薄互層型頁巖油儲集層水力裂縫形態(tài)與支撐劑分布特征

鄒雨時，石善志，張士誠，李建民，王飛，王俊超，張嘯寰

（1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

中國頁巖油資源較為豐富，可采資源量達（30～60）×108t，是最具戰(zhàn)略性、現(xiàn)實性的石油接替資源[1]，但其普遍存在壓裂后單井初始產(chǎn)量低、產(chǎn)量遞減快、采出程度低等問題，效益開發(fā)面臨巨大挑戰(zhàn)[2-3]。如準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲集層縱向巖性變化快，呈薄互層狀，且紋層（或?qū)永恚┌l(fā)育，是典型的陸相薄互層型頁巖油儲集層[4]。認識該類型頁巖油儲集層人工裂縫擴展規(guī)律及支撐劑分布，對提升壓裂工藝參數(shù)適應性、實現(xiàn)多層系甜點整體動用具有重要意義。

國內(nèi)外學者針對多層狀地層水力裂縫形態(tài)、縫體延伸高度及裂縫與層理/界面的相互作用開展了大量研究[5-11]，發(fā)現(xiàn)多層狀地層中水力裂縫遇到層理（或界面）后可能有穿過、轉(zhuǎn)向、終止或階梯式延伸等幾種行為，且垂向延伸易受到限制，整體形態(tài)存在不確定性[5-8]?？傮w而言，受層間力學性質(zhì)差異、層間應力差、界面性質(zhì)等的控制，垂向均質(zhì)巖石易形成簡單縫，而薄互層易形成復雜縫[9-11]。層狀頁巖（或砂巖）發(fā)育紋層（或?qū)永恚r，通常具有顯著的力學各向異性，在高壓流體或誘導應力作用下極易發(fā)生破裂，紋層（或?qū)永恚p高及整體裂縫形態(tài)的影響非常顯著[12-13]。然而目前針對中國陸相頁巖油儲集層人工裂縫擴展規(guī)律的研究較為不足[14]，制約壓裂施工參數(shù)的優(yōu)化設計。同時，與常規(guī)單一縫相比，復雜裂縫體系內(nèi)壓裂液流場更為復雜，支撐劑的分布情況直接決定壓后裂縫的有效性[15-16]。目前，裂縫內(nèi)支撐劑運移室內(nèi)模擬主要采用預先設定恒定裂縫尺寸形態(tài)法，無法考慮儲集層裂縫形態(tài)實時變化對支撐劑分布的影響[17-18]。而室內(nèi)壓裂實驗通常不加支撐劑，地應力條件下裂縫內(nèi)支撐劑的展布規(guī)律及裂縫的有效性不明[19-22]。因此，有必要進一步研究壓裂時支撐劑的動態(tài)運移分布規(guī)律。

本文選用吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲集層井下巖心，開展小尺寸真三軸攜砂壓裂物理模擬實驗，基于 CT掃描技術(shù)綜合分析地層巖性層序組合條件下人工裂縫的穿層性與支撐劑垂向分布特征，探討頁巖油儲集層壓裂施工參數(shù)改進方法。

1 實驗設計

1.1 巖樣制備

巖樣取自吉木薩爾凹陷蘆草溝組J10X井的6段全直徑巖心，取心深度3 450～3 667 m，巖心直徑10～11 cm，長度10～35 cm（見圖1）。R1巖心的巖性為泥頁巖，R2巖心的巖性為白云質(zhì)泥巖，R3巖心的巖性為白云質(zhì)粉砂巖，R4巖心的巖性為粉砂質(zhì)泥巖，R5巖心的巖性為泥質(zhì)粉砂巖，R6巖心的巖性為灰質(zhì)泥巖。巖心R1、R2和R3紋層較為發(fā)育，其關(guān)鍵巖石力學參數(shù)如表1所示（測試圍壓35 MPa）。巖樣平行、垂直紋層方向的參數(shù)值差異均較大，各向異性顯著。彈性模量各向異性系數(shù)（平行紋層方向彈性模量與垂直紋層方向彈性模量的比值）為1.14～1.38，抗拉強度各向異性系數(shù)（平行紋層方向抗拉強度與垂直紋層方向抗拉強度的比值）為1.05～2.26。

