圆柱形页岩试样水力压裂模拟试验分析

张 健，王金意，荆铁亚，张国祥，马海春

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009 )

水力压裂是页岩气开发的关键技术，已有试验已经研究了页岩的水力压裂及其影响因素的作用，天然裂缝是体积改造中复杂缝网结构的形成基础[1]，水力裂缝遇到天然裂缝会发生止裂、分叉、转向和穿过等力学行为，天然裂缝是水力压裂形成复杂裂缝网络的主要机制[2]。文献[3-5]利用真三轴模拟试验系统对天然岩样、人造岩样进行水力压裂模拟实验,实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监测。中国科学院武汉岩土所研究人员采用真三轴岩土工程模型试验机建立了一套室内页岩水力压裂物理模拟试验方法,主要包括岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术，试验对比分析页岩试样试验前后展布规律，探讨了网状裂缝的形成机理[6-11]。文献[12]对彭水地区页岩储层进行水力压裂物理模拟试验研究,建立了水力压裂物理模拟试验方法。采用声发射监测信号实时监测了页岩压裂裂缝的产生、扩展演化过程,观察了水力压裂裂缝形态。文献[13]对现场矿区的九块大型煤块试件进行试验，分析了水压裂缝扩展行为，研究了裂缝的形成、扩展、煤体渗透性改变和水压作用的关系。另外，国内其他学者或研究单位也采用了模拟试验进行了水力压裂研究，但是多是采用立方形分析样品[14-22]。本文介绍水力压裂室内实验模拟试验设备，利用页岩加工成圆柱形试样，施加围压，进行水力压裂实验，结果显示圆柱形页岩破坏形态与注射孔有一定的关系，层面对裂纹形态有较强影响。

1 试验

1.1 仪器设备

室内大型水力压裂系统主要包括真空压缩机，柱塞计量泵、ISCO高精度柱塞泵、岩芯夹持器等。

在室内大型水力压裂系统中使用柱塞计量泵对页岩试样提供一定强度的环压以模拟地层应力条件。柱塞计量泵通过柱塞的往复运动直接将工作介质(水)吸入和排出来实现压强的控制，通过传感器监测并反馈工作介质的压强。本次试验中采用的2J-X型柱塞计量泵(见图1)最大排压50MPa，该次试验环压设为5MPa。

图1 柱塞计量泵和空压机

岩芯夹持器(见图2)为圆柱形不锈钢铸体，整体强度很高，通过不同配件的改造可使其分别适用于50mm、30mm、25mm直径试样的压裂实验。中部为环压加载区，夹持器中部的内部为橡胶垫层，保证试样收到均匀的环压压力。上部中空，以穿过提供水力压裂压裂压强的中空不锈钢水管。

图2 岩芯夹持器

利用ISCO高精度柱塞泵(见图3)为试样提供压裂压力。ISCO泵采用数字定位监测伺服控制电路，能按照设定流速和压力进行注水压裂，并使得其在流动时能保持平稳。本实验中使用的ISCO高精度柱塞泵型号为Teledyne Isco注射泵65D，缸体、活塞以及顶盖都采用高强度、耐腐蚀的奥氏体不锈钢材料Nitronic 50，具有高强度和耐腐蚀性，标准密封件采用的是石墨浸渍聚四氯乙烯。内置压力传感器(传感器精度为0.1kPa)确保其使用时的稳定性、重复性以及极高的精度控制，配合外部额外附加在ISCO高精度柱塞泵出口的压力传感器(传感器精度为0.1MPa)，实现对压裂压力的准确监测。在合适的条件下，泵的缸体具有优越的操作温度范围。ISCO泵具有较高的泵压精度、稳定性和良好的工程性能，通过面板直接控制注水速度和压裂，也可以在电脑上远程控制。有恒压模式和恒流模式两种加压模式可供选择。ISCO连续流动系统使用一个控制器控制两个泵，使得压裂液可以被不间断的连续输送，保持压裂压力的稳定性。最高输出压力为100MPa，在恒流模式下流量可以在0.000 1～29mL/min之间选择，精确度高且选择范围较宽。

