八道灣組全直徑巖心不同壓裂液下真三軸壓裂裂縫延伸特征

孟衛(wèi)東,劉洪濤,孫彬峰

(1.中國石油化工股份有限公司 河南油田分公司科技部,河南 南陽 473000;2.中國石油化工股份有限公司 河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院,河南 南陽 473000)

目前水力壓裂技術(shù)是致密儲層有效開發(fā)的重要技術(shù)之一,具有很高商業(yè)價值,并得到廣泛運用,而壓裂之后的裂縫形態(tài)是評價裂縫擴展的重要因素[1-2]。但儲層一般埋藏較深、地下巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力水平復(fù)雜,對水力壓裂技術(shù)具有諸多影響,加上缺乏準(zhǔn)確有效的現(xiàn)場監(jiān)測手段,因而無法直接觀測地下儲層的水力壓裂效果[3]?，F(xiàn)階段人們對水力壓裂裂縫的擴展模式和分布規(guī)律認(rèn)識不清,對地下壓裂井網(wǎng)的設(shè)計和布置具有盲目性。因此,探明和掌握水力壓裂裂縫的起裂條件、擴展形態(tài)和影響因素,對于水力壓裂設(shè)計、儲層改造和提高油氣資源的采收率十分重要。針對不同壓裂液對儲層巖石進行的室內(nèi)壓裂物理模擬試驗,是認(rèn)識壓裂裂縫幾何形態(tài)和擴展規(guī)律的一種可靠、有效的手段,通過室內(nèi)試驗探究不同因素對水力壓裂破裂壓力及破壞形態(tài)的影響能夠更好地指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂設(shè)計[4-7]。

目前國內(nèi)外主要通過大尺寸真三軸物理實驗來直觀研究壓裂裂縫形態(tài)。Daneshy[8]較早地利用真三軸裝置開展了砂巖裂縫延伸實驗,并采用透明有機玻璃作為材料制備試樣以直觀觀察裂縫形態(tài)。Bahrmann 和Elbel[9]、Ketterij和 Pater[10]、張廣清和陳勉[11]通過真三軸水力壓裂物理實驗分別研究了射孔方位角和井筒方位角對水力裂縫的影響。Lamont和Jessen[12]、Blanton[13]、Olson等[14]、Dehghan等[15]、林伯韜等[16]、唐鵬飛等[17]、郭培峰等[18]分別通過巖石和混凝土模擬實驗對預(yù)制天然裂縫的立方體試件進行真三軸水力壓裂實驗,研究了巖石類型、膠結(jié)類型、天然裂縫發(fā)育、傾角及走向、應(yīng)力差等不同因素下的天然裂縫對壓裂裂縫擴展的影響。Guo等[19]、Liu等[20]、鞠楊等[21]借助計算機斷層掃描(computed tomography,CT)掃描技術(shù)和分形理論對真三軸壓裂后的頁巖和砂礫巖的壓裂裂縫形態(tài)裂縫復(fù)雜程度進行了評價。Shi等[22]為了研究砂礫巖儲層的水力裂縫破裂行為和體積壓裂的可行性,通過真三軸物理實驗研究壓裂裂縫形態(tài),并開展聲發(fā)射實時監(jiān)測,試驗結(jié)果產(chǎn)生彎曲的水力裂縫。李暢等[23]采用水、超臨界二氧化碳兩種壓裂液對煤樣進行水力壓裂試驗發(fā)現(xiàn),使用水作為壓裂液時,破裂壓力更高。Cai等[24]研究煤巖水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài),討論了主水力裂縫在應(yīng)力擾動下水力裂縫網(wǎng)絡(luò)生長的基本規(guī)律。王燚釗等[25]采用頁巖油不同儲集層的全直徑巖心進行真三軸壓裂物理模擬實驗,研究水力裂縫在不同儲集層中的縱向擴展形態(tài);侯冰等[26]基于室內(nèi)真三軸室內(nèi)壓裂物模試驗,采用全直徑致密砂巖和頁巖全直徑巖心,利用混凝土包裹全直徑井下巖心測試真三軸環(huán)境下的水力裂縫起裂和垂向延伸形態(tài);鄒雨時等[27]采用頁巖油儲集層井下全直徑巖心制備薄互層狀頁巖巖樣,開展小尺度真三軸攜砂壓裂實驗,研究了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。焦子曦等[28]開展了不同壓裂液黏度作用下砂巖室內(nèi)水力壓裂試驗,揭示了壓裂液黏度對水力壓裂破裂壓力、破壞形態(tài)的影響。

