵。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方式研究了水力裂縫在天然裂縫影響下的擴(kuò)展機(jī)理。目前研究普遍認(rèn)為，水力裂縫遇天然裂縫后主要有三種裂縫擴(kuò)展模式：①水力裂縫被天然裂縫捕獲；②水力裂縫穿過(guò)天然裂縫；③水力裂縫先被天然裂縫捕獲，沿天然裂縫擴(kuò)展一段距離后，又穿過(guò)天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展[4]。針對(duì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了砂巖和煤巖等巖樣的真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了儲(chǔ)層中的斷層、層理、節(jié)理等不連續(xù)面對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展具有較大影響[5-6]，且天然裂縫和地應(yīng)力差異系數(shù)是決定水力裂縫形態(tài)的主控因素[7-8]。此外，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，相較致密完整的花崗巖，具有天然裂縫的花崗巖其水力裂縫縫長(zhǎng)和縫寬均顯著增大，且儲(chǔ)層改造效果提升了5.8倍[9-10]。

對(duì)于干熱巖壓裂技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)還處于起步階段。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了不同溫度、圍壓條件下花崗巖的裂縫起裂及擴(kuò)展特征。結(jié)果表明：高溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)誘導(dǎo)巖石壁面產(chǎn)生微裂縫，花崗巖巖樣初始溫度越高，起裂壓力和裂縫延伸壓力越低[11-12]，當(dāng)初始溫度高于300 ℃時(shí)，花崗巖的起裂壓力大幅降低[13]。

目前，盡管已經(jīng)開(kāi)展了煤巖、致密砂巖、頁(yè)巖等非常規(guī)儲(chǔ)層的水力壓裂研究[14-17]，然而針對(duì)高溫花崗巖水力壓裂時(shí)天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響尚未進(jìn)行廣泛地研究。基于此，本文以裂縫型花崗巖與致密型花崗巖（無(wú)天然裂縫）為研究對(duì)象，開(kāi)展真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)，探究?jī)煞N類型花崗巖在不同溫度下的裂縫擴(kuò)展特征及導(dǎo)流能力，旨在揭示干熱巖水力裂縫在天然裂縫影響下的擴(kuò)展規(guī)律，為指導(dǎo)干熱巖壓裂提供理論支撐，助推我國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的巖樣為具有天然裂縫的裂縫型花崗巖和完整的致密花崗巖（不含天然裂縫）。實(shí)驗(yàn)巖樣取自山東省煙臺(tái)市，顏色灰白，質(zhì)地堅(jiān)硬耐風(fēng)化，且該巖樣發(fā)育天然裂縫，如圖1-a所示。通過(guò)力學(xué)及X衍射測(cè)試，獲得了花崗巖巖樣的礦物組分和物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果如表1和2所示。

圖1 花崗巖巖樣實(shí)物圖

表1 花崗巖礦物組分含量統(tǒng)計(jì)表

表2 花崗巖基本物理及力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)所用的花崗巖礦物組分較為豐富，以斜長(zhǎng)石（42.2%）、石英（29.3%）、鉀長(zhǎng)石（16.0%）等脆性礦物為主，且?guī)r樣楊氏模量為36.2 GPa。因此巖樣抵抗變形的能力較弱，具有高脆性特征。花崗巖巖樣滲透率為0.006 98×10－3μm2，表明該巖樣為致密的低滲透性巖體。此外，巖樣具有高強(qiáng)的力學(xué)特征，其單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為158.1 MPa和10.31 MPa。