圖1 J10X井全直徑巖心

表1 巖心巖石力學參數(shù)測試數(shù)據(jù)

為考察不同巖性組合條件下水力裂縫的穿層性與支撐劑的分布情況，將全直徑巖心沿徑向切成薄板，并根據(jù)真實地層巖性層序用高強度環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)成薄互層狀巖樣（見圖2a）。上下鄰層巖性相同，厚度均為2 cm，中間層為射孔層，厚度為6 cm。共制備3塊薄互層壓裂巖樣，其中巖心R1、R3和R5設置為射孔層，巖心R2、R4和R6設置為鄰層。1#試樣中鄰層為白云質(zhì)泥巖，射孔層為泥頁巖，鄰層與射孔層彈性模量差為16.3 GPa，抗拉強度差為1.6 MPa，鄰層屬于較高強度的遮擋層；2#試樣中鄰層為粉砂質(zhì)泥巖，射孔層為白云質(zhì)粉砂巖，鄰層與射孔層彈性模量差為-7.5 GPa，抗拉強度差為0.5 MPa，鄰層強度較低；3#試樣中鄰層為灰質(zhì)泥巖，射孔層為泥質(zhì)粉砂巖，鄰層與射孔層彈性模量差為-13.0 GPa，抗拉強度差為-3.2 MPa，鄰層強度低。

圖2 巖性組合試樣制備及完井示意

將薄互層狀全直徑巖心切割成8 cm×8 cm×10 cm的長方體試樣（見圖2b）。在方形平面中心垂向鉆取直徑為1.5 cm、深度為5.5 cm的孔眼以模擬直井；在井眼底部沿徑向刻蝕出半徑0.2～0.3 cm的垂向圓形切口并割縫以模擬射孔；將外徑1.2 cm、長5.0 cm的鋼管下放至距孔眼底部1.0 cm處以模擬套管，使用高強度環(huán)氧樹脂膠固結(jié)井筒（見圖2c）。實驗過程中向井筒內(nèi)泵注壓裂液和支撐劑，建立高壓后誘導水力裂縫在圓形切口處起裂。

1.2 實驗裝置及步驟

實驗采用小尺寸真三軸加砂壓裂一體化模擬裝置[19]。目前吉木薩爾頁巖油水平井壓裂排量為 14～18 m3/min，簇數(shù)為 6～8簇。施工中初期起裂與主壓裂階段的排量存在差異，這里考慮單簇最大排量為3 m3/min，壓裂液黏度為50～70 mPa·s（變黏度滑溜水體系）。為模擬現(xiàn)場黏性主導裂縫擴展過程，使用相似準則[23-26]（（1）式和（2）式）計算實驗主要注入?yún)?shù)?？紤]儲集層裂縫擴展特征半徑約為18.00 m（即評估半縫高），而實驗裂縫擴展特征半徑為0.05 m（試樣長度的一半），則計算實驗排量最大為50 mL/min，壓裂液黏度100 mPa·s。現(xiàn)場與室內(nèi)實驗參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表2 壓裂實驗主要施工參數(shù)

受限于設備性能，根據(jù)儲集層應力相對值設定實驗應力參數(shù)，即吉木薩爾蘆草溝組頁巖油儲集層現(xiàn)場水平主應力差為13 MPa，垂向應力差為15 MPa[4]，則實驗最大水平主應力為18 MPa，最小水平主應力為5 MPa，垂向應力為20 MPa。支撐劑為白色石英砂，粒徑分別為75 μm（200 目，簡稱“200 型支撐劑”）、106～140 μm（120～140目，簡稱“1214型支撐劑”），加砂濃度15～20 g/100 mL。具體實驗方案如表3所示。

