炭质页岩水力压裂模拟试验

李 良，张 健，陈 亮，马海春.

(1.华能国际电力开发公司，北京 100031；2.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；3.合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 230027 )

炭质页岩水力压裂模拟试验

李 良1，张 健2，陈 亮1，马海春3.

(1.华能国际电力开发公司，北京 100031；2.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；3.合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 230027 )

为了分析炭质页岩的水力压裂过程，采用天然页岩岩块，制作了边长为30 cm的立方体试样，并采用实验室大型试验设备，设置两种不同的割缝注射方向，对试样进行了水力压裂模拟试验。对比分析试样的破坏形态，可以看出割缝注射方向对裂缝的发育有重要影响；水力压裂的极限强度与裂纹和层面之间的夹角有一定的关系，当裂纹方向接近层面时，对应的水力压裂强度较小。结合水力压裂的水压曲线，阐述了裂纹发育和压裂液压力之间的关系。声发射监测炭质页岩的水力压裂存在一定的不足，需要进一步提高探测精度。页岩水力压裂还有很多影响因素，需要开展更多的模拟试验进行研究。

炭质页岩；水力压裂；模拟试验；裂纹；水压

我国页岩气资源十分丰富，但由于地质背景复杂性和页岩物理特性，在页岩气开发利用上，工程实际采用水力压裂技术进行页岩体积改造，形成渗透路径，以达到油气增产效果[1-3]。页岩的水力压裂涉及复杂的地质力学因素，因此需要开展研究分析页岩水力压裂规律，评估压裂效果。很多学者都开展过页岩水力压裂室内物理模型试验。郭印同等[4]利用真三轴岩土工程模型试验机、Disp声发射三维空间定位技术和工业CT扫描对水力压裂缝扩展形态进行监控和分析。陈勉等[5]采用试验模型对天然和人造岩样进行了水力压裂裂缝扩展机制模拟，研究了地应力、节理和天然裂缝等因素对压裂裂缝扩展的影响。姜浒等[6]研究了定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝孕育的影响。闫铁等[7]建立水力压裂下局部裂缝张开、裂缝面错动和裂缝面抗剪能力的计算模型。张旭等[8]以彭水地区龙马溪组地层页岩开展水力压裂物理模拟，研究发现当地应力差异系数减小或压裂液黏度降低时，水力裂缝易开启天然裂缝。靳钟铭[9]、邓广哲[10]、周健[11]等也进行了相关的压裂物理模拟研究，但试验中采用的样品多为裂缝性砂岩煤相似材料或固结散煤。室内模拟试验研究已经开展很多，但其研究对象多是人工试样，成果也多针对均质性较好的砂岩或人工相似配比材料，且多采用直接观测的方法描述裂缝；随着技术发展，声发射设备、工业CT扫描等技术也应用于裂缝信息监测。本文以天然页岩为研究对象，对页岩进行水力压裂的效果分析，利用声发射设备监测破裂，并对不同的孔位位置角进行了对比。

1 试验介绍

采用水力压裂伺服控制泵压系统进行水力压裂试验，通过计算机程序可以设置恒定排量的泵注液体，试验过程中利用数据采集系统记录泵压、排量等参数。水力压裂伺服泵压系统和泵注加压系统结构如图1所示。压裂试验中一般采用定排量控制，即位移控制模式，本次压裂模拟试验采用5 mL/min的定排量水力压裂。

图1 试验设备示意图

试样由采自安徽地区的天然炭质页岩加工而成，如图2所示。考虑到试样的不规则形状和易破碎性，采用尺寸30 cm×30 cm×30 cm的模具对页岩周围进行混凝土浇铸填补。其中，页岩的强度为4.5 MPa，抗拉强度为1.3 MPa，混凝土按照C25标准进行配制。然后，进行预制注水孔。本试验所需模拟试样分2类预设割缝方向，即一组平行外边，一组沿对角线设置，如图3所示。

图3 割缝设置示意图

连接好试样，利用实验室水力压裂设备进行注水压裂，主要设置压裂液排量参数和压力泵行程，控制压裂液的排量。在模拟井筒中注满示踪剂(高级染色剂)，然后安装模拟井筒与压力管的衔接接头，为保证压裂液泵注效果，在射孔口附近采用干燥后的堵缝剂进行密封性处理。随过程记录水压变化情况，直至岩样破碎，水压降低后稳定。待试验结束后，对试样进行剖解观察。

