注液速率對頁巖水力壓裂起裂的影響規(guī)律研究

張同景，鄭永香,3*，鄭超越，郭相瑞，馮 浩，梁 哲，張 脈

(1.河北省金屬礦山安全高效開采技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；4.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司 第五采油廠，河北 辛集 052300；5.河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺 054000)

水力壓裂是頁巖開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，通過水力壓裂可以在儲層中形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高儲層的滲透率[1-3]。水力壓裂物理實(shí)驗(yàn)常用的方式為真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外采用真三軸水力壓裂設(shè)備針對不同的儲層(如頁巖，煤巖，低滲砂巖等)開展了系列試驗(yàn)[4-6]，對水力壓裂作用下的裂縫形成規(guī)律進(jìn)行了深入探討。目前影響水力壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展的主要因素有地應(yīng)力、孔隙壓力、層理及天然裂縫、射孔參數(shù)、施工排量[7-8]。趙熙等[9]采用數(shù)值模擬方法分析了不同水平應(yīng)力比和孔射布置方式對水力壓裂起裂和擴(kuò)展的影響；劉海龍等[10]研究了定向射孔對水力壓裂起裂的影響；陳燦等[11]研究了壓裂液的黏度對裂縫的起裂壓力和擴(kuò)展半徑的影響。目前已有研究主要通過大型真三軸水力壓裂設(shè)備和數(shù)值模擬方法對裂縫的裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)進(jìn)行研究，但是單獨(dú)針對井周裂縫起裂行為研究的實(shí)驗(yàn)較少，因此開展近井筒裂縫起裂行為的研究對認(rèn)識裂縫擴(kuò)展具有重要意義。

注液速率是壓裂施工工藝的重要參數(shù)，厘清注液速率對裂縫起裂行為的影響規(guī)律對壓裂施工方案的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值[12]。因此本文采用單軸水力壓裂設(shè)備，設(shè)計(jì)不同的注液速率，分析不同注液速率下水力裂縫的起裂特征。以期為壓裂施工工藝的設(shè)計(jì)過程提供參考。真三軸水力壓裂設(shè)備對試樣的要求較高，操作程序相對繁瑣，試驗(yàn)成本相對較高。雖然真三軸試驗(yàn)更能反映地下巖體的真實(shí)壓力狀態(tài)，但在研究水力裂縫的起裂行為時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注于近井筒的裂縫擴(kuò)展行為，單軸水力壓裂試驗(yàn)需要的試樣小，主要針對裂縫的起裂行為和近井筒裂縫特征。因此單軸水力壓裂試驗(yàn)在研究頁巖的起裂特征方面具有一定的優(yōu)勢。本文將采用單軸水力壓裂設(shè)備對近井筒范圍內(nèi)的裂縫起裂行為進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所采用改造后的單軸水力壓裂設(shè)備完成。該設(shè)備可施加軸向壓力和側(cè)向圍壓，在試樣中部可注液壓裂。試驗(yàn)設(shè)備簡圖如圖1(a)所示。試驗(yàn)主要考慮軸向壓力。軸向壓力通過伺服加壓泵加載，且可以通過電腦系統(tǒng)維持壓力穩(wěn)定。進(jìn)液系統(tǒng)通過流量控制完成，可實(shí)現(xiàn)流量范圍為0.1～10 mL/min的注液。具體設(shè)備如圖1(b)所示。主要包括加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測系統(tǒng)可記錄注入壓力。

圖1 單軸水力壓裂設(shè)備Fig.1 Equipment of hydraulic fracturing

1.2 樣品制備

本試驗(yàn)采用圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測試。試樣按照垂直于層理方向鉆取，尺寸為直徑25 mm，高50 mm。在試樣一端鉆孔，鉆孔深度為30 mm，孔徑為3 mm。鉆孔后安裝封頭。封頭埋入試樣中的深度為25 mm。封頭通過環(huán)氧樹脂固定，固定后養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)大于2 h。其內(nèi)部形態(tài)如圖2(a)所示。巖樣可以分為固井段和裸眼段。由于封頭材料為鋼管，強(qiáng)度較高。故裂縫將首先從裸眼段起裂。固井完成后試樣如圖2(b)所示。

圖2 試樣固井方案Fig.2 Sample cementing scheme

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用單軸加壓模式。軸向壓力為5 MPa，選擇不同的注液速率，研究注液速率對裂縫的起裂時(shí)間和起裂壓力的影響。注液速率分別為0.5～4 mL/min。本試驗(yàn)中的壓裂液為清水。試驗(yàn)的具體實(shí)施方案匯總見表1。

表1 試驗(yàn)方案表Tab.1 Protocol table for the experiment

除上述試驗(yàn)外，本試驗(yàn)中曾嘗試增加圍壓和改變軸壓進(jìn)行測試。但是在增加圍壓后，起裂壓力超過設(shè)備極限或注液壓力過高導(dǎo)致壓裂液從封頭處漏液，最終試驗(yàn)失敗。但其結(jié)果對本文仍具有指導(dǎo)意義，因此本文中也將會(huì)針對失敗的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。此外，試驗(yàn)中應(yīng)注意軸壓的控制。當(dāng)軸壓過大時(shí)，導(dǎo)致封頭處應(yīng)力集中，巖樣受到應(yīng)力的作用而劈裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2 結(jié)果與分析