實(shí)驗(yàn)所用巖樣為150 mm×150 mm×150 mm的花崗巖立方體，在其中一面中心位置垂直鉆取直徑為16 mm、深度為80 mm的圓孔，模擬井眼。以外徑為14 mm、內(nèi)徑為10 mm的不銹鋼管，模擬井筒，巖樣尺寸如圖1-b所示。采用耐溫環(huán)氧樹(shù)脂固井，首先將石英砂填滿裸眼，待固井完成后，鉆穿并倒出孔底石英砂，保證環(huán)氧樹(shù)脂不進(jìn)入孔底。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的高溫高壓真三軸壓裂設(shè)備，該設(shè)備主要由注入系統(tǒng)、高溫三軸加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)三部分組成。其中，注入系統(tǒng)可通過(guò)伺服增壓器調(diào)節(jié)壓裂液注入排量和壓力，最大注入排量為100 mL/min，最高注入壓力為60 MPa。高溫三軸加載系統(tǒng)主要由圍壓釜體、模具墊片、大功率電熱管和液壓穩(wěn)壓源組成。通過(guò)調(diào)整模具墊片尺寸，可對(duì)邊長(zhǎng)100～400 mm的立方體巖樣進(jìn)行加載測(cè)試。X,Y,Z3個(gè)方向的應(yīng)力加載均獨(dú)立控制，最大應(yīng)力加載能力可達(dá)50 MPa，加載精度±0.1 MPa。圍壓釜體內(nèi)置36根大功率電熱管，電熱管最大功率可達(dá)14.4 kW。該設(shè)備能以100 ℃/h的升溫速率加熱釜體，用于調(diào)節(jié)和維持圍壓釜體的溫度（小于350 ℃）。數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器等，可實(shí)現(xiàn)注入速度、三軸應(yīng)力、加熱溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。數(shù)據(jù)采集器可實(shí)時(shí)采集注入壓力，采集頻率達(dá)每毫秒100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟如下：①將清水壓裂液染色，灌裝至中間容器，連接管線并檢查管線密封性；②巖樣放置烘箱內(nèi)，以5 ℃/min的升溫速率加熱巖樣至目標(biāo)溫度，并維持12 h；③真三軸圍壓釜加熱至目標(biāo)溫度后，取出烘箱內(nèi)巖樣安裝于圍壓釜內(nèi)，連接井筒與壓裂液注入管線；④待圍壓釜內(nèi)溫度恢復(fù)至目標(biāo)溫度后，開(kāi)啟真三軸設(shè)備圍壓增壓閥門，通過(guò)控制系統(tǒng)加載三軸應(yīng)力至目標(biāo)值；⑤開(kāi)啟壓裂液注入泵，以目標(biāo)排量開(kāi)展干熱巖壓裂實(shí)驗(yàn)，記錄壓裂—時(shí)間曲線，當(dāng)壓裂曲線下降并穩(wěn)定一段時(shí)間后，停止泵注壓裂液，保存數(shù)據(jù)；⑥停止加熱釜體，打開(kāi)設(shè)備排空閥門，卸載壓力后，取出巖樣并標(biāo)號(hào)，完成一組實(shí)驗(yàn)；⑦多組實(shí)驗(yàn)時(shí)，重復(fù)步驟②～⑥，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)致密花崗巖及裂縫型花崗巖巖樣，開(kāi)展高溫真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)。依據(jù)美國(guó)能源部干熱巖FORGE計(jì)劃選址要求的EGS工程干熱巖儲(chǔ)層溫度需達(dá)到180～220 ℃[18]，筆者設(shè)計(jì)了3種溫度下（25 ℃、180 ℃、220 ℃）的實(shí)驗(yàn)方案，如表3所示。由于干熱巖儲(chǔ)層埋深大，上覆巖層壓力較高，因此實(shí)驗(yàn)中地應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置為σv＞σH＞σh。水平應(yīng)力差異系數(shù)（k）決定著壓后縫網(wǎng)形態(tài)。k越大，越易形成單一裂縫；k越小，越有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，水平應(yīng)力差異系數(shù)公式為[15]：

表3 干熱巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)方案表

式中σH、σh分別表示最大、最小水平主應(yīng)力，MPa。

此外，本實(shí)驗(yàn)以清水作為壓裂液，注入排量恒定設(shè)置為20 mL/min。

2 致密花崗巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)

2.1 溫度對(duì)花崗巖裂縫的起裂和擴(kuò)展影響

作為裂縫型花崗巖壓裂實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，以致密花崗巖（不含天然裂縫）為研究對(duì)象（試樣2、4、5），開(kāi)展不同溫度（25 ℃、180 ℃、220 ℃）下的真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)，旨在探究不同溫度對(duì)花崗巖起裂壓力、裂縫形態(tài)和裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中各向應(yīng)力為σh=5 MPa、σH=15 MPa、σv=18 MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)(k)為2，壓裂液注入排量為20 mL/min。

