页岩水力裂缝扩展形态与声发射解释——以四川盆地志留系龙马溪组页岩为例

马新仿，李宁，尹丛彬，李彦超，邹雨时，吴珊，何封，王小琼，周彤

（1. 中国石油大学（北京），北京 102249；2. 中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 610051）

页岩水力裂缝扩展形态与声发射解释
——以四川盆地志留系龙马溪组页岩为例

马新仿1，李宁1，尹丛彬2，李彦超2，邹雨时1，吴珊1，何封2，王小琼1，周彤1

（1. 中国石油大学（北京），北京 102249；2. 中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 610051）

采用真三轴压裂模拟系统对四川盆地志留系龙马溪组露头页岩开展了压裂模拟实验，将通过岩样剖分和CT扫描获得的水力裂缝扩展形态与声发射监测解释结果进行对比以揭示裂缝扩展过程中的声发射响应特征，并分析水力裂缝连通区域与未连通区域在声发射事件类型上的差异。研究表明，声发射事件点的空间分布能够反映岩样内部水力裂缝扩展形态。水力裂缝起裂的位置声发射事件点较多、分布集中；水力裂缝激活的层理面附近声发射事件点稀疏；裂缝密度越大，声发射事件点的分布越密集。水力裂缝沟通范围与声发射事件点的分布范围存在差别，基于声发射事件的改造体积解释结果偏大。水力裂缝沟通范围内声发射事件以剪切事件和张性事件为主，未被水力裂缝沟通的原始开启层理面附近以剪切事件为主，将二者进行区分可以提高储集层改造体积解释结果的准确性。图7表3参32

页岩；层理；水力裂缝；扩展形态；声发射；CT扫描

0 引言

页岩储集层具有低孔低渗、岩石脆性大、非均质性强、层理和天然裂缝发育的特点，一般不具有自然产能，只有通过大规模压裂改造形成一定的“改造体积”，才能具备商业开发的潜力[1-3]。微地震监测技术是认识裂缝形态、评价储集层改造效果的有效手段之一[4-7]。关于页岩储集层中水力裂缝的扩展规律，学者们已经做了大量研究，主要通过岩样剖分和CT扫描来揭示岩样内部的水力裂缝空间展布[8-11]。为了获取更多裂缝扩展信息，声发射监测技术已被应用于室内压裂模拟实验并逐渐成为室内监测裂缝扩展规律的有效手段。声发射监测具有和微地震监测相似的原理[12-13]。Stanchits等[14]利用声发射监测结果分析了压裂液黏度对渗透性砂岩中裂缝起裂压力的影响。Stanchits等[15]采用声发射监测技术对预制了人工界面的各向同性砂岩和包含天然弱面的非均质页岩中的裂缝扩展规律进行了研究。刘玉章等[16]通过声发射监测技术研究了不同层间应力差下砂岩储集层中的缝高扩展规律。侯振坤等[17]、衡帅等[18]开展了页岩压裂模拟实验并结合声发射监测对裂缝网络的形成机制进行了初步分析。这些研究仍然集中于对水力裂缝扩展规律的认识，而未涉及矿场实践中关注的水力裂缝沟通范围与储集层改造体积解释结果之间的对应关系。明确是否所有的声发射事件点都代表水力裂缝的产生也是亟待解决的问题。因此，本文利用真三轴压裂模拟系统对四川盆地志留系龙马溪组页岩开展压裂模拟实验，通过岩样剖分及CT扫描结果与声发射定位结果的对比揭示裂缝扩展过程中的声发射响应特征，从震源机制上分析水力裂缝连通区域与未连通区域在声发射事件类型上的差异。

1 实验介绍

1.1 岩样制备

实验所用天然岩样取自四川盆地龙马溪组页岩露头。该页岩矿物组成以硅质和黏土矿物为主，其中石英含量为50.6%，黏土含量33.4%，碳酸盐和黄铁矿的含量较少，分别为9.8%和6.2%。室内力学参数测试结果如表1所示。