表3 壓裂模擬實驗方案

實驗步驟：①將巖樣置于巖心室內(nèi)，按前述設定參數(shù)加載最小水平主應力、最大水平主應力和垂向應力[19]。②開啟泵注系統(tǒng)，以較低排量（5～20 mL/min）將混有熒光劑的壓裂液注入到井筒內(nèi)，記錄井口壓力變化；巖石破裂后，井口壓力將迅速降低，即前置液注入階段結(jié)束；隨后提升至較大排量（50 mL/min），開啟裝有支撐劑的砂罐出砂口閥門，支撐劑與壓裂液混合后進入壓裂管線，進入攜砂液注入階段；持續(xù)注入混砂漿，直至井口壓力急劇上升再下降后停泵。其中1#試樣攜砂液注入階段全程用200型支撐劑，考察紋層發(fā)育時小粒徑支撐劑充填情況，2#和 3#試樣攜砂液注入階段的前約120 s使用200型支撐劑，而后使用1214型支撐劑。單組實驗累計泵注液量最大為500 mL，支撐劑最大用量為 50 g。③采用微米 CT掃描儀掃描試樣灰度圖像，通過高精度CT數(shù)據(jù)重構(gòu)巖心，結(jié)合示蹤劑分布數(shù)據(jù)與巖樣剖分結(jié)果綜合分析識別巖樣表面、內(nèi)部的裂縫形態(tài)以及支撐劑分布情況。

利用VOLUME GRAPHICS STUDIO MAX軟件對試樣灰度圖像進行分類處理，分析其結(jié)構(gòu)形態(tài)特征（包括裂縫面積、支撐劑體積等），隨后進行三維數(shù)字巖心模型構(gòu)建，并采用盒維數(shù)方法計算裂縫空間復雜程度[27-28]：

2 人工裂縫形態(tài)特征

1#試樣中射孔層段巖性為泥頁巖，上、下鄰層為白云質(zhì)泥巖，人工裂縫形態(tài)垂向上呈“豐”或“井”字型（見圖3），裂縫總面積為38 010 mm2，其中人工裂縫面積、紋層縫面積分別占24.1%，75.9%，紋層縫占主導，裂縫復雜程度約為2.48。2#試樣射孔層段為白云質(zhì)粉砂巖，上、下鄰層為粉砂質(zhì)泥巖，人工裂縫整體垂向形態(tài)近似于“十”字形（見圖 4），裂縫總面積14 093 mm2，其中人工裂縫面積、紋層縫面積分別占58.7%，41.3%，裂縫復雜程度約為 2.13。3#試樣射孔層段為泥質(zhì)粉砂巖，上、下鄰層為灰質(zhì)泥巖，一側(cè)形成3條分支裂縫，在另一側(cè)交叉在一起（見圖5），裂縫總面積17 475 mm2，其中人工裂縫面積、紋層縫面積分別占 96.4%，3.6%，垂直人工裂縫為主體，裂縫復雜程度約為 2.28。相比之下，泥頁巖中人工裂縫最為復雜，泥質(zhì)粉砂巖中裂縫相對復雜，白云質(zhì)粉砂巖中形成的裂縫較為簡單。

圖3 1#試樣表面人工裂縫形態(tài)

圖4 2#試樣表面人工裂縫形態(tài)

圖5 3#試樣表面人工裂縫形態(tài)

2.1 紋層開啟及穿層情況

不同巖性試樣中紋層開啟情況差異較大。1#試樣射孔層一側(cè)形成一條人工裂縫（縫1），另一側(cè)形成兩條人工裂縫（縫 1、縫 2），并開啟射孔段上下部多條紋層，其中縫1頂部穿透整個上鄰層，縫2頂部截止于巖性界面，并在射孔層下部遇薄夾層界面發(fā)生偏移（見圖6a），而縫1、縫2底部均截止于下鄰層內(nèi)靠近巖性界面的一條紋層帶（見圖 3）。2#試樣的射孔層形成一條貫穿上下鄰層的人工裂縫，并誘導射孔段上部的多條紋層局部開啟，人工裂縫遇到開啟紋層、巖性界面后均發(fā)生水平向偏移，導致縫高方向裂縫成階梯式延伸（見圖 4）。3#試樣的射孔層形成 3條近間距交叉的水力裂縫，整體縫高貫穿上下鄰層，但存在局部分支縫截止于或偏移穿過層間界面（見圖5）。

