层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析

刘玉章付海峰丁云宏卢拥军王 欣梁天成

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油油气藏改造重点实验室，河北廊坊 065007）

层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析

刘玉章1，2付海峰1，2丁云宏1，2卢拥军1，2王 欣1，2梁天成1，2

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油油气藏改造重点实验室，河北廊坊 065007）

储隔层水平地应力差是水力裂缝高度延伸的主控因素，采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件，对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验，并实现对大尺度岩样内部裂缝扩展的全三维实时声波监测。通过声波监测结果与实际裂缝形态对比，讨论了层间应力差、施工参数（排量、黏度）、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。结果表明：缝高受层间应力差控制明显；同时施工参数也会影响裂缝的垂向延伸，高黏流体压裂有利于缝高延伸；对于均质致密砂岩岩样，实时声波监测技术能够对裂缝扩展动态进行有效监测。本研究为缝高延伸机理研究提供了实验手段，也为现场微地震监测提供参考。

大尺度物理模拟实验；水力压裂；垂向扩展；层间应力差；声波监测

水力压裂裂缝高度延伸控制技术一直是储层改造设计、施工、评估过程中的重要环节，一方面施工过程中如果缝高控制不当，进入甚至突破隔层，沟通上下气层或水层，造成压裂施工失败；另一方面对于页岩气，致密砂岩气等非常规储层而言，水力压裂工艺技术向着体积改造的方向发展，施工规模越来越大，施工成本越来越高，为了实现该类储层经济有效地开发，将裂缝控制在储层内部扩展就显得尤为重要。因此无论是对于常规还是非常规储层而言，对水力裂缝缝高延伸机理及控缝高技术的研究一直是水力压裂领域研究的热点。

前人对缝高延伸机理的研究已经开展了深入的理论研究、数值模拟、矿场试验及大量室内实验工作。首先对于缝高延伸的理论认识是基于经典的岩石断裂力学理论［1］，Simonson、Hanson、Cleary、Biot［2-5］等人又对该理论进一步完善，考虑垂向应力差，界面物性差异等多因素对裂缝垂向延伸的影响；Gu［6］、王翰［7］等开展数值模拟研究，对影响裂缝垂向扩展的多因素进行敏感性分析。由于实际地层条件的异常复杂性，理论研究及数值模拟研究认识的合理性还需要矿场试验及室内实验的验证。上世纪80年代Warpinski［8］等学者通过开展矿场试验，来直观观察水力裂缝扩展并验证理论认识，但由于开展矿场试验成本较高，技术难度大等问题，该研究手段无法进行推广。基于上述认识，利用室内物模实验技术来对水力裂缝延伸扩展机理进行研究就显得尤为重要。

围绕裂缝垂向延伸机理，国内外学者开展了大量物模实验研究，主要集中在对垂向应力、储隔层物性、界面物性等因素的考察。Warpinski利用圆柱形天然岩样（直径20 cm，高度20 cm）进行水力压裂实验，考察2层水平应力差，垂向应力以及层间弹性模量差对水力裂缝垂向扩展的影响［9］。Teufel利用垂向叠置的3块立方体天然岩样（20 cm×20 cm×8 cm）开展物模实验，定性考察界面剪切强度、层间弹性模量差及诱导水平应力对缝高延伸的影响［10］。陈勉等人利用立方体水泥人工样品（30 cm×30 cm×10 cm）模拟储隔层物性条件，考察垂向应力，垂向岩石物性差异对缝高延伸的影响［11］。Casas通过大尺寸天然岩样（762 cm×762 cm×914 cm）的物模实验考察了界面胶结强度对裂缝延伸的影响。

另一方面层间水平应力差是裂缝垂向延伸的主控因素［8-10］，对其控制机理的认识以断裂力学理论和数值模拟为研究手段，受实验设备及岩样尺寸限制，一直无法开展有效地物模实验。笔者采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件，对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验，首次应用层间应力差模拟实验技术，并结合实时声波监测结果，讨论了层间应力差、施工参数（排量、黏度）、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。

1 实验

1.1 大型水力压裂物模实验系统

本实验采用中石油油气藏改造重点实验室的标志性设备—大型全三维水力压裂物理模拟实验系统，该系统由岩样加载框架、压力系统、数据采集自动控制系统及声波监测系统4大部分组成。实验岩样尺寸为762 mm×762 mm×914 mm，大尺寸岩样可以有效地降低岩样边界效应［9］，裂缝稳定扩展更充分，实验结果更具研究价值。实验系统中水平地应力加载方式为加压板柔性加压，加压板放置在岩样与加载框架之间，通过向加压板中注水，水压增大致加压板膨胀，然后将水压传递至岩样表面，达到模拟水平地应力的目的，工作原理如图1（a）所示。加压板柔性加压与传统的扁千斤顶刚性加载相比，具有应力加载均匀的优点，但由于加压板材料的膨胀不可回缩特性，属于耗材性产品，因此重复使用次数有限。