2.1 頁巖裂縫的起裂形態(tài)

隨著壓裂液注入，井筒內(nèi)壓力升高。當(dāng)注液壓力達(dá)到試樣的起裂壓力后，試樣開裂。試樣開裂后的形態(tài)如圖3所示。由圖可知，裂縫為豎向貫穿裂縫，裂縫穿過巖樣中心。在試樣1-5，1-6和1-7中，試樣中只含有一條豎向貫穿裂縫，裂縫沿層理面開裂。試樣1-8中，除沿層理面開裂外，在垂直于層理面方向有一條豎向貫穿裂縫。

圖3 試樣的破壞形態(tài)Fig.3 Failure state of samples

取含有單條裂縫和多條貫穿裂縫的試樣，如圖4所示。圖中左側(cè)為頂端的裂縫形態(tài)，中部為試樣實(shí)物照片，右側(cè)為試樣的側(cè)面展開圖。右側(cè)圖中只展示含裂縫部分，角度為從左側(cè)圖中心上方為0度起始點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由圖4(a)中只有一條垂向貫穿裂縫，并通過巖樣中心。圖4(b)為1-8的形態(tài)，該試樣注液速率為4 mL/min，注液速率大，裂縫除沿層理面的貫穿裂縫外，還有一條垂直于層理面的貫穿縫。1-8中共有4條裂縫。

綜上，裂縫起裂主要沿著層理面開裂。這是由于層理面的強(qiáng)度低于非層理面。在低注液速率下，試樣破壞后只含有一條豎向貫穿縫，裂縫形態(tài)單一。在高注液速率下，破壞后的試樣包含4條裂縫，裂縫形態(tài)變得更為復(fù)雜。因此可以得到注液速率對裂縫起裂形態(tài)的影響，即適當(dāng)提高注液速度可以增加裂縫的起裂條數(shù)，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

圖4 外表面破壞特征Fig.4 Failure characteristics of outer surface

裂縫起裂后將繼續(xù)沿著起裂處繼續(xù)延伸，初始的裂縫起裂條數(shù)對后續(xù)形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)具有關(guān)鍵作用。當(dāng)只有一條貫穿裂縫時(shí)，隨后擴(kuò)展過程中只能形成一條雙翼裂縫，不能形成有效裂縫網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)含有多條裂縫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，隨后的擴(kuò)展過程更容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。即使裂縫起裂方向與應(yīng)力方向不一致，但這些裂縫會(huì)隨著擴(kuò)展發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)，其仍有機(jī)會(huì)保持多條裂縫擴(kuò)展。并且，在多條裂縫擴(kuò)展過程中，裂縫相互干擾，更有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)合理控制注液速率，使裂縫起裂時(shí)產(chǎn)生更多初始裂縫，為形成裂縫網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)。

2.2 頁巖壓裂起裂的影響因素

起裂壓力和起裂時(shí)間是頁巖起裂的主要特征。將四種不同注液速率下的注液圧力曲線繪于圖5所示。由圖可知起裂壓力約為30 MPa，且注液速率越大，起裂所需時(shí)間越短。將起裂時(shí)間與注液速率的關(guān)系繪于圖6(a)。由圖可知，隨注液速率增加，起裂時(shí)間縮短。在注液速率較低時(shí)，增大注液速率會(huì)明顯縮短起裂時(shí)間。當(dāng)注液速率較大時(shí)，提高注液速率對縮短起裂時(shí)間的影響不大。由于注液總量與注入時(shí)間直接相關(guān)，因此將起裂時(shí)注入的壓裂液總量與注液速率繪于圖6(b)。由圖可知，起裂時(shí)的注液總量隨注液速率的增加略有增加，但是其差異極小?？紤]注液管線中的流體壓力傳遞等因素的影響，可以認(rèn)為起裂時(shí)的注液總量總體持平，注液速率對起裂時(shí)的注液總量的影響有限。

圖5 不同注液速率下的圧力曲線Fig.5 Pressure with different injection rate

起裂壓力是壓裂施工中的重要參數(shù)。圖7中為起裂壓力與注液速率之間的關(guān)系。在4種不同注液速率下，起裂壓力分別為28.6、28.6、27.8和31.6 MPa，起裂壓力隨注液速率的變化不明顯。這說明注液速率的變化對起裂壓力的影響很小。綜合注液速率與注液總量的關(guān)系，可以推測，當(dāng)井筒內(nèi)的液體總量達(dá)到一定體積時(shí)，注液壓力達(dá)到頁巖起裂壓力，頁巖發(fā)生開裂。根據(jù)田小朋[13]對同批次頁巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)測得的抗拉強(qiáng)度，該批次頁巖的抗拉強(qiáng)度約為10 MPa。本試驗(yàn)的起裂壓力為27 MPa到31 MPa，頁巖的起裂壓力明顯高于頁巖的抗拉強(qiáng)度。