在實驗條件下，較高強度鄰層（1#試樣）、較低強度鄰層（2#試樣）及低強度鄰層（3#試樣）均未對縫高的延伸有明顯遮擋作用，僅局部縫高延伸時在巖性界面截止。同時實驗結(jié)果也表明使用高黏度壓裂液（100 mPa·s）有利于近井人工裂縫穿層擴展。

2.2 垂向縫寬變化與支撐劑分布

垂向上，人工裂縫由射孔層到鄰層的縫寬變化較大，一般在紋層、層間界面開啟處縫寬變窄（見圖6），顯著影響支撐劑的運移、鋪置。

圖6 試樣表面人工裂縫典型局部形態(tài)及縫寬變化

2.2.1 泥頁巖與白云質(zhì)泥巖組合

圖7為1#試樣縫1沿著縫高方向統(tǒng)計的縫寬結(jié)果。1#試樣中人工裂縫在射孔位置附近（縫高方向坐標z=0）平均縫寬約為69.5 μm（兩翼縫寬均值）。向上延伸過程中，縫寬先逐漸增大后逐漸變窄，兩翼裂縫（縫1-1、縫1-2）在z=2.5 cm附近縫寬達到最大值，縫1-1縫寬215.0 μm，縫1-2縫寬175.0 μm；當人工裂縫穿過上巖性界面進入上鄰層（R2）后，縫寬急劇變窄，上鄰層內(nèi)縫1-1平均縫寬為173.8 μm，縫1-2平均縫寬為147.4 μm。向下延伸過程中，縫寬整體呈變窄趨勢，在z=-1.5 cm附近出現(xiàn)薄夾層，縫寬衰減顯著，縫1-1縫寬由34 μm 減小到 21 μm，縫 1-2 縫寬由 37 μm 減小到 19 μm；進入下鄰層后縫寬進一步變窄，在下鄰層內(nèi)縫1-1平均縫寬僅為14.0 μm，縫1-2平均縫寬僅為13 μm；在z=0、z=2 cm、z=-4 cm附近分別存在開啟的紋層縫，寬度分別約為57，45，18 μm，遠小于垂直人工裂縫的寬度。

圖7 1#試樣縫1縫高方向縫寬統(tǒng)計結(jié)果

1#試樣中形成的裂縫總體積為3 877.5 mm3，其中支撐劑充填體積為481.6 mm3，占12.4%。支撐劑主要堆積在試樣的中上部（z為-1.0～4.0 cm），即縫寬較大的人工裂縫的主縫中。下部靠近主縫附近的開啟紋層縫內(nèi)存在少量支撐劑，整體支撐劑鋪置范圍有限（見圖8）。同時大部分支撐劑運移、鋪置于射孔層段內(nèi)，僅有少量進入上鄰層。人工裂縫高9.0 cm，支撐縫高5.2 cm，占57.8%；人工裂縫長8.0 cm，支撐縫長6.1 cm，占76.3%。

圖8 1#試樣人工裂縫形態(tài)三維重構(gòu)

2.2.2 白云質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖組合

2#試樣縫寬統(tǒng)計結(jié)果如果圖9所示。2#試樣中人工裂縫在射孔位置附近（z=0）兩翼平均縫寬差異較大，縫1-1平均縫寬約525.0 μm，縫1-2平均縫寬為115.0 μm。向上延伸過程中，縫寬先逐漸增大后逐漸變窄，兩翼裂縫在z=1.5 cm附近縫寬達到最大值，縫1-1縫寬為537.0 μm，縫1-2縫寬為291.0 μm；當人工裂縫穿過上巖性界面進入上鄰層（R4）后，縫寬急劇變窄，上鄰層內(nèi)縫1-1平均縫寬為330.8 μm，縫1-2平均縫寬為173.8 μm。向下延伸過程中，縫寬整體呈變窄趨勢，而進入下鄰層后縫寬進一步變窄，下鄰層內(nèi)縫1-1平均縫寬為 226.2 μm，縫 1-2 平均縫寬為 13.6 μm。在z=0.5 cm附近存在開啟的紋層，其寬度為114.0 μm，遠小于垂直人工裂縫的寬度。

