岩样密实度对水力压裂特征参数的影响研究*

2020-07-07叶功勤

工程地质学报 2020年3期

高强曹函③ 叶功勤郑洪林飞

(①中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083，中国) (②有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙 410083，中国) (③吉林大学，国土资源部复杂条件钻采技术重点实验室，长春 130012，中国) (④湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007，中国)

0 引言

在油气开采领域，水力压裂工艺是通过向储层注入压裂液，利用产生的流体压力和渗流作用使井筒周围产生裂缝并扩展(杨秀夫等，1998；马新仿等，2002；唐颖等，2011；李关访等，2017)。流体压力(王慧民，2013)一方面作用于钻孔的表面，由最大周向应力理论(郭建春等，2015；张建光等，2018)可知，在注入的水压达到岩层的破裂压力时，岩层就会产生裂缝，裂缝在小于破裂压力的拉张应力下进行扩展；另一方面，流体在与地层接触时，由于岩层本身的吸附性及流体产生的动、静水压力会使得压裂液渗入地层，因为地层本身比较复杂，仅仅使用流体力学无法充分地对裂缝扩展的机理进行解释，因而这一过程中又包括渗流力学的相关内容(王媛等，2000；左罗等，2018)。为了研究水力压裂流固耦合作用的机理，许多学者以地层本身的性质为着眼点进行了大量理论分析与试验研究，如：杨海博等(2011)研究了致密储层的微观结构，Hirata et al. (1987)研究了岩石的分形理论，Shapiro et al. (2005)研究了应力作用下的岩石内部孔隙分布。另外，许多学者进行了致密储层评价(陈江湛等，2017；Wu et al.，2018)和造缝机理的研究(李传华等，2002；Stanchits et al.，2006；周健等，2007；赵海军等，2016；Kumar et al.，2017；万小乐等，2017；张博等，2018；郭静芸等，2018)，而针对流体与岩石基质的耦合作用多集中于研究因水力压裂施工参数的改变引起的裂缝扩展，如：仝少凯等(2018)研究了不稳定流体注入的水力压裂效果；陈勉等(2000)进行了真三轴常规水力压裂试验研究；陈江湛等(2017)对脉冲水力压裂的效果进行了探讨；Patel et al. (2017)进行了循环水力压裂的研究，但这些成果只是研究了如何使得裂缝进一步延伸，未就其原因进行更深入的理论分析。在流固耦合作用中，流体产生的渗流场与地应力场的沟通点就在于流体在岩层孔隙中的变化即孔隙、空隙可以作为研究渗流场和应力场的过渡介质(Zimmerman et al.，1993；Stanchits et al.，2010；Zhang et al.，2016；李志清等，2017；陈跃都等，2018；李鸣，2018)。因此研究水力压裂流固耦合的关键就是对岩层空隙内流体的力学特征和化学特征进行研究。地层内部的岩石，无论是致密还是非致密储层，本身都有一定的孔隙度。研究不同孔隙度(密实度)试样的水力压裂效果是一个热点问题，而水力压裂工艺的另一重要用途就是利用水力压裂试验获得的相关数据进行地应力的推断，有效应力理论在水压致裂法测量地应力的研究中起到关键作用(张重远等，2012；欧哲等，2017；林长城等，2018；印兴耀等，2018；郭文雕等，2018)。致密低渗储层中，页岩是目前非常规能源研究的一个热点，对于不同区域、不同形成相的页岩水压致裂地应力研究还不是很成熟。此外，页岩的密实度是影响页岩应力敏感性的主要因素，因此研究不同致密度的岩石水力压裂效果，对于今后非常规能源的开采和有关水压致裂地应力的分析均有十分重要的意义，为此本文就针对不同致密程度的页岩重塑样进行了水力压裂试验，对相关的试验结果进行了探讨。

图 1 制样模具及样品Fig. 1 Sample-making mould and samples

1 试验过程

1.1 试样准备

将水泥、石膏、石英砂、页岩粉、清水等材料按照一定的比例混合(高强等，2019；李光等，2019)，将混合好的材料分别倒入Φ50imm和Φ100imm两种模具中，其中部分试样放置于振动台上振捣密实，用于形成密实度较高的试样，在常温下静置24ih后脱模，试验共制样19个(图 1)：Φ50imm×100imm的圆柱状试样12个，其中L-50-1～L-50-7、H-50-1～H-50-3用于测量两种不同密度试样的孔隙比例和波速，H-50-4～H-50-5进行水力压裂；尺寸为Φ100imm×200imm的7个圆柱状试样H-100-1～H-100-3、L-100-1～L-100-4进行水力压裂。故养护28id后对H-50-4～H-50-5、H-100-1～H-100-3、L-100-1～L-100-4进行钻孔并密封注液管，如图 2，Φ50imm的试样钻孔直径为6imm；Φ100imm的试样钻孔直径为8imm，注液管均为内径2imm、外径4imm的不锈钢管，以便后续对试样进行注液压裂。