目前許多學(xué)者進行了不同儲層水力裂縫擴展形態(tài)的室內(nèi)實驗研究,所采用的真三軸壓裂巖心多為露頭以及混凝土澆鑄的立方巖樣,而露頭巖心和混凝土巖心與井下巖石彈性模量、內(nèi)摩擦力等力學(xué)性質(zhì)差異較大,壓裂試驗結(jié)果不能真實反映井下巖石的起裂和擴展特征。而全直徑巖心與井下一致性較好,但是目前此類巖心的應(yīng)力加載為單向軸加載和環(huán)面圍壓加載,非真實三向應(yīng)力狀態(tài)。因此,創(chuàng)新性地構(gòu)建了井下全直徑巖心真三軸壓裂方法,試驗結(jié)果能更好地指導(dǎo)水力壓裂現(xiàn)場施工。選用八道灣組井下全直徑巖心,開展大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬實驗,同時探索滑溜水、瓜膠和超臨界二氧化碳對井下全直徑巖心裂縫延伸形態(tài)以及破裂壓力的影響,為現(xiàn)場施工和壓裂設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 實驗設(shè)計

1.1 樣品制備

使用大尺寸試樣可以保證裂縫的延伸過程控制在理想的時間范圍內(nèi),且裂縫的延伸為準(zhǔn)靜態(tài)擴展或穩(wěn)態(tài)擴展?；谝巴饴额^采集的巖心試樣由于具有形狀不規(guī)則﹑難以加工、風(fēng)化嚴(yán)重﹑存在原始裂縫﹑無法確定層內(nèi)非均質(zhì)性等缺點,同樣不能滿足本次實驗要求,采用混凝土澆筑制作的大尺寸正方體試樣,從本質(zhì)上與儲層的巖心結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在差異。而井下巖心試樣由于規(guī)格受限無法保證裂縫的穩(wěn)定擴展;將井下全直徑巖心中央鉆孔形成井眼,黏結(jié)井筒后進一步澆鑄水泥,形成300 mm的立方體試樣,可以滿足大尺寸的實驗要求,保證裂縫的穩(wěn)定擴展,實驗結(jié)果可以進一步地觀察到全直徑巖心壓裂裂縫擴展的情況。

巖樣取自新疆焉耆盆地博湖坳陷,寶浪蘇木構(gòu)造帶,下侏羅統(tǒng)八道灣組,巖心取自八道灣組的X井,取心深度為2 855.66～2 914.35 m,巖心直徑為10 cm,長度為11～15 cm。關(guān)鍵巖石力學(xué)參數(shù)與地應(yīng)力參數(shù)見表1和表2。根據(jù)巖心、錄井、測井資料綜合分析研究,主要巖相類型為中-細(xì)礫巖相,礫狀-含礫砂巖相和泥巖相。巖石顆粒磨圓度較差,以次菱角狀為主,顆粒分選為差-很差,長石顆粒表面風(fēng)化程度以中等為主?？缀硖卣鳛槲⒓?xì)-細(xì)為主,且喉道半徑分布集中在0.6～1.5 μm,分選性差,以不均質(zhì)類型為主,彎曲程度較高。巖心的巖性為含礫砂巖,測井?dāng)?shù)據(jù)顯示,平均滲透率為0.03 μm2,平均孔隙度為8.81%。

表1 主要巖石力學(xué)參數(shù)

表2 地應(yīng)力參數(shù)

實驗試樣制備：將3塊全直徑巖心端面切割完整,長度均為11.0 cm,鉆孔直徑為12 mm,鉆孔深度為全直徑巖心一半深度5.5 cm,如圖1所示;將預(yù)制的井筒與全直徑巖心固結(jié),如圖2所示;以全直徑巖心為中心,放入300 mm的立方體模具中,四周封注水泥,最后獲得3個300 mm的立方體試樣,如圖3所示。

圖1 X井全直徑巖心

圖2 試樣制備及井筒固結(jié)

圖3 水泥澆筑制備試樣(頂面與側(cè)面)

1.2 真三軸壓裂實驗系統(tǒng)

真三軸裂縫起裂擴展及滲流模擬系統(tǒng)包括大型真三軸伺服加載系統(tǒng)、水力壓裂壓力加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng),采用了機械測試與仿真(mechanical testing &simulation,MTS)公司的伺服增壓器、控制器和液壓器,如圖4、圖5所示。該系統(tǒng)加載裝置可提供三向壓力,壓力、流量等數(shù)據(jù)自動采集并記錄,注入泵、三軸壓力等可實現(xiàn)自動控制,可以有效監(jiān)測破裂壓力,該系統(tǒng)的具體實驗系統(tǒng)參數(shù)見表3。

圖4 真三軸裂縫起裂擴展及滲流模擬系統(tǒng)實物圖

圖5 真三軸裂縫起裂擴展及滲流模擬系統(tǒng)

表3 真三軸裂縫起裂擴展及滲流模擬系統(tǒng)參數(shù)