2 试验结果

2.1 试样破坏形态

共对6块试样进行了试验。结果发现，裂纹发育与割缝有直接关系，如图4(试样1)所示，裂纹的发育基本沿割缝的方向延伸，压裂过程中试样内部伴有微弱声响，表面出现长度不等的裂纹和排量不等的压裂液，说明岩样内部发生了一定的破裂，也赋存一定量的压裂液，其内部产生裂缝的情况也不同。页岩产生沿某一方向的扩展和延伸，随着压裂液增加，岩样内部裂缝逐步演变成裂缝通道，从而在岩样表面产生微小裂纹。

图4 页岩破裂效果图(试样1)

2.2 水力压裂水压分析

在水力压裂过程中，记录水压的变化情况，如图5(试样1)所示。从图5可以看出，试验开始时，水压从1.2 MPa下降至0.9 MPa，应该是压裂液开始进入小空隙时产生降压；随着压裂液的进入，水压开始增加，且增长速度很快，直至达到约3.0 MPa，这对应页岩水力压裂的极限强度2.96 MPa；维持这一水压约90 s后，岩石开始破裂，裂纹不断扩展，压裂液继而进入新的裂纹，致使水压下降，直至前方裂纹发展受阻，水压再上升，最后形成完整的破裂裂纹。水力通道完整后，水压下降至一定值并在一定范围内保持不变。

对比分析两种布设割缝的页岩破裂极限强度，一类割缝对应的强度极限值约2.6 MPa，比二类的强度极限值约4.12 MPa明显小，这是因为一类割缝的方向与页岩层面方向接近平行，页岩在此方向上容易破裂，水力通道容易形成。二类割缝的方向接近垂直层面方向，产生的裂纹也与层面有较大的交角，裂纹的发育需要穿越层面，因而需要更大的水压支持。

图5 水压变化曲线

2.3 声发射监测分析

对水力压力过程进行声发射监测分析，在页岩的四周布置监控点，如图6所示。因为试样是炭质页岩，强度较低，破裂时声音信号不太强烈，因此所得到的曲线不理想，没有连续的发射信号，只出现了较少的突发信号。从监测结果分析，多个信号点监测收到的信息基本一致，曲线中对应的波动主要是主裂缝的发育，对应着最大页岩水力压裂时刻，说明声发射在监测炭质页岩水力压裂时有一定的弊端，需要进一步提高声发射监测效果。

图6 声发射监测图

3 总结和建议

室内模拟试验能够分析页岩水力压裂的破坏规律。本文针对炭质页岩进行了两种割缝设置条件下的水力压裂试验，得到以下主要结论和建议：

(1)建立了一套炭质页岩室内模拟水力压裂的试验方法，结果表明裂纹的发育与注水割缝有直接关系，页岩的破坏方向与割缝的方向基本一致。

(2)注水压力与页岩的破坏过程有对应关系，而页岩水力压裂的极限强度与裂纹和层面之间的角度有一定关系，当裂纹发育方向接近层面方向时，页岩水力压裂的极限强度较低。

(3)炭质页岩的声发射监测水力压裂效果不理想，接收的信号很微弱，原因主要是炭质页岩的强度低，破裂时产生的信号不强。

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Simulation Test of Hydraulic Fracturing of Carbonaceous Shale

Li Liang1, Zhang Jian2, Chen Liang1, Ma Haichun3

(1.HuanengInternationalPowerDevelopmentCo.,Beijing100031,China; 2.HuanengCleanEnergyResearchInstituteco.,Ltd.,Beijing102209,China；3.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230027,China)

For analyzing the carbonaceous shale hydrofracture process, native shale rock has been made into cube samples of 30cm side length. By using of laboratory equipment samples with two kinds of fracturing fluid slits have been carried out hydrofracture tests. Failure mode has been compared with each other and fracturing fluid slits have great influences on the cracks development. The limit strength for shale hydrofracture has a correlation with the angle between crack and rock level. When the angle is smaller, the limit strength may be lower. Combined with the hydraulic pressure curve the relation between crack and hydraulic pressure has been expounded. Acoustic emission for carbonaceous shale hydrofracture has certain deficiency and the accuracy of detection has needed improved. More simulation analysis should be conducted for more factors＇ influences.

carbonaceous shale; hydraulic fracturing; simulation test; crack; hydraulic pressure

中国华能集团科技项目“重庆酉阳东区块储层压裂裂缝形态的主要影响因素研究”(CERI/TY-14-HJKO5)、国家自然科学基金资助项目(11102205) 、合肥工业大学青年基金(2013HGQC)联合资助。

李良(1966—)，男，硕士，华能国际电力开发公司燃气资源开发部副经理、石油工程高级工程师，在能源开发与利用领域从事石油天然气、煤层气、页岩气勘探开发工作。邮箱：35101514@qq.com.

TV131；O241

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