表1 岩样力学参数

将大块页岩露头沿平行层理和垂直层理方向切割成30 cm×30 cm×30 cm的立方体。为模拟水平井压裂，取1个垂直层理方向的表面，钻取1个直径为1.6 cm、深度约为16.5 cm的中心盲孔用于放置井筒（钢管）。钢管尺寸为外径1.5 cm、内径0.8 cm、长度13.5 cm。采用高强度环氧树脂胶将井筒固结于中心盲孔内，底部预留3.0 cm的裸眼段。实验过程中由注液管向井筒内泵注流体，在井底形成高压，水力裂缝将首先在裸眼段位置起裂。岩样压前CT扫描显示龙马溪组页岩露头层理发育且局部具有明显的开度（见图1）。

图1 岩样垂直井筒方向压前CT扫描照片

1.2 实验装置及步骤

实验采用1套真三轴压裂模拟系统[19]。三轴应力通过液压站分别进行加载，可以模拟真实地层应力环境。其中X轴的最大加载应力为15 MPa；Y、Z轴的最大加载应力为30 MPa。引入16通道声发射监测系统，进行水力裂缝空间展布定位与震源机制解释。为了获得较好的定位效果，在岩样除井口所在端面外的5个端面的承压板上分别布置3～4个声发射探头，并通过耦合剂来增强探头与岩石表面的接触。

具体实验步骤如下。

①连接注液管线，并将岩样按照层理面沿水平方向、井筒轴线沿X轴方向放置在实验系统托盘上。

②在岩样 5个端面布置安装有声发射探头的承压板，将数据采集线与声发射数据采集箱相连。

③沿X轴方向将液压活塞推送至腔体内部，沿Z轴方向施加垂向应力σv，分别沿Y、X轴方向施加最大水平主应力σH和最小水平主应力σh至设定值并维持稳定。

④开启注液系统，以恒定排量向井筒中泵注添加有染色剂的低黏度滑溜水压裂液进行压裂实验，同时记录整个过程中的井口压力变化和声发射信号。

⑤实验结束后取出岩样，通过CT扫描和岩样剖分获取岩样内部裂缝形态，并根据裂缝面的染色情况区分水力裂缝和原始开启层理面。

⑥解释声发射监测数据，获取声发射事件点空间分布，并与水力裂缝实际沟通范围进行对比分析。

1.3 实验参数

页岩储集层中的复杂裂缝是水力裂缝在平面上激活天然裂缝系统、纵向上沟通层理面所形成的三维裂缝网络。因此，水力裂缝的扩展规律既与水平应力差有关，也受垂向应力差的影响[20-22]。根据中国龙马溪组页岩储集层实际地应力条件，模拟正断层应力机制设定Δhσ为5 MPa，Δvσ为5～20 MPa。各岩样的地应力状态如表2所示。设定泵注排量为20 mL/min，可模拟现场大排量施工情况，同时避免压裂液沿层理面的快速滤失。压裂液为现场常用的低黏度滑溜水压裂液[23]，黏度为2.5 mPa·s。设定累计泵注液量为500 mL，以模拟相同的施工规模。为了避免岩样采集和加工过程中造成的损坏对实验结果的影响，在每种条件下均进行了重复实验。

表2 岩样压前特征及地应力参数

2 实验结果及分析

2.1 岩样裂缝形态

为了更加准确地认识裂缝形态和水力裂缝沟通范围，对压后裂缝形态相对复杂的岩样进行多层CT扫描并沿岩样表面裂缝路径进行逐步剖分。

图2、图3分别为岩样LMX-1的岩样剖分与CT扫描结果。在Δvσ为20 MPa的条件下，岩样LMX-1表面可见两条清晰的水力裂缝自裸眼段起裂，在向上、下两侧扩展的过程中沟通多条层理面（见图2a），岩样垂向的沟通高度约为20 cm。岩样上侧存在多条裂缝分支（见图3c），水力裂缝与层理面交织形成复杂的裂缝网络。其中，水力裂缝1沿井筒轴线方向垂直扩展（见图2c），当遇到胶结情况良好、开度较小的层理面时，水力裂缝直接穿过层理面继续扩展（见图2b），后期随着压裂液的持续泵注，层理面被激活，最终形成局部开启的层理缝（见图3b）。水力裂缝2倾斜向上扩展，受弱胶结特性和压裂液润滑作用的影响，延伸路径多次沿层理面发生偏转，形成“阶梯型”裂缝（见图3b）。岩样下部层理面 3原始开度较大，水力裂缝扩展至层理面 3处时，压裂液沿层理面快速滤失，导致水力裂缝无法突破层理面并沿着阻力更小的层理面扩展至岩样边界。水力裂缝截止于层理面 3处，其下部无水力裂缝产生（见图 3）。进一步说明岩样底部平直的层理面4为一个未与水力裂缝沟通的原始开启层理面。