圖9 2#試樣縫高方向縫寬統(tǒng)計結(jié)果

2#試樣中形成裂縫的總體積為2 339.4 mm3，其中支撐劑充填體積為923.1 mm3，占39.5%。支撐劑主要堆積在試樣中上部（z為-1.0～4.0 cm）寬度較大的縫1-1內(nèi)，紋層縫內(nèi)幾乎不存在支撐劑（見圖10）。僅少量支撐劑運移至上鄰層內(nèi)，下鄰層幾乎不存在支撐劑。人工裂縫高10.0 cm，支撐縫高5.2 cm，占52.0%；人工裂縫長8.0 cm，支撐縫長5.3 cm，占66.3%。

圖10 2#試樣人工裂縫形態(tài)三維重構(gòu)

2.2.3 泥質(zhì)粉砂巖與灰質(zhì)泥巖組合

3#試樣內(nèi)形成了多分支垂直人工裂縫，因此在垂向上縫寬變化較為復雜（見圖11）。整體上由上鄰層、射孔層到下鄰層，縫寬呈逐漸增大趨勢，但局部存在波動。試樣一側(cè)形成的3條近間距分支裂縫（縫1、縫2和縫 3）的寬度明顯小于另一側(cè)形成的單一縫（縫4），射孔位置附近（z=0）的3條分支裂縫平均寬度為137.3 μm，而縫4的寬度為416.0 μm。3條分支裂縫在z=-3.0 cm附近平均寬度達到最大值244.0 μm，而縫4在z=-1.0 cm附近寬度達到最大值425.0 μm。3條分支縫在上鄰層內(nèi)平均寬度為56.7 μm，縫4在上鄰層內(nèi)寬度為161.4 μm；3條分支縫在下鄰層內(nèi)平均寬度為265.8 μm，縫4在下鄰層內(nèi)寬度為527.0 μm。

圖11 3#試樣縫高方向縫寬統(tǒng)計結(jié)果

3#試樣中形成的人工裂縫總體積為4 378.3 mm3，而支撐劑充填體積為777.7 mm3，占17.8%。3條分支縫內(nèi)僅含有少量支撐劑，大部分支撐劑堆積在縫 4內(nèi)（見圖12）。支撐劑主要堆積在射孔層井筒附近的人工裂縫內(nèi)，沒有運移至上鄰層。人工裂縫高10.0 cm，支撐縫高4.7 cm，占47%；人工裂縫長8.0 cm，支撐縫長5.5 cm，占68.9%。

圖12 3#試樣人工裂縫形態(tài)三維重構(gòu)

基于壓裂裂縫形態(tài)與縫寬，結(jié)合支撐劑的展布情況，可以看出 200型支撐劑進入壓裂裂縫的極限寬度約為200 μm，1214型支撐劑進入壓裂裂縫的極限寬度約為350 μm。支撐劑可進入裂縫的極限寬度約為支撐劑粒徑的2.7倍，結(jié)果略大于Cipolla等人[29]得出的2.5倍，略小于根據(jù)Gruesbeck等[30]實驗結(jié)果得到的3倍。