图3 ISCO高精度柱塞泵

图4 室内小型水力压裂系统示意图

1.2 试样

试样采用现场采样，进行加工，直径50mm，长100mm，如图5所示，5组试样(SV1、SV2、SV3、SV4、SV5)的层面与井孔方向平行。试样颜色暗黑，层面分布均匀，有机含量较高，井孔直径6mm，长50mm，采用两组注射孔分布的井套，如图2所示。在实验前利用棉花填充注射孔，在井孔周围利用环氧树脂进行封孔。

页岩试样为牛蹄塘组页岩，岩石颜色呈黑灰色，手触摸后手上会残留下黑色，可见有机碳含量较高，使其可吸附气较多，为页岩气储存提供了良好条件和可赋存空间。为适合在室内小型水力压裂模拟系统设备上进行操作，对照岩芯夹持器的可适用尺寸，将野外采集到的不规则的大块页岩样本切割成直径为50mm，高度为100mm的圆柱体试样。井筒采用下部为直径6mm长度为50mm的空心圆柱体，上部为外侧截面呈正六边形内侧为带螺纹圆长度18mm的空心一次性高强度钢铸件，在井筒下面部分等距开孔使得ISCO高精度柱塞泵输出的压力能传递到试样上。井筒与ISCO高精度柱塞泵的不锈钢导管之间使用经过处理的螺纹紧固件连接。井筒与试样之间的固定剂采用环氧树脂。先使用纸巾、脱脂棉等将井筒上钻出来的出水孔堵上，防止环氧树脂胶体堵住井筒，同时不影响出水，将环氧树脂与固化剂按3∶1的比例配比后，使用棉签在井筒四周均匀涂抹，然后将井筒(见图6)插入井孔中，并用环氧树脂封住孔口。

图5 页岩试样

图6 井筒

2 试验结果

2.1 裂缝形态

采用在井筒上使用红色标记笔做记号，正面拍照后转动180°从背面拍照，随后将压裂后的页岩试样机械破开取出井筒，正反面拍照，如图7所示。

SV1试样在压裂后形成两条裂缝，裂缝①从页岩试样中部起裂，发育至另一侧靠近试样顶端距顶端约3cm处，裂缝②于第一条裂缝整体水平高度二分之一处起裂，向上发育至距离试样顶端2～3mm处，将试样切割为三个部分。由于SV1试样的井筒脱落效果好，直接将井筒拔出后置于试样旁边拍照，使对应效果更直观，便于后期分析。射孔对应情况与裂纹分布较为吻合，两条的交叉处均有射孔，此外裂缝②的发育路径上也分布着三个水力射孔中的最后一个。下部两个射孔传递的水压力使主裂缝形成并发育，同时上部一个射孔的压裂液传递的压强也大于页岩试样在该处的断裂韧性值于是产生裂纹，裂纹产生后向着主裂缝的弱面发育，渗流通道由此形成。

SV2试样共形成四条裂缝。裂缝①自一侧距顶面6～7cm处起裂，一路向另一侧上部延伸，止于靠近页岩试样中部靠近顶部位置；裂缝②始于一号裂缝水平高度约为4cm处，水平切割了试样未形成裂纹的一侧，将试样分割成上下两部分；裂缝③平行于裂缝②，始于裂缝①水平高度约为5cm处，水平开裂至试样未形成裂纹的一侧，但是并未割断试样，裂缝的间隙也小于裂缝②；裂缝④与裂缝①的竖直部分基本平行，为垂直走向，长度2～3cm，裂隙很小，且并未发育至试样顶部，原因是环氧树脂的存在。此试样井筒下部射孔的位置位于主裂缝发育处，压裂液沿裂缝向上传递压强，突破了裂缝②、③与主裂缝①相交处页岩试样的断裂韧性值，并沿着结构面发育至端部，②、③裂纹由射孔附近产生。当压力传递到试样顶部时，由于环氧树脂的黏合作用，顶部的页岩无法开裂，故对向的页岩弱面产生了细微的裂缝，形成了完整的裂缝网络。