上述提到，本次試驗(yàn)也嘗試通過增加圍壓測試頁巖的起裂壓力，壓力曲線如圖8。該方案中對樣品施加5 MPa圍壓，不施加軸壓。當(dāng)注入壓力達(dá)到35.89 MPa時(shí)，壓裂液從壓頭處漏出，頁巖未發(fā)生起裂。該試驗(yàn)未能測得頁巖在圍壓作用下的起裂壓力，由于試樣未起裂，所以試樣的起裂壓力大于35.89 MPa。

圖6 注液速率對起裂時(shí)間的影響Fig.6 Influence of injection rate on initial time

圖7 起裂壓力與注液速率之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between initial pressure and injection rate

圖8 注液壓力曲線Fig.8 Injection Pressure Curve

雖然在圍壓條件下巖樣未能起裂，但是該結(jié)果仍能夠證明樣品的起裂壓力大于最小主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之和。因注液后試樣內(nèi)外壁均受到流體壓力作用，該問題可近似認(rèn)為是厚壁筒問題。根據(jù)厚壁筒問題[14]，外部圍壓作用在厚壁筒上的環(huán)向應(yīng)力為：

(1)

式中，σθ為環(huán)向應(yīng)力，MPa；b為外圍半徑，m；a為內(nèi)壁半徑，m；r為計(jì)算點(diǎn)處距中心點(diǎn)距離，m；p2為作用于外筒壁的壓力，MPa。

本文中，試樣外壁(圍)半徑為12.5 mm，內(nèi)徑(壁)半徑為1.5 mm。計(jì)算內(nèi)壁的應(yīng)力，因此r取1.5 mm，施加的圍壓為5 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)，內(nèi)壁處的環(huán)向壓力σθ=2.03p2≈10 MPa。環(huán)向壓力與抗拉強(qiáng)度(約10 MPa)之和為20 MPa。試驗(yàn)中測得的35.89 MPa大于環(huán)向壓力與抗拉強(qiáng)度之和。環(huán)向壓力可視為起裂面上的法向應(yīng)力，而地層中裂縫起裂面垂直于最小主應(yīng)力。因此，樣品的起裂壓力大于最小主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之和，這與無圍壓條件下的結(jié)論類似。

基于上述討論，認(rèn)為可能的原因有軸向壓力、裸眼井段長度和試樣尺寸三個(gè)原因。由于本次試驗(yàn)設(shè)備及試樣數(shù)量的限制，未能夠?qū)υ搯栴}進(jìn)行深入探討。但該問題對于研究水力壓裂的起裂壓力具有重要意義，可作為未來的研究方向。

2.3 起裂后的裂縫表面形態(tài)

試驗(yàn)中頁巖多沿著層理面破壞，但同時(shí)也有沿著非層理面破壞的試樣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同起裂面的粗糙程度不同。圖9展示了不同破裂形式下的裂縫表面形態(tài)。首先分析左側(cè)兩圖，這兩個(gè)試樣均沿著層理豎向貫穿。可看出，沿層理面破壞的裂縫表面更為粗糙，表面起伏特征更加突出。右側(cè)兩圖為同一巖樣中沿不同面的破壞特征。可以看出，沿非層理面破壞的表面較沿層理面破壞的表面光滑，粗糙度低。

圖9 裂縫表面形態(tài)Fig.9 Morphology of fracture surfaces

將破壞表面進(jìn)行局部放大，放大后的表面如圖10所示。由圖可知，沿非層理面破壞面光整均勻，破壞顆粒較小。而沿層理面破壞的表面起伏不平，破壞顆粒較大，有明顯的突出特征。

綜上，在近井筒范圍內(nèi)，頁巖起裂時(shí)沿不同表面破壞的表面粗糙度不同。當(dāng)沿著層理面破壞時(shí)，破壞面粗糙。當(dāng)沿著非層理面破壞時(shí)，破壞面的表面較為光整。裂縫表面的粗糙度對自支撐裂縫的滲透率有顯著的影響。因此，不同破壞形式下的滲透率也將會(huì)有較大差異。

3 結(jié)論

本文通過單軸水力壓裂試驗(yàn)測定了頁巖的起裂行為特征。試驗(yàn)中考慮了不同注液速率對起裂壓力和起裂時(shí)間等因素的影響，結(jié)果表明：

1)注液速率對起裂時(shí)間的影響較大。注液速率較低時(shí)，增大注液速率會(huì)明顯縮短起裂時(shí)間。當(dāng)注液速率較大時(shí)，提高注液速率對縮短起裂時(shí)間的影響較??；注液速率對起裂壓力和起裂時(shí)的注液總量的影響程度有限，頁巖的起裂主要受頁巖自身的起裂壓力的影響。

2)單軸水力壓裂試驗(yàn)的頁巖起裂壓力大于巴西劈裂試驗(yàn)測得的起裂表面的抗拉強(qiáng)度。其原因或與軸向壓力、裸眼井段長度和試樣尺寸等因素有關(guān)。

3)在近井筒范圍內(nèi)，頁巖破壞時(shí)不同起裂面的粗糙程度不同。沿層理面破壞的裂縫表面更為粗糙，沿非層理面破壞的表面較為光滑，粗糙度低。