圖2為不同溫度下壓裂前后花崗巖巖樣實(shí)物圖。為直觀展現(xiàn)出巖樣壓后裂縫形態(tài)，將壓后巖樣沿裂縫面劈開(kāi)，根據(jù)裂縫內(nèi)染色劑走向和天然裂縫方位，對(duì)巖樣內(nèi)部裂縫形態(tài)大致進(jìn)行三維幾何重構(gòu)，描繪出裂縫形態(tài)示意圖（圖2-c、f、i）。由于實(shí)驗(yàn)中加載的水平應(yīng)力差異較大，三種溫度下產(chǎn)生的水力裂縫均大致沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，即垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展，且裂縫擴(kuò)展至巖樣表面形成雙翼縫。通過(guò)對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)的裂縫形態(tài)可知，常溫（25 ℃）時(shí)花崗巖形成的水力裂縫較為平直且縫面迂曲度較小，而180 ℃與220 ℃時(shí)花崗巖形成的水力裂縫形態(tài)呈不規(guī)則的波浪狀，裂縫迂曲度明顯高于常溫花崗巖。這是由于低溫流體與井底高溫巖石接觸時(shí)，較大溫差誘導(dǎo)熱應(yīng)力使巖石表面產(chǎn)生大量微裂隙。當(dāng)水力裂縫從井底起裂并擴(kuò)展時(shí)，其周圍產(chǎn)生的微裂隙會(huì)影響主裂縫的擴(kuò)展路徑，主裂縫傾向于溝通微裂隙后繼續(xù)延伸，裂縫走向更加迂曲且具有隨機(jī)性。由圖2-f、i可知，雖主裂縫擴(kuò)展方向大致垂直于最小水平主應(yīng)力，但由于其在擴(kuò)展時(shí)受到了熱應(yīng)力的影響，裂縫走向發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)。而常溫下花崗巖產(chǎn)生的水力裂縫縫面相對(duì)平整、裂縫軌跡較為平滑，主裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展至巖樣表面，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫轉(zhuǎn)向（圖2-c）。

圖2 不同溫度下致密型花崗巖壓裂前后圖

對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)壓力曲線（圖3-a）可知，隨著花崗巖溫度逐漸升高，其起裂壓力逐漸降低，25 ℃、180 ℃和220 ℃條件下，花崗巖起裂壓力分別為20.8 MPa、15.2 MPa及9.0 MPa?；◢弾r加熱至180 ℃和220 ℃時(shí)的起裂壓力較常溫下（25 ℃）花崗巖起裂壓力的降幅分別達(dá)27%和57%，這也與前人結(jié)論相符[10]，即當(dāng)超過(guò)一定溫度時(shí)，花崗巖的起裂壓力會(huì)大幅降低?？赡茉斐筛邷鼗◢弾r起裂壓力降低的原因是：當(dāng)溫度較低的流體在井底接觸高溫巖石后，巖石表面瞬間產(chǎn)生較大的溫度差，進(jìn)而引發(fā)礦物顆粒收縮，由于不同礦物的各向異性，礦物收縮程度也隨之產(chǎn)生差異，從而造成局部應(yīng)力集中（即熱應(yīng)力），導(dǎo)致巖石表面產(chǎn)生大量微裂隙。通常冷卻過(guò)程中井筒周圍熱應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，同時(shí)井底高壓流體對(duì)井壁巖石也施加拉伸作用。因此，干熱巖壓裂是裂縫中流體壓力和低溫流體對(duì)高溫巖石產(chǎn)生冷沖擊的耦合作用[13,19-20]。隨著壓裂過(guò)程中流體壓力的不斷提升，晶內(nèi)或晶間的微裂隙被流體充滿，當(dāng)壓力上升至一定程度時(shí)，井壁周圍的微裂隙會(huì)先被高壓流體激活并沿裂隙末端繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低巖石的起裂壓力。此外，對(duì)比壓力曲線的增壓速率可知，隨著巖樣溫度的增高，增壓速率逐漸降低。這主要是由于井壁周圍高溫差誘導(dǎo)熱應(yīng)力產(chǎn)生大量微裂縫，導(dǎo)致其滲透率增加，壓裂液濾失速度加快，因此增壓速率也隨之降低，該特征也側(cè)面證明了熱應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生微裂縫降低了巖石的強(qiáng)度。