图2 岩样LMX-1剖分结果

图3 岩样LMX-1 CT扫描结果

与岩样LMX-1相比，岩样LMX-5激活的层理面数量减少，垂向上的沟通效果明显变差（见图4）。表明当Δvσ减小为5 MPa时，层理面对裂缝高度的限制更加显著。水力裂缝由裸眼段起裂后其中 1条先沿井筒轴线方向垂直向上扩展，远离井筒后逐渐偏转，整个水力裂缝面严重扭曲，两条水力裂缝在沿X轴方向不同位置处的切片上显示为逐渐远离（见图 4b、4c、4d）。靠近井筒一侧裂缝垂向扩展距离为10 cm，裂缝截止于层理面1处（见图4d），层理面无染色剂分布。远离井筒一侧裂缝面趋于平缓，垂向扩展距离约为7.5 cm，裂缝截止于层理面 1下部（见图 4b）。井筒下部水力裂缝倾斜扩展至岩样边界，压裂液由岩样底部快速滤失，导致水力裂缝在扩展至层理面 1时，未能将层理面激活。

图4 岩样LMX-5 CT扫描结果

此外，对于井筒处层理微开启的岩样LMX-3，即使在Δvσ为15 MPa的情况下仍不能有效克服层理弱面，最终形成简单的近井筒层理缝。因此，埋深较浅、层理发育的页岩储集层容易形成简单裂缝形态，显著降低储集层改造体积。

2.2 裂缝扩展的声发射响应特征

为了揭示裂缝扩展过程中声发射响应特征、明确水力裂缝沟通范围与储集层改造体积解释结果之间的对应关系，对压裂过程中的声发射监测结果进行了分析，并将不同位置的声发射事件与CT扫描结果进行对比。岩石破裂瞬间会在岩样内部各个方向上引起不同的位移变化，声发射信号表现为膨胀型和压缩型两种初动类型。张性破裂时，压缩型初动占主导；裂缝闭合时，膨胀型初动占主导；裂缝发生剪切滑移时，膨胀型初动与压缩型初动所占比例接近。因此，室内声发射监测可以根据接收到信号的探头中膨胀型初动所占的比例λ来判断该点破裂的类型[24-26]：λ＜30%，为张性事件；30%≤λ≤70%，为剪切事件；λ＞70%，为压缩事件。图5、图6分别为岩样LMX-1、LMX-5的声发射监测定位结果。

岩样LMX-1的声发射事件点主要分布在远离井筒一侧，且上部数量明显偏多（见图5），与岩样整体裂缝形态基本一致。岩样内部的声发射事件主要分布在裸眼段、水力裂缝和开启的层理面附近。水力裂缝自裸眼段起裂，并瞬间释放出弹性能。因此，裸眼段处的声发射事件呈密集团状分布。岩样顶部水力裂缝形态复杂、分布密集，声发射事件较多，且呈现面状分布。水力裂缝激活层理面时，由于层理面的弱胶结性质裂缝快速到达边界，声发射事件沿层理面稀疏分布。另外，岩样底部一些未与水力裂缝连通的层理面处也有少量声发射事件产生。

岩样LMX-5的声发射事件分布与水力裂缝扩展空间形态也具有较好的对应关系。特别地，水力裂缝面的扭曲使声发射事件的分布规律更加复杂：远离井筒一侧，两条水力裂缝相距较近（见图4b），声发射事件分布范围较窄（见图6b）；裸眼段和靠近井筒一侧水力裂缝相距较远（见图 4c、图 4d），声发射事件分布范围较宽（见图 6c、图 6d）。岩样底部原始开启层理位置，同样诱发少量的声发射事件。