图 2 密封注液管后的试样Fig. 2 Specimen with sealed fluid injection tube

1.2 试验步骤

1.2.1 尺寸、密度测量

将L-50-1～L-50-7、H-50-1～H-50-3试样两端切割并打磨光滑，用游标卡尺测量各试样4个不同侧面(分别标记为a、b、c、d)的高度，计算其均值h；高精度电子天平测量试样的质量m，根据密度计算公式ρ=m/(πr2)h(r=25 mm)可得各试样的密度(表 1)。然后将不同密实度的试样利用真密度测试仪(图 3)测得试样骨架的密度，与上述密度对比分析得出试样内部的孔隙比例，从而表征试样的密实度大小。

表 1 试样尺寸(底面直径50mm)与密度Table1 Sample size(bottom diameter 50mm) and density

L-lower compactness；H-high compactness

图 3 真密度测试系统Fig. 3 True density test system

1.2.2 声波测试

将测量密度结束后的试样L-50-1～L-50-7、H-50-1～H-50-3在两端面均匀涂抹一层凡士林，固定声波测试系统(图 4)的下探头于支架，试样下端面与之贴合，上端面放置上探头。探头选择160V的电压进行波速测试，先进行纵波波速的测试，获得纵波波速，再换横波探头，进行横波波速的测试。

图 4 声波测试系统Fig. 4 Acoustic test system

1.2.3 水力压裂测试

试样H-50-4～H-50-5、H-100-1～H-100-3、L-100-1～L-100-4进行水力压裂试验，试样H-50-4、H-50-5在不加任何外界应力的情况下，通过注液管连接三轴加载水力压裂监测系统(图 5)的注液部分进行注液，监测试样的缝内水压变化趋势，并对试样破裂的过程进行记录，这里通过该试验表明水力压裂过程的应力集中现象的产生及裂缝扩展到试样表面的表现形式，定性解释水力压裂过程中的渗流过程如图 6所示。

图 5 三轴加载水力压裂监测系统Fig. 5 Triaxial loading hydraulic fracturing monitoring system

图 6 Φ50imm无外压水力压裂试样Fig. 6 50imm diameter hydraulic fracture test sample without external pressure

1.2.4 不同密实度试样水力压裂

将试样H-100-1～H-100-3、L-100-1～L-100-4置于图 5所示的水力压裂监测系统的腔室内，围压设置为3iMPa，轴压为5.5iMPa，逐级加载，待轴、围压稳定20imin后，进行注液，本次试验选择的是清水压裂液，通过系统自带软件监测缝内水压，并对破裂后的试样进行拍照。试验方案如表 2所示。

表 3 试样孔隙测试结果Table3 Test results of porosity of specimens

表 2 试验方案Table2 Test scheme

2 试验结果及分析

2.1 试样孔隙测定结果

由表 3可知，此次试验所制得的试样存在不同的孔隙比，低密实度试样的孔隙占总体积的30%左右，而高密实度试样的孔隙只有20%左右，这与前面测得的密度结果一致，即低密实度试样的密度值在1650ikg·m-3左右，高密度试样则是1950ikg·m-3左右，可以说明试样间的密实度存在明显不同。

2.2 波速测试结果

通过波速测试可以从能量的角度反映出岩石内部的致密程度(李洁，2008；张晓平等，2018)，致密岩石的波速会大于非致密岩石。声波测试所得试样的纵波波速(Vp)、横波波速(Vs)结果如图 7、图8所示，结合两者的密度计算值，可以看出，密度较大的试样其纵波波速、横波波速均大于密度较小的试样。分析表 4中的波速均值可知高密度试样的纵波波速是低密度试样的1.6倍，横波波速是低密度试样的1.3倍，两种试样的纵波波速与横波波速之比为1.37和1.11，这与密度和孔隙测定的结果相一致，因此上述制作的试样可以用来模拟不同致密程度的试样。