圖3 不同溫度下致密型花崗巖注入壓力曲線圖

同時(shí)，由壓裂曲線還可看出，常溫下巖樣注入壓力達(dá)到起裂壓力后，壓力瞬間下降至最低點(diǎn)并維持平衡；而180 ℃和220 ℃時(shí)巖樣起裂后，壓力下降較為平緩。這是由于巖樣溫度的升高，花崗巖的破壞特征由脆性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄訹20]。此外，所有巖樣的水力裂縫均擴(kuò)展至巖樣表面，直接觀測(cè)水力裂縫的開(kāi)度，可以觀察出水力裂縫的開(kāi)度隨著花崗巖溫度的升高而逐漸變大，這可能也是由于較大的溫差引起了不同種類礦物的膨脹或收縮程度不一致，從而加劇了水力裂縫兩側(cè)巖石的錯(cuò)動(dòng)[21-22]。

2.2 致密花崗巖水力裂縫導(dǎo)流能力

以一定排量向壓裂后的巖樣重新注入壓裂液，通過(guò)泵壓大小可評(píng)價(jià)水力裂縫的導(dǎo)流能力[20]。實(shí)驗(yàn)中水力裂縫貫穿整個(gè)巖樣且延伸至巖樣外表面，所以裂縫末端流體壓力可記為大氣壓。因此，泵壓的大小即為該裂縫在一定排量下的滲流壓力。裂縫的導(dǎo)流能力通?？梢杂脻B透系數(shù)來(lái)表征，其計(jì)算公式為[13,20]：

式中K表示滲透系數(shù)，mm/s；q表示排量，mL/min；L表示裂縫長(zhǎng)度，mm；rw表示水的重度，N/m3；Δp表示裂縫進(jìn)出口壓差，MPa；A表示巖樣橫截面積，mm2。

為了評(píng)價(jià)花崗巖水力裂縫的導(dǎo)流能力，以10 mL/min的恒定排量，在無(wú)圍壓的條件下，重新向壓后巖樣泵注壓裂液，直至壓力趨于穩(wěn)定并記錄泵壓曲線（圖3-b）。由圖3-b可知，25℃時(shí)致裂花崗巖的重注壓力顯著高于180 ℃和220 ℃條件下致裂花崗巖的重注壓力，這表明花崗巖溫度越高，壓裂后水力裂縫的滲流阻力越低，表明裂縫的導(dǎo)流能力越強(qiáng)，這也與前文所述水力裂縫開(kāi)度的變化規(guī)律相符。利用公式（2）依次計(jì)算出不同溫度下致密花崗巖壓裂后的滲透系數(shù)，結(jié)果如表4所示。可以看出，水力裂縫的滲透系數(shù)隨花崗巖溫度的增加逐漸增加[21]。其中，220 ℃時(shí)花崗巖水力裂縫的滲透系數(shù)接近50 mm/s，分別約為180 ℃和25 ℃時(shí)致裂花崗巖滲透系數(shù)的6倍和35倍。進(jìn)一步表明，在較高的溫度下，花崗巖壓裂過(guò)程中形成的水力裂縫可為流體提供較大的滲流通道，而常溫花崗巖壓裂后的水力裂縫較窄，流體阻力較高，需要較大的注入壓力以維持流體在裂縫中流動(dòng)。

表4 不同溫度下致密型花崗巖壓裂后滲透系數(shù)表

3 裂縫型花崗巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)

3.1 天然裂縫對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展影響

天然裂縫的存在增加了水力裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜性，為了研究干熱巖天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律，在致密花崗巖壓裂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取具有天然裂縫的花崗巖巖樣，開(kāi)展了25 ℃與180 ℃時(shí)的水力壓裂實(shí)驗(yàn)（試樣1、3）。實(shí)驗(yàn)中各向應(yīng)力為σh=5 MPa、σH=15 MPa、σv=18 MPa，水平應(yīng)力差異系數(shù)(k)為2，壓裂液注入排量為20 mL/min。兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與致密花崗巖壓裂實(shí)驗(yàn)一致。