图5 岩样LMX-1声发射监测定位结果

可以看出，声发射事件的分布能够反映水力裂缝的空间展布。但是在整个裂缝系统中对于页岩气生产具有意义的是彼此连通、交织成网的部分。未被水力裂缝沟通的层理面，对于整个储集层改造范围而言是无效的。因此，仅仅通过声发射事件分布范围来确定储集层改造体积存在较大误差。震源机制反映了声发射事件位置处岩石的破裂模式。页岩储集层中天然裂缝和层理发育，水力裂缝的扩展路径复杂，岩样内部的应力场分布不断变化；同时，压裂液向弱面中滤失能够降低弱面的摩擦系数，进一步促进剪切滑移[27]。因此，页岩储集层中剪切破裂在整个裂缝网络的形成过程中具有十分显著的作用[28]。

图7为岩样LMX-1、LMX-5垂直井筒方向上考虑震源机制的声发射事件分布，图中黑色虚线框内为岩样原始开启层理面附近的声发射事件分布。从图 7中可以看出，龙马溪组页岩中声发射事件类型以剪切事件为主，其次为张性事件，压缩事件的数量极少。这种剪切事件主导的破裂类型与岩样层理发育且存在大量随机分布的天然裂缝有关[29]。水力压裂过程中，裂缝内流体净压力的作用会使裂缝周围的应力场发生变化[30]。Agarwal等[31]和 Warpinski等[32]通过数值模拟分析认为：裂缝内流体净压力会在水力裂缝的尖端区域产生诱导张应力和剪应力，降低裂缝前缘层理面或天然裂缝弱面的稳定性。在复杂裂缝形态下，水力裂缝的随机扩展更容易导致裂缝延伸路径与层理面之间存在夹角，使应力扰动效应更加明显，进一步增加弱面的不稳定性。考虑垂向应力的压实作用，粗糙层理面容易发生滑移错动，诱发剪切事件。结合通过CT扫描和岩样剖分获得的实际裂缝形态（见图2—图4）进行分析可以发现：水力裂缝沟通的区域为明显的剪切事件与张性事件共存带；远离井筒未被沟通的平直层理面（图3中层理面4和图4中层理面1、3）处，以剪切事件为主，没有张性事件产生，如图 7中黑色虚线框内所示。基于声发射定位解释结果，利用轮廓包络法分别计算了岩样LMX-1、LMX-3、LMX-5的改造体积和有效改造体积，其中，所有声发射事件的包络体积为改造体积（SRV），张性事件与剪切事件共存带的包络体积代表水力裂缝沟通的有效改造体积（SRVe），计算结果如表3所示。由于岩样LMX-3近井筒处发育单一层理缝，形成的裂缝形态简单，记录到的声发射事件点极少，因此，未能对其改造效果参数进行有效估算。岩样LMX-1与LMX-5裂缝形态复杂，声发射事件点较多（见图3、图4、图7）。计算结果表明，在本实验研究条件下，受原始开启层理面扰动的影响，SRV与SRVe之间的差异显著。以岩样 LMX-5为例，由声发射事件确定的改造体积中，仅有55.8%为被水力裂缝沟通的有效改造体积。因此，可以根据震源机制区分水力裂缝有效沟通范围和未被连通的层理面，从而提高储集层有效改造体积解释结果的准确性。

图6 岩样LMX-5声发射监测定位结果

图7 岩样中垂直井筒方向声发射事件分布及震源机制

表3 基于声发射解释的SRV与SRVe计算结果

3 结论

页岩储集层地应力状态及层理性质对水力裂缝高度方向的扩展规律具有重要影响。高垂向应力差条件下，水力裂缝穿过层理面，有利于裂缝高度方向的扩展；低垂向应力差或层理面胶结较弱的情况下，水力裂缝容易沿着层理面转向扩展，显著降低储集层改造体积。

声发射事件与岩样内部裂缝形态具有较好的空间对应关系。水力裂缝自裸眼段起裂，此处声发射事件数量较多，分布密集；裂缝数量越多的位置，声发射事件越密集且呈现面状分布；层理面开启处声发射事件较少，分布稀疏。