1.3 實驗方案

實驗?zāi)康模貉芯坎煌愋蛪毫岩簩訋r心的破裂壓力和裂縫延伸形態(tài)的影響。

實驗步驟：①將巖樣置于巖心室內(nèi),根據(jù)已知的儲層地應(yīng)力,設(shè)定參數(shù),通過MTS伺服增壓器加載最小水平主應(yīng)力49.8 MPa、最大水平主應(yīng)力63.4 MPa和上覆垂向應(yīng)力59.2 MPa,該條件能較為準(zhǔn)確地代表儲層的應(yīng)力狀態(tài);②開啟泵注系統(tǒng),將壓裂液注入井筒內(nèi),恒定排量壓裂,按恒定的排量0.5 mL/s持續(xù)注入壓裂液直至巖石破裂,通過監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄井口壓力,巖石破裂后記錄破壓力;③分別采用滑溜水壓裂液、瓜膠壓裂液和超臨界二氧化碳進行實驗。具體實驗方案見表4。

表4 壓裂實驗方案

實驗結(jié)果：分別記錄滑溜水壓裂液、瓜膠壓裂液和超臨界二氧化碳所對應(yīng)的破裂壓力以及裂縫延伸形態(tài)特征。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 滑溜水壓裂液壓裂

采用低黏滑溜水壓裂液壓裂巖樣表面裂縫沿豎直上與垂向應(yīng)力夾角為45°左右,水平上與最大水平應(yīng)力夾角為45°左右方向擴展,貫穿整個巖石面,形成了一條雙翼縫,同時在側(cè)面形成了分支縫,如圖6(a)所示。全直徑巖心裂縫面具有一定的凹凸不平特性,同時形成了轉(zhuǎn)向裂縫,如圖7所示。實驗記錄得到的破裂壓力為74.6 MPa。

圖6 滑溜水壓裂液壓后巖樣表面

圖7 滑溜水壓裂液壓后巖樣剖面

2.2 瓜膠壓裂液壓裂

采用瓜膠壓裂液壓裂巖樣表面裂縫沿最大水平主應(yīng)力、垂直于水平最小主應(yīng)力方向擴展,貫穿整個巖石面,形成了一條雙翼縫,裂縫繼續(xù)擴展至兩側(cè)面,形成了一條轉(zhuǎn)向縫。全直徑巖心內(nèi)形成一條雙翼縫,形成的裂縫較滑溜水更為平直和對稱,如圖8、圖9所示。實驗記錄得到的破裂壓力為82.7 MPa。

圖8 瓜膠壓裂液壓后巖樣表面

圖9 瓜膠壓裂液壓后巖樣剖面

2.3 超臨界二氧化碳壓裂

超臨界二氧化碳壓裂巖樣表面裂縫形態(tài)復(fù)雜,裂縫易發(fā)生轉(zhuǎn)向,迂曲度大,主縫為雙翼非對稱縫,超臨界二氧化碳 可以誘導(dǎo)產(chǎn)生 2 個及以上的貫穿主裂縫,裂縫整體分布呈現(xiàn)“Y”形和“H”形的斷裂形態(tài),如圖10所示;同時超臨界二氧化碳有利于裂縫起裂,實驗記錄得到的破裂壓力為55.2 MPa。全直徑巖心內(nèi)裂縫復(fù)雜程度高,可以形成縫網(wǎng)和轉(zhuǎn)向裂縫,如圖11所示,裂縫面具有凹凸不平特性,這對于壓裂裂縫自支撐具有重要作用。

圖10 超臨界二氧化碳壓后巖樣表面

圖11 超臨界二氧化碳壓后巖樣剖面

對比3種壓裂液壓裂下的破裂壓力,如圖12所示,瓜膠壓裂液下的破裂壓力最高,滑溜水壓裂液次之,超臨界二氧化碳壓裂液的破裂壓力最小,超臨界二氧化碳壓裂致使壓裂液溢出裂縫造成壓力驟降,整個裂縫擴展過程幾乎在瞬間完成,壓裂時間大幅縮短,可以形成更加復(fù)雜的縫網(wǎng),與滑溜水和瓜膠壓裂液相比,破裂壓力分別降低了26.0%和33.3%。

圖12 不同壓裂液下的破裂壓力

3 結(jié)論

1)瓜膠壓裂液壓裂下的破裂壓力最高,滑溜水壓裂液次之,超臨界二氧化碳的破裂壓力最小,壓裂時間最短,可以形成更加復(fù)雜的縫網(wǎng),與滑溜水和瓜膠壓裂液相比,破裂壓力分別降低了26.0%和33.3%。

2)滑溜水壓裂液壓裂巖樣表面可以形成分支縫,全直徑巖心可以形成轉(zhuǎn)向裂縫;瓜膠壓裂液壓裂巖樣表面和全直徑巖心均形成較為平直的雙翼裂縫;超臨界二氧化碳壓裂巖樣表面裂縫形態(tài)復(fù)雜,裂縫易發(fā)生轉(zhuǎn)向,迂曲度大,主縫為雙翼非對稱縫,可以誘導(dǎo)產(chǎn)生多條貫穿主裂縫,裂縫整體分布呈現(xiàn)“Y”形和“H”形,全直徑巖心內(nèi)裂縫復(fù)雜程度高,可形成縫網(wǎng)和轉(zhuǎn)向裂縫,裂縫面具有凹凸不平特性,這對于壓裂裂縫自支撐具有重要作用。