铜川地区陆相页岩纹层结构水力压裂实验及评价

2016-06-27胡瑞林夏加国

石油地质与工程 2016年3期

许　丹，胡瑞林，高　玮，夏加国

(1.中国科学院地质与地球物理研究所·中科院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学)

许丹1,2，胡瑞林1，高玮1，夏加国1,2

(1.中国科学院地质与地球物理研究所·中科院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学)

摘要：采用大尺寸真三轴水力压裂实验系统对陕西铜川地区陆相页岩性质相似的混凝土样品，开展了物理模拟实验，根据正交试验设计原理，利用均值分析、极差分析和方差分析技术，研究了射孔套管与纹层的夹角、纹层厚度、纹层间距、主应力差对水力压裂效果的影响情况，并采用破裂面粗糙度指标对各种工况的压裂效果进行评价。研究表明：该指标能够很准确地表征压裂效果好坏；射孔套筒与纹层的夹角越小，压裂效果越好；试样强度较高的纹层厚度偏大或偏小对压裂效果均不利；水平主应力差越小，压裂效果越好；水平主应力差对压裂效果的影响最敏感，射孔套筒与纹层的夹角次之。

关键词：铜川地区；陆相页岩；纹层结构；水力压裂；裂缝扩展

1概述

页岩是由粒径小于0.004 mm的细粒碎屑、黏土矿物、有机质等组成的具有纹层与页理构造的沉积岩[1]，页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，中国的页岩气可采储量巨大[2]。我国地质构造复杂，页岩气储层赋存条件多变，迄今为止，可供开采的页岩气主要赋存于南方四川盆地、鄂西地区及上扬子区的古生界海相页岩层系和北方鄂尔多斯盆地三叠系延长组陆相页岩层系中[3-6]。目前海相页岩气的开发技术趋近于成熟，而陆相页岩气的开发却远远滞后，主要的原因是陆相页岩层系的沉积环境、天然气的成因、聚集模式等均与海相页岩层系不同[7]，其中，最直观的差别是陆相页岩具有明显的纹层结构[8]。

陆相页岩储层物性致密、渗透率极低，需要采取压裂等措施来提高页岩气井的产量。压裂的目的是对储层进行改造，沟通天然纹层，形成裂缝网络，为天然气的产出提供通道。国内外许多研究者通过物理模型实验等方法对页岩储层水力压裂进行了大量的研究[9-14]。这些研究都是基于天然裂缝对水力裂缝扩展的影响，鲜有见到针对纹层结构对水力压裂影响的研究。本文采用大尺寸真三轴实验系统，针对鄂尔多斯盆地陕西铜川瑶曲地区完成的延科1井页岩钻探工程(总进尺500 m)进行实验研究，研究不同纹层倾角、纹层厚度、纹层间距、主应力差对水力压裂破坏的影响，并利用破裂面粗糙度指标对各种工况的压裂效果进行评价[15-16]。

2实验方法

2.1试样备制

实验采用与页岩脆性、剪胀性质类似的人造混凝土试样，混凝土M1和M2的质量配合比分别为水泥∶砂子∶水=1∶3∶0.5和1∶4∶0.6。用带光面的厚木板制成净尺寸为30 cm×30 cm×30 cm模具，将模具倾斜θ度，先浇筑厚度为D的M1混凝土试样，待此层混凝土达到初凝时，再浇筑厚度为L的M2混凝土试样，如此分层交替浇筑成边长为30 cm的标准立方块，并将特制的模拟射孔套管预埋在样品的中心位置，埋深为20 cm，射孔段长为10 cm，射孔螺旋式分布，相邻孔高差为1 cm，角度差为90°，图1为模拟射孔套管的结构示意图。最后将脱模后的试样放在温度为20 ℃、湿度大于95%的环境下养护28天。图2为试样结构示意图。实验测定混凝土M1弹性模量为8.843 GPa，泊松比为0.202，单轴抗压强度σc为30.63 MPa；混凝土M2弹性模量为8.603 GPa，泊松比为0.214，单轴抗压强度σc为29.17 MPa。实验中通过2D-SY型电动试压泵向模拟井筒中注入压裂液，其额定排出压力63 MPa，流量2 L/min，压裂液中添加红色示踪剂，以便观察水力压裂裂缝的扩展、连通规律。