水力裂缝沟通范围与声发射事件点的分布范围存在差别。水力裂缝扩展过程中的诱导应力会降低层理面的正应力，同时产生附加的诱导剪应力。原始开启层理面的缝面扰动会诱发声发射事件，导致基于声发射事件的改造体积解释结果偏大。

水力裂缝沟通的区域内声发射事件类型为剪切事件和张性事件共存；原始开启层理面位置声发射事件以剪切事件为主。可以据此区分水力裂缝有效沟通范围和未被连通的层理，从而提高储集层有效改造体积解释结果的准确性。

符号注释：

X，Y，Z——直角坐标系，cm；λ——膨胀型初动所占比例，%；σh——最小水平主应力，MPa；Δσh——水平应力差，MPa；σH——最大水平主应力，MPa；σv——垂向应力，MPa；Δσv——垂向应力差，MPa。

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Hydraulic fracture propagation geometry and acoustic emission interpretation: A case study of Silurian Longmaxi Formation shale in Sichuan Basin, SW China

MA Xinfang1, LI Ning1, YIN Congbin2, LI Yanchao2, ZOU Yushi1, WU Shan1, HE Feng2, WANG Xiaoqiong1, ZHOU Tong1
(1.China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.Downhole Company,Chuanqing Drilling Engineering Co. Ltd.,Chengdu610051,China)

A series of laboratory fracturing experiments was performed on samples mined from an outcrop of the Silurian Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin, using a true triaxial fracturing simulation system. To reveal the characteristics of acoustic emission(AE) response in hydraulic fracture (HF) propagation, the HF propagation geometry obtained by specimen splitting and CT scanning technology was compared with the interpretation results of AE monitoring. And the difference of hypocenter mechanism between hydraulically connected and unconnected regions was further discussed. Experimental results show that the AE events distribution indicates well the internal fractures geometry of the rock samples. Numerous AE events occur and concentrate around the wellbore where the HF initiated. Sparse AE events were presented nearby bedding planes (BP) activated by the HF. AE events tended to be denser where HF geometry was more complex. The hydraulically connected region was obviously distinct with the spatial distribution of AE events,which resulted in the overestimation of stimulated reservoir volume (SRV) based on micro-seismic mapping result. Both tensile and shear events occurred in the zone connected by the hydraulic fractures, while only shear events were observed around BPs those were not hydraulically connected. Thus, the hydraulically connected and unconnected region can be identified in accordance with the hypocenter mechanism, which is beneficial to improve the accuracy of SRV evaluation.

shale; bedding plane; hydraulic fracture; propagation geometry; acoustic emission; CT scanning

国家科技重大专项（2015ZX05046-004）；国家重点基础研究发展计划（973）项目（2015CB250903，2013CB228004）；国家科技重大专项（2016ZX05023-001）；中国石油大学（北京）科研启动基金（ZX20160022）

TE357.1

A

1000-0747(2017)06-0974-08

10.11698/PED.2017.06.16

马新仿, 李宁, 尹丛彬, 等. 页岩水力裂缝扩展形态与声发射解释: 以四川盆地志留系龙马溪组页岩为例[J].石油勘探与开发, 2017, 44(6): 974-981.

MA Xinfang, LI Ning, YIN Congbin, et al. Hydraulic fracture propagation geometry and acoustic emission interpretation: A case study of Silurian Longmaxi Formation shale in Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 974-981.

马新仿（1972-），男，湖北天门人，博士，中国石油大学（北京）石油工程学院副教授，主要从事储集层压裂增产改造技术与理论研究工作。地址：北京市昌平区府学路18号，中国石油大学（北京）289信箱，邮政编码：102249。E-mail: maxinfang@cup.edu.cn

联系作者简介：邹雨时（1985-），男，辽宁沈阳人，博士，中国石油大学（北京）非常规天然气研究院助理研究员，主要从事岩石力学与水力裂缝扩展理论研究工作。地址：北京市昌平区府学路18号，中国石油大学（北京）289信箱，邮政编码：102249。E-mail:yushizou@126.com

2017-03-20

2017-07-20

（编辑 胡苇玮）