图 7 低密实度试样波速测试结果Fig. 7 Low density sample wave velocity test results

图 8 高密实度试样波速测试结果Fig. 8 High density sample wave velocity test results

表 4 试样波速均值Table4 Average wave velocity of sample

2.3 水力压裂试验结果

水力压裂试验结束后，卸载轴、围压，将破裂后的试样从三轴加载仪器的腔室内取出，为更直观地对裂缝延伸到试样外表面的轨迹进行展示，用粉笔将其外围的破裂轨迹进行标注，具体操作如图 9所示。

图 9 破裂后试样裂缝标注Fig. 9 Specimen crack marking after fracture

为了对试样破裂过程中的应力集中及液体渗透现象进行表述，试验采取将H-50-4、H-50-5试样在无外界的作用力下进行水力压裂，该过程中渗透、裂缝扩展、试样破裂及水力压裂曲线如图 10所示。

图 10 无外界作用下φ50imm试样水力压裂过程及水压曲线Fig. 10 Hydraulic fracturing process and hydraulic pressure curve of 50imm diameter specimen without external action

由上述的试验结果可知，高密实度试样在水力压裂的过程中存在着渗流过程，注入的流体会在应力集中的地方先扩散，在这一过程中伴随着试样的裂缝起裂、扩展，在液体渗出一段时间后试样破裂，而裂缝在钻孔的底端向外扩展，表明应力集中效应在渗流过程中会随着试样裂缝的扩展表现出来。缝内水压曲线则表明在渗流作用较明显时，水力试样压裂不会有憋压阶段，水压曲线的变化速率先逐渐增大后又逐渐变小，一旦水压曲线陡降，就伴随着试样的破裂、贯通，说明注入的流体部分用于憋压的流量在后期会逐渐小于用于渗流的流量，导致渗流作用显著，使得增压速率逐渐减小。

对H-50-1～H-50-3、L-100-1～L-100-4得到的水力压裂缝内水压曲线及裂缝在试样外表面的轨迹(图 11～图13)进行分析，试验时试样的应力条件轴压为5.5iMPa，环压为3iMPa，这里将不同密实度试样在同一流量下的水力压裂曲线和试样破裂形式进行对比分析。

图 11 试样3imL·min-1注液水压曲线及裂缝外表轨迹Fig. 11 Water pressure curve and crack profile of sample-3imL·min-1

图 12 试样5imL·min-1注液水压曲线及裂缝外表轨迹Fig. 12 Water pressure curve and crack profile of sample-5imL·min-1

图 13 试样10imL·min-1注液水压曲线及裂缝外表轨迹Fig. 13 Water pressure curve and crack profile of sample-10imL·min-1

以水力压裂缝内水压曲线最大压力点即峰值水压为界，将水压曲线分为压力上升段和压力下降段，通过对比不同致密程度试样在不同流量(3imL·min-1、5imL·min-1、10imL·min-1)下的缝内水压曲线变化及裂缝最终扩展到表面的轨迹，得出：密实度大时，水压曲线上升段所用的时间与压力陡降段的时间相比较长，存在二次增-降压即裂缝扩展阶段，且增压速率在峰值前几乎一致，说明致密试样内用于憋压的液体量逐步增加，渗流量(滤失量)较少，且裂缝在向着远离钻孔底端应力集中区的方向发展，即沿着最大主应力方向扩展。密实度较小时，试样的缝内水压曲线则相反，达到最大压力值时没有压力陡降段，峰值压力后水压曲线水压值逐渐降低，表明渗流量在逐渐大于用于形成缝内压力的流量。当渗流到达试样外表时，试样破裂，压力陡降。随着流量的增加，高密实度试样的增压阶段在峰值附近会出现增压速率减小的现象，低密实度试样的峰后压降阶段持续时间减少。

形成上述不同泵压曲线的原因是：不同密实度试样的孔隙不同，同一流量下注入的液体中，用于形成憋压的流量也不相同，高密实度试样孔隙少，渗流量小，因而升压阶段明显持续时间较长，低密实度试样因孔隙较多，在增压一段时间后，渗流量会逐渐大于用于憋压的流量，直至渗流到达试样外表，因此会存在较长的峰后持续。随着流量增加，高密实度中用于渗流的流量增大，出现增压速率减小的现象，而低密实度试样则因试样的流量增大，更快渗透到试样表面，引起试样破裂。因此，密实度是水力压裂缝内水压曲线是否在裂缝扩展到试样表面前出现增压速率减小或陡降段的决定因素，流量大小则对试样的增压速率和渗流到达试样表面的时间产生影响。