水力压裂物模实验需要模拟实际地层条件特别是地应力场分布，一般而言，地层三向主应力大小不同，且垂向上储隔层水平应力也会不同。因此本实验系统在具备三向应力模拟的同时，还需具备垂向3层应力的独立加载的功能，具体实现方法是在岩样的每个水平主应力方向上采用3套独立的加压板系统予以控制，分为上中下3层，达到真实模拟储层及上下隔层的目的，加载示意如图1（b）所示，其中单块加压板尺寸（长×高）为750 mm×280 mm。

图1 水平应力加载示意图

1.2 实验基本参数

本实验所用岩样为长庆油田长6储层天然砂岩露头，加工尺寸为762 mm×762 mm×914 mm，岩石力学基本参数如表1所示。参考长6地质条件，考察层间应力差为7 MPa下裂缝垂向扩展形态，具体各向地应力参数如表2所示。为了考察不同液体体系对裂缝垂向扩展的影响，依次采用滑溜水和线性胶2种液体体系进行压裂，并分别混入2种染色涂料，便于观察各自造缝形态。本实验采用裸眼压裂，井筒参数及裸眼段长度如图2所示。考虑到水力裂缝在储层内部扩展，24路声波传感器集中不均匀布置在中间储层。

表1 岩石力学基本参数

表2 地应力场设计

图2 物理模型

1.3 实验结果

实验共分为2个阶段进行，第1阶段采用红色滑溜水进行压裂，注入量为3 152 mL；第2阶段改注蓝色线性胶压裂液，注入量为3 375 mL。实验结束后对岩样进行切片，测量实际裂缝形态，并绘制实际裂缝形态效果图（图3），红色滑溜水压裂裂缝形态成径向形态，造缝高度控制在中间储层范围以内，受层间地应力场控制明显；蓝色线性胶造缝形态为椭圆形，高度延伸进上下隔层，但仍受地应力场影响进入深度有限。从实验结果可以虽然高黏流体压裂产生的缝高更大，但缝长方向的延伸距离大于缝高方向，这与Smith［15］数值模拟结果是一致的，即随着流体黏度的增大，裂缝长度与高度的比值2Xf/H增大。

2 结果分析

2.1 应力场分析

在室内物模实验中，岩样尺寸有限且受边界条件的限制，加载到岩样表面上的应力并不会等同地传递至岩样内部，岩石内部应力场的分布实际是表面各向加载应力相互干扰耦合的结果［9］。采用有限元模拟的方法，对表2应力加载条件下的岩样内部应力场进行模拟，结果如图4所示，受层间应力干扰，中间层最小水平主应力由外及内逐渐增大，上下隔层应力逐渐减小。图4结果显示，中间层内部裂缝面附近的最小水平主应力值为7.14 MPa，同时滑溜水压裂缝高延伸至8.14 MPa，线性胶压裂缝高进一步延伸至9.41 MPa，因此低黏度滑溜水压裂缝高受限的层间应力差为1 MPa，高黏度线性胶压裂缝高受限的层间应力差为2.27 MPa。

图3 实际裂缝形态

图4 最小水平主应力分布

2.2 声波监测分析

利用声波监测技术，对声事件定位结果进行分析，考察裂缝动态扩展规律。

2.2.1 声事件空间分布及数量 滑溜水压裂声事件主要集中在井筒附近，如图5所示；线性胶压裂监测到的声事件分布规律更明显：垂向上声事件分布在有限高度域内，平面上则成扁长条带分布，如图6所示。两种液体条件下的声事件定位结果与实际裂缝形态对比如图3所示，具有很好的一致性。同时与滑溜水压裂相比，线性胶压裂产生了更多数量的声事件，这是因为低黏度滑溜水滤失大，产生的径向裂缝很快就停止扩展，规模较小，而高黏度线性胶在此基础上继续压裂，产生了更大规模的椭圆形裂缝。

2.2.2 声信号振幅及发生频率 实验过程中声波系统可以实时记录声波振幅和声信号发生频率（单位时间内采集到的声信号数量）图7所示。图中可以看出在注入排量相同的情况下线性胶压裂产生的声信号频率远远高于滑溜水压裂，表明高黏流体的造缝效率更高；同时振幅数据显示线性胶压裂与滑溜水压裂产生声事件的振幅大小相当，说明由裂缝扩展诱发的声事件能量大小与压裂液种类无相关性。

2.2.3 裂缝动态扩展 分析声事件的动态分布规律，回归出交联冻胶压裂裂缝扩展动态，如图8。A阶段（500～1 050 s）裂缝从南侧起裂并扩展出边界，北侧很少有事件点发生；B阶段（1 050～1 450 s）裂缝开始向北侧扩展产生声事件，同时流体持续从南侧流出也会有声事件发生；C阶段（1 450～2 400 s）裂缝突破北侧边界后，流体同时从南北两侧流出，此阶段声事件为流体流动噪音信号，南北两侧信号量大体相当。