3 壓裂施工曲線特征

3塊試樣的壓裂曲線特征差異較大（見圖13）：①1#試樣0～512 s為前置液注入階段，排量為20 mL/min，505 s達破裂壓力18.3 MPa（見圖13a），破裂前壓力上升速率為0.045 MPa/s。513～749 s為攜砂液注入階段，排量提升至50 mL/min，全程使用200型支撐劑，施工初期壓力快速上升，隨著支撐劑在裂縫內(nèi)運移、堆積，壓力出現(xiàn) 2次較大波動，說明有砂堵跡象，導致最高壓力達到48.1 MPa（679 s），遠高于破裂壓力，人工裂縫寬度增大，而后壓力快速下降，749 s停泵。②2#試樣0～559 s為前置液注入階段，排量為20 mL/min，521 s達破裂壓力23.6 MPa（見圖13b），破裂前壓力上升速率為0.063 MPa/s。560～801 s為攜砂液注入階段，排量提升至50 mL/min，其中560～680 s使用200型支撐劑，681～801 s使用1214型支撐劑，560 s后壓力快速上升，617 s達到最大壓力33.1 MPa，高于破裂壓力，隨后壓力快速下降并維持在10.2 MPa上下，801 s停泵。③3#試樣0～1 173 s為前置液注入階段，排量為5 mL/min，1 131 s達破裂壓力15.9 MPa（見圖13c），破裂前壓力上升速率僅為0.017 MPa/s，低于1#和2#試樣。1 174～1 418 s為攜砂液注入階段，排量提升至50 mL/s，其中1 174～1 296 s使用200型支撐劑，1 297～1 418 s使用1214型支撐劑，期間壓力快速上升，1 248 s達到最大壓力45.9 MPa，高于破裂壓力，隨后壓力快速下降并在9.2～32.3 MPa內(nèi)波動，1 418 s停泵。

圖13 試樣壓裂施工曲線

對比 3塊試樣的壓力曲線可知，2#試樣射孔層段巖石強度最大（E=36.0 GPa，T=10.7 MPa），故破裂壓力最高，攜砂液注入階段壓力整體相對較低且平穩(wěn)，主縫起裂充分，縫寬較大，整體加砂較好；1#試樣射孔層段強度最低（E=12.0 GPa，T=6.0 MPa），且紋層較為發(fā)育，壓裂液濾失量大，因此破裂壓力較低，主縫起裂不充分，縫寬較窄，攜砂液注入階段壓力較高，出現(xiàn)明顯砂堵現(xiàn)象。3#試樣射孔層段強度中等（E=25.1 GPa，T=7.2 MPa），破裂壓力最低，前置液注入階段排量較低，裂縫起裂不充分，攜砂液注入階段，因裂縫多且寬度較窄，導致壓力高且波動頻繁，不易加砂。

4 結(jié)論

薄互層型頁巖油儲集層中近井筒處層間巖石力學差異及界面對縫高的延伸無明顯遮擋作用，但對縫高方向上縫寬的分布有顯著影響，水力裂縫趨于以“階梯”形式穿層擴展，在界面偏折處縫寬較窄，阻礙支撐劑垂向運移，穿層有效性差；如泥頁巖紋層發(fā)育，則易于形成“豐”或“井”字形裂縫。

射孔層段巖石強度大，破裂壓力高，則主縫起裂充分，縫寬較大，整體加砂較好；射孔層段強度低且紋層較為發(fā)育，則壓裂液濾失量較大，破裂壓力較低，主縫起裂不充分，縫寬較窄，易出現(xiàn)砂堵。

支撐劑主要鋪置在射孔層段附近縫寬較大的人工裂縫的主縫內(nèi)，分支縫、鄰層縫、開啟的紋層縫內(nèi)僅含有少量（或不含）支撐劑，整體上支撐劑鋪置范圍有限；支撐劑可進入裂縫的極限寬度約為支撐劑粒徑的2.7倍。

符號注釋：

Df——裂縫空間復雜程度，無因次；E——巖石彈性模量，GPa；E′——平面應變彈性模量，GPa；K′——修正斷裂韌性，MPa·m1/2；M——以直徑為δ的立方體（盒子）覆蓋目標物體所需的最小數(shù)量，個；Q——排量，m3/min；R——裂縫特征半徑，m；t——裂縫擴展時間，s；T——抗拉強度，MPa；z——縫高方向坐標，cm；α——相似系數(shù)，取值約為0.85，無因次；δ——立方體（盒子）直徑，m；μ——壓裂液黏度，mPa·s；σh——最小水平主應力，MPa；σH——最大水平主應力，MPa；σv——垂向應力，MPa。下標：f——現(xiàn)場參數(shù)；l——實驗室參數(shù)；max——最大值。