综合裂缝外表轨迹图可知，高密实度试样裂缝一般沿着试样的最大主应力方向(轴向)破裂，扩展外围长度大于试样横切面周长；低密实度试样一般沿着钻孔底端外围扩展，对比图 10结果可知，试样的应力集中区域位于钻孔的外围端，因此密实度越低，试样的水力压裂应力集中效应表现得越明显，流量对各试样的破裂轨迹影响小。

图 14 低密度试样不同流量下的缝内水压曲线Fig. 14 Water pressure curves of low-density specimens with different flow rates

图 15 高密实度低流量与低密实度高流量水压曲线对比Fig. 15 High-density and low-flow vs low-density and high-flow pressure curves

为了进一步说明流量对渗流作用的影响，在上述分析的基础上，对比低密实度试样不同流量下的缝内水压曲线(图 14)可知：低密实度试样中，水力压裂注液量中用于形成憋压的流量较渗流量小，渗流作用较强，导致试样的破裂压力会低于水压曲线的峰值。当渗流作用快于裂缝扩展时，在裂缝的前端会形成一定渗流作用产生的低强度区域，因此在渗流作用到试样外表前，缝内水压曲线的下降段时间明显大于水压上升段，破裂压力低于峰值压力。一旦注液流量变大，由于渗流量明显小于注液量，用于憋压的流量增大，出现类似于高密实度试样的水压曲线变化情况，但是由于低密实度试样的内部孔隙较多，在一定的条件下，其破裂压力还是与其本身的孔隙比例有关，这就使得不同流量低密实度试样的峰值压力相差很小，但是破裂压力因注液量的快慢有所不同(图 14)，在注液流速达到15imL·min-1时，试样的破裂压力和峰值压力相一致，在3imL·min-1时，试样的破裂压力明显低于水压曲线的峰值压力。由上可知，在水力压裂渗流过程中，流量只会对试样渗流的快慢产生影响，流量大，破裂压力和峰值压力相差小；流量小，破裂压力明显低于峰值压力。

结合上文及图 15所示的高密实度低流量与低密实度高流量水压曲线对比可知，渗流作用在低密实度试样表现最为明显，图中的两条水压曲线的变化趋势基本一致，但是由于致密试样的渗流量少、流量小从而渗流速率小，增压阶段持续时间远远大于低密实度试样，虽然低密实度试样也存在陡降阶段，但是在大流量下，试样的渗流量也是较大的。低密实度试样的渗流作用使得裂缝前端的弱化明显强于高密实度试样，造成破裂压力的明显降低，由此可知，水力压裂中用于形成水力压裂裂缝的注液量与试样的密实度呈反相关，而渗流的流量则与试样密度呈正相关。与图 10形成明显对比的是，在一定的外界应力作用下，试样破裂的后期会产生一段延伸，这一方面和外界的围压有关，围压越大，试样的扩展就越明显。另一方面，试样破裂后，轴向作用会使得已破裂的裂缝有闭合的趋势，这也会使得水压曲线的陡降段后面出现水压曲线的缓慢变化阶段。

图 16 不同流量下不同密实度试样的水压最大值Fig. 16 The maximum pressure values at different flow rates for different density specimens

最后，由高、低密实度试样的峰值压力(图 16和表 5)可知，低密实度试样的峰值压力明显小于高密实度试样。水力压裂注入流量为渗流量与憋压流量之和，渗流作用增强会引起裂缝扩展减缓，渗流注液量大于憋压注液量，宏观上表现为试样先渗液后破裂。流量小于10imL·min-1时，低密实度试样的峰值压力随流量增大而增大，而高密实度试样在流量大于5imL·min-1时，峰值压力与流量正相关。这说明在水力压裂过程中，流量是影响试样起裂、扩展的一个重要因素，主要体现在水压曲线增压速率的变化。

表 5 试样密度、孔隙比与破裂压力均值Table5 Average density, void ratio and average fracture pressure of samples

由表 5 我们可以看出，试样的致密程度是影响试样峰值压力的一个主要因素，流量的大小虽然会对峰值压力的数值产生影响，但在一定的应力条件下，试样的峰值压力还是和其本身有关，即密实度是影响试样峰值压力大小的决定因素，流量会对该值的大小产生一定的影响。而与峰值压力相对应，试样的破裂压力也与孔隙比例有关，孔隙越多，密实度越低，同一流量下，破裂压力越低，这是因为孔隙较多时，会存在更多的流量用于渗流，使得裂缝的尖端前部弱化，引起破裂压力值降低，流量越大，试样产生破裂越快。