巖樣壓裂前、壓裂后以及三維透視圖如圖4所示。由圖4可知，水力裂縫于井底裸眼處起裂，并沿平行于最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展。當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至天然裂縫處，被天然裂縫捕獲，并沿天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，沒(méi)有出現(xiàn)穿過(guò)天然裂縫沿原方向擴(kuò)展的現(xiàn)象。由圖4-b可知，壓裂液從天然裂縫內(nèi)滲出，流出巖樣表面，表明天然裂縫被激活。圖4-e顯示，該巖樣內(nèi)存在三條明顯的天然裂縫，壓后水力裂縫有效激活了其中兩條，而另一條天然裂縫未被溝通?？赡艿脑蚴潜患せ畹膬蓷l天然裂縫在巖石內(nèi)部相互連通（圖4-f），當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至其中一條天然裂縫后，縫內(nèi)流體傾向于沿已溝通的天然裂縫繼續(xù)延伸，并最終流出巖石表面，導(dǎo)致水力裂縫無(wú)法沿原方向繼續(xù)擴(kuò)展。

圖4 不同溫度下裂縫型花崗巖壓裂前后對(duì)比圖

較高的水平應(yīng)力差有利于水力裂縫穿過(guò)天然裂縫，并沿原方向繼續(xù)擴(kuò)展[23]。郭培峰等[24]開(kāi)展了真三軸水力壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)大于1時(shí)，水力裂縫穿透天然裂縫后繼續(xù)擴(kuò)展，出現(xiàn)“貫穿”現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中水平應(yīng)力差異系數(shù)設(shè)定為 2（σh=5 MPa，σH=15 MPa），但實(shí)驗(yàn)結(jié)果中未出現(xiàn)水力裂縫穿過(guò)天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的情況?？赡苁菐r樣中天然裂縫開(kāi)度較大（約為1 mm）且裂縫內(nèi)未填充膠結(jié)礦物，導(dǎo)致天然裂縫的強(qiáng)度較低且滲透率較高。當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至天然裂縫后，在一定靜壓力的驅(qū)使下，縫內(nèi)流體優(yōu)先進(jìn)入強(qiáng)度較低的天然裂縫，并沿天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展至巖石表面，出現(xiàn)了水力裂縫被“捕獲并轉(zhuǎn)向”的現(xiàn)象。Zhou等[7]開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了當(dāng)天然裂縫開(kāi)度較大時(shí)，水力裂縫更易發(fā)生轉(zhuǎn)向，而當(dāng)天然裂縫開(kāi)度較小時(shí)，水力裂縫傾向于穿透天然裂縫并沿原方向繼續(xù)擴(kuò)展。

3.2 裂縫型花崗巖壓裂過(guò)程壓力曲線特征

由于裂縫型花崗巖中存在多條天然裂縫，導(dǎo)致其壓裂時(shí)流體壓力變化與致密花崗巖的不同。圖5-a、b分別為裂縫型花崗巖與致密花崗巖在25 ℃和180 ℃下壓裂時(shí)的壓力曲線，由壓力曲線可知，裂縫型花崗巖巖樣水力壓裂過(guò)程可大致分為四個(gè)階段[20]：

1）壓力聚集階段：該階段有兩個(gè)加載過(guò)程，隨著壓裂液逐漸充滿井筒，井內(nèi)流體壓力以較低的速率（曲線斜率?。┚徛仙?，上升速率反映了注入排量的大小；隨著流體進(jìn)一步注入，由于水的壓縮性差，流體在井筒內(nèi)迅速增壓，壓力在短時(shí)間內(nèi)以較高速率（曲線斜率大）上升，直至壓力達(dá)到巖石的起裂壓力，該階段如圖5中Ⅰ段。

2）裂縫起裂和擴(kuò)展階段：當(dāng)流體壓力達(dá)到巖樣起裂壓力，井壁巖石產(chǎn)生水力裂縫并擴(kuò)展至天然裂縫處，此過(guò)程伴隨流體不斷流入縫內(nèi)，引起井內(nèi)壓力驟降，圖5中Ⅱ段。

3）縫內(nèi)憋壓階段：當(dāng)流體流至天然裂縫，盡管會(huì)有少部分流體濾失至天然裂縫中造成流體的短暫降低，但流體注入排量遠(yuǎn)大于濾失液量，因此縫內(nèi)流體壓力會(huì)再次升高，直至達(dá)到天然裂縫的擴(kuò)展壓力，圖5中Ⅲ段。