图1　模拟射孔套管的结构示意图

图2　试样结构示意图

2.2实验思路和实验设计

实验样品的结构设置如表1所示，实验中垂向应力设为13 MPa，与延科1井500 m处的垂直应力相当；水平最小主应力加载在平行于纹层的面上，设为5 MPa；水平最大主应力加载在垂直于纹层的面上，分别设置为6 MPa，7 MPa，8 MPa，组成不同实验工况。利用正交试验法原理，采用4因素3水平的L9正交表对实验进行整体设计、综合比较、统计分析，只需9个样品就能保证全面实验的要求，这9个样品的结构因素和实验因素组合如表2所示

表1　纹层结构模拟实验的因素

2.3实验仪器

本研究中的模拟压裂实验使用中国石油大学(华东)力学实验室自行研究建造的真三轴水力压裂模拟实验系统。

3实验结果及分析

3.1泵压曲线分析

图3为2号试样压裂时的时间-泵压关系曲线图，其中OA段为开泵阶段，A点处低压腔调压阀打开；AB段为空行程阶段；BC阶段泵压迅速增大，初始裂缝开始扩展萌生；D点处高压腔调压阀打开，DE阶段泵压平稳增长，主裂缝开始萌生、扩展；E点处泵压无法继续增高，达到最高泵压值，EF阶段试样内裂缝贯通，压裂液迅速滤失到贯通的裂缝中，压力急剧下降；FG阶段泵压较为平稳，G点处高压腔调压阀关闭，泵压陡降；H点处低压腔调压阀关闭。

图3　试样2的时间-泵压关系曲线图

3.2压裂后试样形态

图4中红色线标出了2号试样压裂后肉眼能明显观察到的裂缝，其中有1条贯穿试样的主裂缝，有4条次裂缝，主裂缝开始沿着纹层扩展，然后发生偏转沿着垂直于纹层扩展，直至贯通整个试样，次裂缝基本沿着纹层扩展。

图4　2号试样压裂后裂缝形态图

用清水在无围压条件下将2号试样压开后的形态如图5所示，根据试样上红色示踪剂的分布可以分析出在真三轴水力压裂时试样内的裂缝扩展情况，如图中绿色的箭头所示。水力裂缝基本从模拟射孔套筒的射井段开始起裂，然后向各个方向扩展。

分析9个试样的主破裂面可知：1#、5#、9#3个试样的垂直于纹层的水平主应力与平行于纹层的水平主应力相当，主破裂面平行于纹层；2#、3#、4#、6#、7#、8#6个试样垂直于纹层的水平主应力与平行于纹层的水平主应力相差较大，主破裂面垂直于纹层。

图5　2号试样清水压开后形态

图6为5号试样主裂缝形态图，示意图中红色的线表示主裂缝形态，其中，BC段、EF段、GH段沿着纹层，FG段隆起部分可能是由于试样内部局部效应引起的，CE段裂缝穿过纹层。图7为4号试样主裂缝形态图，4号试样的主裂缝垂直纹层，AB段、BC段均穿过纹层，且在B点发生偏转。

图6　5号试样主裂缝形态图和示意图

图7　4号试样主裂缝形态图和示意图

分析9个试样的裂缝扩展形态可知：无论主裂缝平行于纹层还是垂直于纹层，主裂缝发生偏转的位置基本都在纹层面上。

3.3试样破裂面的三维表面形态分析

真三轴水力压裂实验结束后，取出试样，用清水作为压裂液在无围压条件下将试样压开，并采用HZ12-16-138型高精度大景深激光测头系统(三维激光扫描仪)对压开后的断面进行扫描。该扫描仪一次测量带宽、景深为25×30 mm ，最大测量深度120 mm，精度±0.02 mm，通过激光脉冲发射器周期地发射激光，激光的波长为650 nm，打到断面表面产生反射信号，接收透镜收到反射信号后产生接收信号，最后由微电脑处理接收信号，从而得出破裂面的三维坐标值。

利用克里格网格划分法处理三维坐标值，然后进行破裂表面的三维重建，重建后的三维空间情况如图8所示。通过克里格网格划的等值线图计算出8号试样破裂面的真实表面积为113 546.927 3 mm2，从而可以确定破裂面粗糙度指标RS，即破裂面的真实表面积SZ与其投影面积ST之比，RS=SZ/ST=113 546.923 7/90 000=1.261 6，RS越大，破裂面真实表面积越大，反应到试样内就是裂缝波及面积越大，从而压裂效果就越好。9个试样的破裂面粗糙度指标见表2。