图5 滑溜水压裂声事件定位结果

图6 线性胶压裂声事件定位结果

图7 声波数据采集信息

图8 裂缝扩展期声事件点分布（东面视图）

通过对有效声信号发生频率的分析，进一步验证上述裂缝沿南北两向非对称扩展的推断。在A阶段的末期，裂缝在南侧突破边界而由于流体滞后未到达边界造成信号频率的短暂降低；进入B阶段，裂缝继续向北侧扩展，信号频率重新增强，到B阶段末期，裂缝向北再次突破边界，流体滞后造成信号频率的再次降低；C阶段初期声信号主要由流体流出边界噪音产生，裂缝停止扩展，有效信号频率降低，后期提高排量，流体流动噪音增大，又会带来信号频率的重新增强。

2.3 净压力分析

根据图8声波监测分析结果，裂缝主要在500～1 450 s时间段内延伸扩展，为进一步考察裂缝延伸规律，对该时间段内的泵注压力进行双对数处理，如图9所示。从图中可以看出，在双对数坐标系下压裂压力的斜率变化分为2个明显的阶段，以时间点900 s为界。在900 s之前，压力起裂后快速下降，斜率为–1.34，裂缝在该阶段处于径向扩展，缝高延伸不受限；900 s时，缝高延伸到最大，压力降为11.5 MPa，净压力为4.36 MPa；此后压力下降斜率由–1.34升至1/10，表明此阶段缝高扩展受限，裂缝扩展由径向模型向PKN模型过渡［1］。图3所示的最终椭圆裂缝形态进一步证实了上述认识。

图9 净压力对数图

从900 s前后声事件定位结果可以看出（图10），900 s之前裂缝高度方向上存在声事件的分布，表明裂缝垂向扩展，900 s以后声事件只在缝长方向上分布，表明缝高扩展停止，与净压力分析一致。

图10 A阶段声波事件点分布

3 结论

（1）通过建立模拟储隔层地应力条件下的水力压裂物理模拟实验技术，可以对裂缝垂向扩展机理进行更深入研究，指导现场施工。

（2）实验结果表明层间水平应力差是裂缝垂向扩展的主控因素，层间应力差2.27 MPa、延伸净压力4.36 MPa条件下，高黏度线性胶压裂缝高延伸受限，井筒附近缝高51.5 cm。

（3）在地应力场、施工排量相同的条件下，高黏度液体压裂更有利于缝高延伸，但缝长方向的延伸距离大于缝高方向，椭圆形态更明显。

（4）室内声波监测技术可以有效地实现对砂岩裂缝扩展形态的监测，也为现场微地震监测提供重要的参考。室内声事件动态分布规律说明由于储层非均质性的存在，裂缝沿井筒两侧的扩展存在不同步现象，这与现场某些条件下监测到的微地震事件沿井筒两侧非对称分布情况相似。

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（修改稿收到日期 2014-06-30）

〔编辑 付丽霞〕

Large scale experimental simulation and analysis of interlayer stress difference effect on hydraulic fracture extension

LIU Yuzhang1,2,FU Haifeng1,2,DING Yunhong1,2,LU Yongjun1,2,WANG Xin1,2,LIANG Tiancheng1,2
（1.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Langfang065007,China;2.Key Laboratory of Reservoir Stimulation,CNPC,Langfang065007,China）

Horizontal geostress difference between reservoir and caprock is the main controlling factor for hydraulic fracturing height growth.A large scale full 3D hydraulic fracturing experiment system was used to simulate the geostress conditions of reservoir and caprock;simulation experiment was conducted to vertical growth of hydraulic fracturing for Chang-6 sandstone in Changqing Oilfield,and full 3D real-time acoustic monitoring was accomplished to internal fracture growth in large-size rock samples.A discussion was made regarding the effect interlayer stress difference,job parameters (flow rate,viscosity) and job pressure on vertical growth of fractures by comparing the results of acoustic monitoring and actual fracture geometry.The results show that fracture height is evidently controlled by interlayer stress difference;meanwhile,the job parameters will also affect the vertical growth of fractures,and fracturing with high-viscosity fluid is favorable for extension of fracture height;for homogeneous tight sandstone samples,real-time acoustic monitoring technique can effectively monitor the fracture growth conditions.This paper provides an experimental approach for the study on fracture height extension mechanism and also provides a reference for field micro-seismic monitoring.

large scale physical simulation experiment;hydraulic fracturing;vertical extension;interlayer stress difference;acoustic monitoring

刘玉章，付海峰，丁云宏，等.层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：88-92.

TE357.1

：A

1000–7393（2014）04–0088–05

10.13639/j.odpt.2014.04.022

国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号：2011ZX05013-003）资助。

刘玉章，1955年生。中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事油气田开发领域的理论研究及管理工作。通讯作者：付海峰，电话：010-69213794。E-mail：fuhf69@petrochina.com.cn。