4）天然裂縫開(kāi)啟階段：當(dāng)縫內(nèi)流體壓力達(dá)到開(kāi)啟天然裂縫的壓力時(shí)，天然裂縫被流體溝通，此時(shí)大量流體流入被開(kāi)啟的天然裂縫中，井筒內(nèi)壓力再次驟降，并逐漸趨于穩(wěn)定，圖5中Ⅳ段。

由圖5可知，常溫（25 ℃）下裂縫型花崗巖的起裂壓力為16.7 MPa，比相同條件下致密花崗巖的起裂壓力低4.1 MPa；180 ℃時(shí)裂縫型花崗巖起裂壓力為12.2 MPa，比相同條件下致密花崗巖的起裂壓力低3 MPa，表明具有天然裂縫的裂縫型花崗巖的起裂壓力低于致密花崗巖。此外，25 ℃時(shí)裂縫型花崗巖的起裂壓力比180 ℃時(shí)裂縫型花崗巖高4.5 MPa，這也符合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即隨著花崗巖溫度的升高，巖樣的起裂壓力逐漸降低。

圖5 不同溫度下致密花崗巖與裂縫型花崗巖壓力曲線圖

3.3 天然裂縫對(duì)壓裂后巖樣導(dǎo)流能力的影響

利用上文中評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力的方法對(duì)裂縫型花崗巖水力裂縫進(jìn)行評(píng)價(jià)，即以一定排量重新向巖樣注入壓裂液，注入壓力可作為初步評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力的指標(biāo)。以10 mL/min的排量將清水注入壓裂后的裂縫型花崗巖中，當(dāng)壓力穩(wěn)定后記錄壓力曲線，如圖6所示。無(wú)論是在常溫（25 ℃）還是180 ℃時(shí)，裂縫型花崗巖的注入壓力都小于相同條件下致密花崗巖的注入壓力，表明水力裂縫與天然裂縫溝通后有效提高了裂縫的導(dǎo)流能力。

圖6 不同溫度下致密花崗巖與裂縫型花崗巖重注壓力曲線圖

利用式（2）計(jì)算不同溫度下巖樣等效滲透系數(shù)，結(jié)果如表5所示。對(duì)比致密花崗巖和裂縫型花崗巖的滲透系數(shù)可知，25 ℃時(shí)裂縫型花崗巖的滲透系數(shù)為3.45 mm/s，較致密花崗巖的滲透系數(shù)提高約1.46倍。當(dāng)巖樣溫度為180 ℃時(shí)，裂縫型花崗巖的滲透系數(shù)較致密花崗巖提高約2.35倍。無(wú)論是致密花崗巖還是裂縫型花崗巖，水力壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)都具有一定的導(dǎo)流能力。裂縫型花崗巖壓后裂縫導(dǎo)流能力顯著高于致密花崗巖，這是由于裂縫型巖樣中存在的天然裂縫開(kāi)度較大且未被膠結(jié)礦物充填，即天然裂縫本身具有較高的滲透性。當(dāng)水力裂縫有效連通天然裂縫后，提高了裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并大幅增加了巖體內(nèi)部的有效滲流通道，從而增強(qiáng)了裂縫網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)流能力。而致密花崗巖壓后裂縫形態(tài)單一，僅存在一條主裂縫且開(kāi)度較小，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部的有效滲流空間不足，進(jìn)而導(dǎo)致其滲透系數(shù)較低。

表5 不同溫度下裂縫型花崗巖壓裂后滲透系數(shù)表

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，隨著裂縫型花崗巖溫度的上升，裂縫導(dǎo)流能力也相應(yīng)地提高，這也間接證實(shí)了前文結(jié)論，即巖樣溫度越高，水力裂縫的導(dǎo)流能力越高。因此針對(duì)干熱巖儲(chǔ)層壓裂，有效的溝通天然裂縫，可形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于提高裂縫導(dǎo)流能力，進(jìn)而增大儲(chǔ)層滲透率。