SV3试样经过压裂后形成两条裂缝。两条裂缝的缝隙均不小，裂缝①发育自一侧中部，裂缝走向另一侧中部偏上位置。次级裂缝②由主裂缝①中部开始产生，一直发育到页岩试样侧面端部，两处裂纹近似于从页岩试样的中部破裂出厚度约0.5cm厚的页岩片层。此试样所使用的井筒有三个出水射孔。下部射孔的位置位于主裂缝发育路径上，同时也是次级裂缝②起裂的位置。最下端的射孔传递的水压力使主裂缝开裂，同时由于出水孔附近的页岩存在着弱面，于是次级开裂发生。

SV4试样的裂纹网与SV1试样非常类似。两条裂纹在试样上发育，裂缝①从页岩试样中部偏上1.5cm起裂，一直发育至另一侧靠近试样顶端距顶端约1cm处的侧面端部，另一条裂缝②于裂缝②整体水平高度二分之一处起裂，水平向发育，直至侧面端部，但是裂缝缝隙较小不足以将试样完全切断。

SV5试样仅有一条裂缝，裂缝由一侧端部距顶面1.5cm处开始发生破裂，向另一侧稍偏上部发育，一直到另一侧端部距顶面约0.5cm处将试样环切。对面裂纹发育较顶面距离稍远。

综合上述试样裂缝发育情况，可以发现，试样裂缝分布在射孔附近，且裂纹在层面发育，裂纹会发生分支，如试样1，试样2，其裂纹形态多在一条斜裂纹发育一条或多条横向裂纹，其形状多为如单翼发展，形如“丿、人、亽”等，这说明层面是裂缝网络化的重要影响因素；裂纹的宽度都很细小，裂纹多不平直，从受力方式来看，裂缝多属于张拉型裂纹；不同的注射孔可以引起不同的裂纹发育，多方向布置注射孔对页岩裂缝网络化有一定提升。

图7 水力压裂后的破裂情况与井筒射孔分布的对应关系图

2.2 注水压力分析

部分试样注水压力随时间变化曲线如图8所示。除SV4试样外，SV1、SV2、SV3、SV5四个页岩试样的变化轨迹大致相似，选择SV5试样的高压泵水压力随时间变化曲线进行分析，如图8所示。SV5试样最高压裂压力为22.38MPa，在60S左右达到最高压裂压力，此时对应试样发生破裂，裂纹发育后，压强迅速下降，待压裂液充满初级裂缝后，压强重新上升，并沿着已发生主裂缝寻找新的裂缝发生点，注水压力再次上升，当注水压力突破试样裂纹路径上某处的断裂韧性值后，次级破裂发生，然后是三级、四级裂缝。这些裂缝一直发育至页岩试样的断面，为表面所见；有些仅发生于试样的内部，产生的裂缝面不能直接观察到。试样的第二次断裂峰值为16.63MPa，第三次断裂的压力峰值为15.19MPa，第四次压力峰值为12.22MPa，四次压裂压力的峰值呈不断减小的趋势。SV1试样最高压裂压力为21.34MPa，SV2试样试样最高压裂压力为17.42MPa，SV3试样最高压裂压力为16.10MPa。从ISCO泵开始出水到完成第一次压裂的时间不完全相同，在设定的0.5mL/min的流量下，达到最高压裂压力的时间从1 min到4 min不等。

图8 试样水压曲线

3 数值分析

利用abaqus数值计算软件建立了圆柱形页岩水力压裂分析模型，利用扩展有限元理论，在模型内部注射孔施加注水压力，得到了页岩的破裂过程，如图9所示，在注水孔附近起始劈裂，然后往外表面延伸，方向发生了一定的变向，说明水力压裂与注射孔的位置有密切的关系，并多为单翼发展，与试验的结论有一定的相似性。

图9 水力压裂数值模拟

4 结论

本文介绍了在实验室进行圆柱形试样水力压裂试验的方法，并结合不同注射孔分布井筒试验分析了裂纹形态和水压曲线，得到以下主要结论：

(1)试样大部分裂纹与层面方向有关。裂缝可穿越结构面保持原方向发育；部分在结构面处发生转向，沿结构面发育。

(2)在泵压作用下试样内部发生拉伸或剪切破坏，多在射孔附近层面先发生起裂，多方向布孔可引起裂纹网络化。

(3)水压曲线曲线呈多次波动，其峰值压裂约在20MP左右。