4 思考與討論

干熱巖壓裂時(shí)注入的流體與井底巖石存在較大溫差，巖石表面會(huì)誘導(dǎo)熱應(yīng)力迫使其產(chǎn)生大量微裂隙。隨著水力裂縫的不斷擴(kuò)展，其周圍產(chǎn)生的微裂隙會(huì)影響主裂縫的擴(kuò)展方向，主裂縫傾向于溝通微裂隙后繼續(xù)延伸，裂縫走向更加迂曲且具有隨機(jī)性，如圖7-a所示。

圖7 干熱巖裂縫擴(kuò)展示意圖

天然裂縫廣泛存在于干熱巖儲(chǔ)層中，其對(duì)壓裂過(guò)程中裂縫的起裂和擴(kuò)展具有重要影響[25]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天然裂縫的存在有效降低了花崗巖起裂壓力，有利于形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。巖石起裂壓力的大小主要取決于井壁附近地應(yīng)力分布情況，而非遠(yuǎn)井地帶的地應(yīng)力大小。當(dāng)井壁附近的地應(yīng)力減小，井壁內(nèi)巖石的起裂壓力會(huì)隨之降低。本實(shí)驗(yàn)所用的裂縫型花崗巖井壁周圍存在一條或多條天然裂縫，實(shí)驗(yàn)中巖樣加載應(yīng)力時(shí)，由于天然裂縫的存在，可能導(dǎo)致井壁附近應(yīng)力加載不均勻，進(jìn)而造成井壁附近巖石加載的地應(yīng)力小于致密型花崗巖所加載的地應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂縫型花崗巖的起裂壓力低于致密花崗巖的起裂壓力。巖樣中天然裂縫的存在，在一定程度上降低了巖石的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而減小巖樣的起裂壓力[10]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了較大的水平應(yīng)力差異（k=2），但水力裂縫沒(méi)有穿過(guò)天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，可能是巖樣中天然裂縫開(kāi)度較大，且裂縫膠結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于巖樣基質(zhì)強(qiáng)度。當(dāng)水力裂縫擴(kuò)展至天然裂縫后，縫內(nèi)流體優(yōu)先進(jìn)入強(qiáng)度較低的天然裂縫內(nèi)，并且低溫流體與高溫巖石接觸后產(chǎn)生熱應(yīng)力誘導(dǎo)微裂隙的生成，進(jìn)一步劣化了天然裂縫強(qiáng)度，促使流體沿著更易于流動(dòng)的空間（天然裂縫）行進(jìn)（圖7-b），并最終擴(kuò)展至巖樣表面，導(dǎo)致縫內(nèi)流體產(chǎn)生壓降，始終無(wú)法達(dá)到穿過(guò)天然裂縫所需的最小延伸凈壓力。

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水力裂縫有效溝通天然裂縫后，顯著提高了裂縫滲透系數(shù)，改善了儲(chǔ)層中裂縫的導(dǎo)流能力。因此，尋找天然裂縫發(fā)育的干熱巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造是高效開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮艿年P(guān)鍵之一[26]。

5 結(jié)論

1）隨著花崗巖溫度的升高，其起裂壓力逐漸降低，裂縫擴(kuò)展方向更加隨機(jī)，且水力裂縫的開(kāi)度逐漸增大。實(shí)驗(yàn)中25 ℃、180 ℃和220 ℃時(shí)致密花崗巖起裂壓力分別為20.8 MPa、15.2 MPa和9.0 MPa。

2）不同溫度下花崗巖壓裂后裂縫的導(dǎo)流能力不同，隨著花崗巖溫度的上升，水力裂縫的導(dǎo)流能力和滲透系數(shù)也隨之提高。220 ℃時(shí)花崗巖水力裂縫的滲透系數(shù)比180 ℃和25 ℃時(shí)分別提高約6倍和35倍。

3）具有天然裂縫的花崗巖，無(wú)論是在25 ℃還是180℃時(shí)，其起裂壓力均低于相同條件下致密花崗巖的起裂壓力。由于壓裂中水力裂縫有效溝通了天然裂縫，裂縫型花崗巖的裂縫導(dǎo)流能力顯著高于致密花崗巖水力裂縫的導(dǎo)流能力，25 ℃和180 ℃時(shí)裂縫型花崗巖的滲透系數(shù)分別提高了1.46倍和2.35倍。